青藏公路多年冻土地基小直径现浇管桩复合地基处治方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用小直径现浇管桩复合地基处治青藏公路多年冻土地基的技术，具体为其采用专门设计的钢管成模小直径（50-80cm）现浇管桩机，在多年冻土地基中旋转打入钢管空腔结构；在拔出钢管空腔结构后形成的孔洞中，打入保温空心钢护管，然后现浇新拌混凝土，达到一定强度后拔出钢护管；在形成的小直径现浇管桩顶部，铺设砂石层和土工格栅。本发明突破了以往被动保护多年冻土地基的思想，有望从根本上解决青藏公路多年冻土地基的热融沉陷问题，同时本发明的小直径现浇管桩，属于刚性桩，强度高，处理深度可达10~30m，工艺简单，造价低。
【专利说明】青藏公路多年冻土地基小直径现浇管粧复合地基处治方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及青藏公路多年冻土地基小直径(50-80cm)现浇管桩复合地基处治方法，其能够解决多年冻土地基的热融沉陷问题，属于公路工程建设领域。
【背景技术】
[0002]在我国青藏公路与铁路的建设过程中，1970年代提出了多年冻土地基“宁填不挖”的设计原则和最小路基高度，1980年代逐步形成了 “保护冻土”的设计原则，解决了路基临界高度和设计高度的问题。1990年代提出了“保护冻土、控制融化速率及综合治理”的设计原则，给出了路基修正临界高度。2000年以来，考虑到气候变化的影响，进一步提出了“制冷阻热、减少辐射、增强对流、综合治理”的原则，以及基于冻土分类、路基变形和浙青路面使用年限的路基合理高度。2004年提出了“主动冷却冻土路基，积极保护多年冻土”的新思路，突破了传统的“被动保温”理论，并研发了以调控辐射为主的遮阳路基，以调控对流为主的块石基底路基、块(碎)石护坡路基和管道通风路基，以调控传导为主的热管路基及保温板一热管复合路基，以及极高温、高含冰量冻土区所采用的旱桥等工程措施，以低成本、环境友好的方式在青藏公路与铁路多年冻土路基稳定性维护中取得了极大的成功。
[0003]但是，隔热层路基减少路基体吸热的积极效应不是全年持续作用的，其只在外界温度大于路基体内温度，温度梯度趋于使路基体温度升高的暖季才发挥积极效应，也就是说，在多年冻土区这种措施的时效性很强。在冷季，隔热层路基不利于路基体和外界进行热量交换，不利于冷季路基体自上而下的回冻，不利于隔热层下土体冷季向外传递热量而降温。这说明，单纯依靠保温隔热的工程措施，不能有效改变路基体内热储增加的趋势，且其作用效果与路基走向、路基结构形式(有无保温护道)、路基闻度等因素有关。
[0004]碎石、片块石路基对石料需求较大，附近有无适合开采的、满足强度等各方面性能的石料是设计时应考虑的问题。另外，碎石路基施工标准如压实控制等还不完善，施工期间碎石层空隙率不易检测与控制。全断面施工过程中振捣压实时碎石向两侧滑移，压实度较难达到设计要求。碎石路基边坡容易被扬砂等填充，使得它的对流降温效果大大降低。
[0005]热棒在暖季基本上不工作(只在气温波动出现负温，热棒两端的温差超过启动温差时才工作)，这种工程措施的时效性也很强。如果冻结期短、融化期长，热棒形成的冻结核可能会在负温期来临之前融化而不能在路基中有效消除融化夹层，热棒的长期效果不能得到保证。热棒对冻土地层的蓄能效应是长期的、动态非线性的变化过程。只在冷季工作，工作时效受限制，理论启动温差下是否真正工作，现在还在进行相关后续检测研究。热棒工程措施工程成本高，易被雨水和土壤腐蚀，使得抗腐蚀处理及耐久性问题成为这种工程措施有待解决的问题。
[0006]钢骨架结构的遮阳板，在多年冻土区热胀冷缩严重，面板易变形、损坏，结构损坏严重；且轻型骨架与板材也较易受人为损坏或破坏。
[0007]通风管在实际应用中，建议在大气月平均温度高于0°C的月份封闭通风管道进出口(一般为5月、月)，采用隔热帘将通风管口封闭(俗称“拉帘子”)，利用人工调节的办法，以降低通风管传热的负面影响。采用人工措施设置帘子后，埋设的通风管可使多年冻土年平均地温降低1.0-2.(TC。智能采风口通风管措施现在还处于研究阶段，其应用效果有待进一步跟踪。通风管路基管体周围和整个工程措施段如何保证压实，施工过程控制等还需要优化。
[0008]从上可知，现有的工程技术措施(如隔热层、热管/棒、通风管等)正在从被动保护多年冻土地基向主动保护转变，但其核心还是“保护多年冻土地基、尽量不扰动或少扰动冻土地基”。从已有的工程实践来看，这些工程措施取得了一些效果，但多年冻土地基的热融沉陷问题还没有得到很好解决。
[0009]本发明的思路是改变原有的单纯保护冻土的措施，采取在多年冻土地基中现浇混凝土以形成刚性桩的处治方法，以期解决多年冻土地基的热融沉陷问题。
【发明内容】
[0010]基于上述问题，本发明的目的是克服上述多年冻土地基保护技术的不足，设计一种对多年冻土地基进行处治的小直径(50-80cm)现浇管桩复合地基处治方法。
[0011]本发明的技术方案:青藏公路多年冻土地基处治小直径现浇管桩复合地基处治方法，包含现浇小直径管桩复合地基施工方法和管桩材料设计方法。
[0012]现浇小直径管桩复合地基施工方法，其主要技术特征在于:
(1)在预处治的多年冻土地基处，定位钢管成模小直径现浇管桩机；
(2)启动管桩机上的旋转机动力源，带动与之连接的外带螺旋钢管空腔结构一起旋
转;
(3)钢管空腔结构在旋转机的带动下打入多年冻土地基，达到预定的设计深度时，拔出钢管空腔结构；
(4)在钢管空腔结构拔出后形成的孔洞中，打入两端开口的保温空心钢护管。用水泵将保温空心钢护管内的冰、水、土混合物抽干；
(5)向保温空心钢护管中一次性均匀注入新拌混凝土，并振捣密实。当混凝土达到设计强度的70%左右时，拔出保温空心钢护管；
(6 )在混凝土桩顶铺设砂石层，并在砂石层中铺设土工格栅，形成复合地基褥垫层。
[0013]为上述方法专门设计的钢管成模小直径现浇管桩机，其主要特征在于，设备基础与龙门支架的底部下端固定连接，龙门支架内侧设有滑槽，滑动杆与龙门支架的滑槽相连，滑动杆下连内带动力源的旋转机，旋转机下部与直径约为5(T80cm、外带螺旋的钢管空腔结构固定，滑轮固定在龙门支架顶部中间与右端，钢丝绳通过滑轮将滑动杆与设备基础上固定的滑轮动力源相连，实现滑动杆的上下移动。
[0014]为上述方法专门设计的两端开口的保温空心钢护管，其特征在于:空心钢护管厚约5~10mm，外围有厚2~4cm的保温材料，钢护管与保温材料的总直径略小于管桩机所钻孔洞直径大小。
[0015]管桩材料设计方法，其主要技术特征在于:
(1)采用早强型水泥:抗压强度等级为42.5MPa的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；水泥用量不少于300kg/m3,水灰比不大于0.4 ；
(2)加入1%左右引气型减水剂，以减少用水量； (3)掺入3%左右无氯盐类防冻剂；
(4)将水与砂石材料分别加热至3(T40°C，先投入砂石材料和水泥拌和l(T20s，再加水拌和30?40s ；
(5)新拌混凝土出机温度不宜低于30°C，入模浇筑温度不得低于25°C；
(6)入模后的新拌混凝土务必振捣密实。然后铺设一层聚氯乙烯薄膜保湿，再覆盖棉毡和草袋保温。
[0016](7)混凝土达到设计强度的70%后方可拆模(即拔出保温空心钢护管)，拆模后仍用保温材料覆盖养护7d以上。
[0017]本发明的优点和效果在于小直径管桩，属于刚性桩，桩身强度较高，边转边加压的方式使得处理深度可达l(T30m，施工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督，造价低，可使多年冻土地基的稳定性得到明显加强。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1-本发明的钢管成模小直径现浇管桩机的正面图a)和侧面图b)。
[0019]图2-本发明的保温空心钢护管示意图。
[0020]图3-本发明应用实例图。
[0021]附图标记:
1-设备基础；2_ (带滑槽的)龙门支架；3_滑轮动力源；4_ (带动力源的)旋转机；5_ (夕卜带螺旋的)钢管空腔结构；6_滑动杆；7_滑轮；8_钢丝绳；9_空心钢护管；10_保温材料，
11-砂石层；12-土工格栅；13_管桩；14-多年冻土地基。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示的钢管成模小直径现浇管桩机，将该机定位在预处治的多年冻土地基14上，设备基础I与龙门支架2的底部下端固定连接，龙门支架2内侧设有滑槽，滑动杆6与龙门支架上的滑槽相连，滑动杆6下连(内带动力源的)旋转机4，旋转机4下部与直径约为5(T80cm、外带螺旋的钢管空腔结构5固定。设备基础I上固定滑轮动力源3，龙门支架2顶部中间与右端固定滑轮7，钢丝绳8通过滑轮7将滑动杆6与滑轮动力源3相连，实现滑动杆6的上下移动。
[0023]启动旋转机4动力源,带动与之相连的钢管空腔结构5—起旋转。开启滑轮动力源3，放松滑轮7上的钢丝绳8，使滑动杆6保持旋转机4与钢管空腔结构5沿龙门支架2的滑槽向下运动，钢管空腔结构5边旋转边打入多年冻土地基14中，当达到预先设计的深度时，关闭旋转机4动力源。在旋转钻进过程中，随时检查钢管空腔结构5的垂直度，如有倾斜，及时调整。
[0024]收紧滑轮7上的钢丝绳8，向上提升滑动杆6，带动与滑动杆6连接的旋转机4和钢管空腔结构5，直到钢管空腔结构5的最低端高出多年冻土地基14表面50cm以上时，关闭滑轮动力源3。卸下钢管空腔结构5和旋转机4。
[0025]向上述旋转钻进形成的孔洞内，打入长度足够的、两端开口保温空心钢护管9。用水泵将保温空心钢护管9内的冰、水、土混合物抽干。向孔洞内一次性均匀注入新拌混凝土，并充分振捣密实。当保温空心钢护管9内的混凝土达到设计强度的70%以上后，拔出保温空心钢护管9。采用反射波法对桩身完整性进行检测，检测数量为总桩数的25%。
[0026]如图2所示，所述空心钢护管9管壁厚约5?10mm，外围包裹厚2?4cm的保温材料10，空心钢护管9与保温材料10的总直径略小于管桩机所钻孔洞直径大小。
[0027]如图3所示，在管桩13顶端铺设厚约50cm的砂石层11，再在砂石层11中放入土工格栅12，形成复合地基褥垫层。
[0028]管桩材料设计:
①采用早强型、抗压强度等级为42.5MPa的普通硅酸盐水泥，水泥用量350kg/m3，水灰比为0.4。加入1%引气型减水剂和3%左右无氯盐类防冻剂。
[0029]②在混凝土拌合站，将水与砂石材料(石子:沙=70:30)分别加热至40°C和30°C。若水与砂石材料的温度高于以上温度，则无需加热。
[0030]③将加热后的砂石材料(石子:沙=70:30)和水泥，投入到强制式混凝土拌合机中，强制拌和15s，再加入适量水，再强制拌和40s。新拌混凝土出机温度不低于30°C。
[0031]④将出机后的新拌混凝土，装入带保温功能的混凝土搅拌运输车中，运输到多年冻土地基处治现场。运输过程中始终保持搅拌筒转动。
[0032]⑤检查运达现场的搅拌运输车中的混凝土温度，当不低于25°C时，向已抽干冰水土混合物的保温空心钢护管9内，一边注入混凝土，一边用振捣器振捣密实。
[0033]⑥当保温空心钢护管9内的混凝土全部振捣完毕后，在其上铺设一层聚氯乙烯薄膜保湿，再覆盖棉毡和草袋保温。
[0034]⑦当混凝土达到设计强度的70%后，拔出保温空心钢护管9，再用保温材料持续养护7d以上。
[0035]本发明的原理可广泛适用于多种多年冻土地基的处理。
【权利要求】
1.一种公路多年冻土地基小直径现浇管桩复合地基处治方法，其特征在于包括以下步骤: (1)在预处治的多年冻土地基处，定位钢管成模小直径现浇管桩机； (2)启动管桩机上的旋转机动力源，带动与之连接的直径约为50-80cm、外带螺旋的钢管空腔结构一起旋转； (3)放松滑轮上的钢丝绳，所述钢管空腔结构在旋转机的带动下打入多年冻土地基，达到预定的设计深度时，拔出钢管空腔结构； (4)在钢管空腔结构拔出后形成的孔洞中，打入两端开口的保温空心钢护管，用水泵将保温空心钢护管内的冰、水、土混合物抽干； (5)向保温空心钢护管中一次性均匀注入新拌混凝土，并振捣密实，当混凝土达到设计强度的70%左右时，拔出保温空心钢护管； (6)在混凝土桩顶铺设砂石层，并在砂石层中铺设土工格栅，形成复合地基褥垫层。
2.权利要求1所述的公路多年冻土地基小直径现浇管桩复合地基处治方法，其特征在于还包括管桩材料的设计方法，具体为: (1)采用早强型、抗压强度等级为42.5MPa的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；水泥用量不少于300kg/m3，水灰比不大于0.4 ； (2)加入1%左右引气型减水剂和3%左右无氯盐类防冻剂； (3)将水与砂石材料分别加热至3(T40°C，先投入砂石材料和水泥进行拌和l(T20s，再加水拌和30?40s ； (4)新拌混凝土出机温度不宜低于30°C，入模浇筑温度不得低于25°C； (5)入模后的新拌混凝土务必振捣密实，然后铺设一层聚氯乙烯薄膜保湿，再覆盖棉毡和草袋保温； (6)混凝土达到设计强度的70%后方可拔出保温空心钢护管，仍用保温材料覆盖养护7天以上。
3.一种应用到如权利要求1-2任一项所述的方法中的钢管成模小直径现浇管桩机，其特征在于:设备基础与龙门支架的底部下端固定连接，龙门支架内侧设有滑槽，滑动杆与龙门支架的滑槽相连，滑动杆下连内带动力源的旋转机，旋转机下部与直径约为5(T80cm、外带螺旋的钢管空腔结构固定，滑轮固定在龙门支架顶部中间与右端，钢丝绳通过滑轮将滑动杆与设备基础上固定的滑轮动力源相连，实现滑动杆的上下移动。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述空心钢护管厚约5?10mm，外围有厚2?4cm的保温材料，钢护管与保温材料的总直径略小于管桩机所钻孔洞直径大小。
【文档编号】E02D27/35GK103758145SQ201410061905
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】廖公云, 邵财泉, 黄晓明, 汪双杰, 陈建兵, 马涛, 王声乐 申请人:东南大学