一种水平双向分层减压的路基冻害整治装置的制作方法

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本发明涉及季节冻土区铁路路基冻害治理领域，涉及一种水平冻胀力分层释放的路基冻害整治装置，根据已有研究成果和相关试验结果，针对冻害发展的特点，设计了水平双向分层减压的路基冻害整治装置。


背景技术：

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根据土体处于冻结状态持续时间的不同，冻土可分为季节性冻土和多年冻土。季节性冻土是指地表层冬季冻结，而在夏季又全部融化的土，在一年内其冻结时间不会超过一个季节。多年冻土是冻结状态持续多年，多年不融的冻土。我国冻土面积广大，其中季节性冻土占我国领土面积的55％，多年冻土占全国领土面积的1/5。冻土是具有多相复杂体系的特殊土类，其性质受含冰量的控制，而含冰量的大小直接与温度相关，温度升高含冰量减少，温度降低含冰量增高。气候季节变化和人类活动不可避免的会引起土温的变化，因此，冻土的性质随时都在变化，表现为动态特性，是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体。在季节性冻土区，冻土灾害发生时会造成路基面不均匀隆起和鼓胀，反映到轨道上会引起轨面不平顺，严重时会危及行车安全。
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目前，整治既有铁路路基冻害的主要措施有：换填法、排水法、隔水法、保温法、物理化学法(注盐法和撒盐法)、挤密法、抬轨法、冻害垫板顺坡法等。换填法是用非冻胀性的土置换既有路基冻胀土，换填后可保证路基不冻胀，但这种方法需中断行车，工作量大，在实际冻害整治工程中很少采用。排水法是通过排除地表水或降低疏导地下水及隔断下层水以消除或减少路基土体冻胀。隔水法是指用各种材料制成的隔水层，使地下水不能透过，或隔断毛细水的补给，阻止冻结时所产生的水分向上迁移作用，以减少或消除冻胀。保温法是在路基表层(顶面及路基边坡)设置保温隔热层，使表层下的土层不冻结或减少冻结深度，推迟土体冻结，提高土中温度，从而消除或减少路基土体的冻胀。物理化学法(注盐法和撒盐法)是在路基填土中加入某些物质(比如工业盐)，改变土粒与水之间的相互作用，使土体中的水分迁移强度及其冰点发生变化从而消弱土的冻胀，该方法施工简便，但保持时间较短，且对环境、钢轨及扣件造成污染和腐蚀，只能减小冻胀，不能根除冻害，应与其他办法结合使用。挤密法是在路基上按一定间距成孔，然后填入石灰或水泥改良土，经夯实成桩，通过材料吸水和离子交换，使桩周土体固结，同时对桩间土挤密压实，提高土体的密实度，从而减少了路基冻胀量。抬道法适用范围主要是在平面和纵断面条件允许情况下的水浸路基的地段和冻害连续的地段。随着大型养路机械的应用，使用大型养路机械抬道法整治路基病害是确保行车安全，降低工程造价，工程得以顺利实施的最佳选择。冻害垫板顺坡法是在路基冻胀时，在钢轨与轨枕之间垫入竹板或橡胶垫板进行顺坡，且在冻胀期间必须坚持随起随垫的作业原则，冻土消融时再撤出垫板顺坡，且冻害回落期间必须坚持随落随撤的作业原则。
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路基的冻害治理方面方面存在诸多问题，各种整治措施还有不足之处，为更好地解决路基冻害的问题，本次提出了一种水平双向分层减压的路基冻害整治装置，该装置主
要通过将冻胀路基中的水平冻胀力分层逐步释放和自复位来实现对路基冻害的整治。该装置是由混凝土支撑箱体、若干个钢筋混凝活动土板、四氟板(低摩擦)隔离层、不同刚度弹簧组、螺栓固定组件和橡胶外保护层组成。该装置施工方便。该装置强度高、竖向刚度大、防水、耐候性强、适应能力强，能满足路基对其承载力和变形的要求。冬季路基土体冻胀时，路基土由上向下逐步产生冻胀力，冻胀力推动各个水平活动板发生水平位移，释放路基中的冻胀力并减弱或消除路基冻胀量，同时弹簧组装置压缩蓄能；暖季路基土体融化时，周围土体刚度降低，弹簧组装置蓄的能量再反过来推动各个活动板分别向两个方向挤压路基土体，达到减小融沉量的目的。如此反复，可很好的减弱或消除路基的冻胀融沉危害，外表面的橡胶保护层可以保证装置在地下水丰富的地区也可以正常使用。与其他措施相比本装置可以降低工作量，节省投资，具有很重要的工程应用价值和社会效益，在解决路基冻害方面具有广阔的应用前景。
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本发明是基于本团队专利号为zl201610293305.5，名为《一种可实现双向减压及自复位的既有路基防冻害装置》的发明专利的内容，对原有装置做出了重大改进，可以更加有效的整治既有路基冻害。


技术实现要素：

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本次发明提出了一种水平双向分层减压的路基冻害整治装置，该装置主要通过将冻土路基中的水平冻胀力分层逐步释放和自复位来实现对路基冻胀融沉病害的整治。
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本发明所要解决的技术问题主要在于：克服现有装置不能均匀释放冻胀力和不能在含水率较高的地区使用的缺点，提出一种新的水平双向分层减压的路基冻害整治装置，该装置的面板为分层分块设计，分层数量可以根据具体使用场地和位置灵活确定，面板分层设计在路基填土冻结过程中可以分层释放冻胀力，使整治效果更加明显，并且不会出现整块面板倾斜使装置失效和冻胀力释放不及时等状况，提高了装置的工作性能和可靠性。另外，在本装置外表设置了一层橡胶防水层，较已有装置适应性更强，可以在地下水位较高和路基含水率较大的地区使用。
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本发明主要由以下部分组成：钢筋混凝土外支撑箱体、若干个钢筋混凝土活动板、四氟板隔离层、弹簧组装置、带螺纹导杆、橡胶保护层以及其他部分，该装置主要部件的功能是：钢筋混凝土外支撑箱体承担上部荷载并容纳保护其他部件，弹簧组提供所需的水平力并蓄积能量，弹簧刚度系数应根据当地实测的路基中最大水平冻胀力选择，并依据冻胀力的分布形式和变化规律设置活动板的数量和各弹簧组的参数，保证各活动板受力和变形与各土层相适应，为使活动板在装置内只发生平动位移且不会相互卡顿，在各个活动板之间、活动板与外支撑箱体之间设置低摩擦隔离层；钢筋混凝土活动板承受冻胀力和弹簧组的作用力，应有一定的厚度、强度和刚度，在预制时根据弹簧装置的位置预留孔位，便于现场安装固定弹簧装置，装置组装时应使弹簧有一定的初始压缩量，以便抵消路基填土的主动土压力。为了保护弹簧组和防止水进入后造成装置失效甚至损坏，在装置外表面设置连续橡胶保护层。
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本发明的技术效果是：在土体冻结时，土中水结冰膨胀，冻土体积相应增大，产生冻胀力，就会推动装置内两个水平方向对应深度处的钢筋混凝土活动面板向内移动，弹簧装置蓄能，使土体内的冻胀力得以释放，即可减轻路基的隆起抬升，在土体消融时土中冰融
化成水，土体体积缩小，相应的刚度减小，装置内的弹簧就会分别推动两侧活动钢筋混凝土板向外移动，挤压土体，增大路基土体刚度，减弱路基土层的融沉变形。本装置采用水平两向减压，即装置水平两个方向都有活动板进行工作，提高了整治效果。外表的橡胶保护层可以保证装置有更强的适应性和耐久性并且在地下水丰富的地区也可以正常使用。
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本发明的优点是：
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(1)适应性强，性能可靠。本装置的活动面板的高度小数量多可以克服整块面板的诸多缺点，当冻胀过程沿深度依次发展时，对应深度处的混凝土面板发挥作用，可以最大限度的减小冻胀-融沉造成的危害，并且各层弹簧组刚度可以根据室内和现场试验资料分别设置；
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(2)制作方便，施工便利。本装置可以工厂模块化生产，根据现场实际情况选择不同参数的模块并且各模块之间采用螺栓拼装而成，方便快捷，利用工务维修天窗，即可施工；
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(3)耐久性和耐候强好，防水性能好。本装置设置了橡胶保护层可以保证装置有更强的适应性和耐久性，可以在地下水丰富和路基含水率较高的地区正常使用，装置不会因为进水而造成失效。
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(4)维护更换方便快捷，节约投资。使用过程中部分装置损坏或者失效后，及时更换即可恢复功效；实用性好、操作方便、价格低廉，易于推广应用。装置一旦埋设到位，可循环工作若干个冻融周期，省时省力；并降低路基养护维修工作量，大大降低养护维修费用。
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(5)水平双向减压，整治效果更加明显。
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(6)可采用人工挖坑埋设，不需大型机械且作业时间短。
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(7)本发明的装置可以工厂模块化生产，质量易保证。
附图说明
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下面结合附图对本发明进一步说明。
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图1是本发明装置沿路基纵向的布置图；
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图2是本发明装置在路基横断面上的布置图；
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图3是本发明装置主要结构的俯视剖面图；
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图4是本发明装置主要结构主视剖面图；
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图5是本发明装置主要结构侧视剖面图；
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图6是本发明装置弹簧部件主视图和俯视图；
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图中：1.钢筋混凝土外支撑箱体，2.钢筋混凝土活动面板，3.低摩擦隔离层，4.弹簧组，5.带螺纹预埋套筒，6.带螺纹导杆，7.预埋套管，8.橡胶保护层。
具体实施方式
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该装置的实现的具体步骤下面结合附图和具体实施步骤对本装置作进一步说明。
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步骤零：装置制作，按照设计要求预制所需部件，安装部件，制作橡胶保护层。
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步骤一：施工准备及装置参数选择。测量出冻害路段的路基土参数，根据测量的参数进行装置模块的选择(不同模块的差别主要在弹簧弹性常数和箱体的高度)，该处理装置主要在暖季制作与安装。
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步骤二：开挖坑槽。依据天窗点的时间，在既有铁路路基上施工，先拆除一根轨枕并挖开轨枕之间的道砟，在两轨枕之间开挖出相应尺寸的坑槽。
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步骤三：装置定位及安装。将根据上文选择好的箱体放入挖好的坑槽中，并固定好。
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步骤四：回填路基恢复线路原貌。检查装置箱体的位置和垂直度然后回填坑槽并进行压实，恢复道砟及轨枕，施工完毕。
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步骤五：冻胀量监控，验证冻害整治效果。