一种纤维改良地层抑制冻胀变形的方法

本发明涉及一种地层抑制冻胀变形的方法，尤其适用于地下冻结施工时使用的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，属于市政地下工程建设领域。

背景技术：

在地下工程建设中，当遇到富水软土地层等复杂地质情况时，常常采用人工冻结技术对土层进行加固，改良地层性能，以便在富水地层中完成开挖和结构构筑施工。冻胀的产生是人工冻结法的一大弊端，若对冻胀控制不当，会对地下管线、相邻建筑的基础造成破坏，严重时甚至会发生工程事故。一般情况下，大部分工程都采用取土泄压、间歇开启冻结站、控制低温盐水流量等方法对冻胀量进行控制，但这些都是被动控制方法，只能适当减小冻胀量的增长，而不能从源头上对冻胀量加以控制，且过度的钻孔取土泄压和减弱低温盐水流量等方法还会对原状土层和冻结壁造成较大影响，增大施工风险。

为改善取土泄压等被动控制方法的不足，国内学者提出了“先改良后冻结”工法，这是主动控制冻胀量的方法，即在源头上对冻胀加以抑制。近年来一些工程中采用了向土层中注入水泥的方法对冻胀进行控制，获得了显著效果。水泥改良土是在冻结土体范围内利用水泥深层搅拌桩工艺在土体内掺入一定量的水泥浆，水泥与土体内的水分发生化学反应，从而减少土体内的水分，降低地层的渗透系数，从而达到抑制冻胀的目的。但水泥改良土属于化学作用，易对地下环境造成污染，且改良后的地层无法恢复到原始状态，特别是地下水的限制作用，对农业生产等过程产生严重影响。

技术实现要素：

针对上述技术的不足之处，提供一种施工简单，成本低，能够有效减少地层改良对后续施工及农业生产的影响，减少冻结过程中的冻胀对周围环境的影响的一种纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，有效限制冻结区域的冻胀量及未冻区域的变形传递量两个方面抑制冻胀变形，从而减少冻结施工过程中地层冻胀变形对地面的影响。

为实现上述技术目的，本发明的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，在拟冻结区域施工纤维改良地层，纤维改良地层为原有土颗粒掺入钢纤维改良构成，为防止冻结区域出现冻胀现象，纤维改良地层的施工空间大于冻结区域，在拟冻结区域的纤维改良地层内布置冻结管，之后利用冷冻管在纤维改良地层内形成冻结区域，纤维改良地层有效抑制冻结区域产生冻胀变形对周围非冻结区域的影响。

具体步骤为：

a.通过旋喷加固的方法，在地下水位以下预设的冻结区域及其周围地层的区域中掺入钢纤维，形成包裹住冻结区域的纤维改良地层；

b.在纤维改良地层中的拟冻结区域位置施工冻结管；

c.连接冻结系统，利用冻结管完成冻结区域的冻结施工；

d.冻土形成过程中，掺入地层中的钢纤维有效提高冻土的发展速度，钢纤维与土颗粒间的胶结作用限制了土颗粒之间的位移及冰透镜体的生长，减小了冻土的冻胀量；而冻土边缘及外部的钢纤维发挥良好的导水作用，加速孔隙水的消散，从而减小未冻土地层的冻胀变形量；

e.随着冻土的发展，冻结壁边缘的未冻区逐渐转变为冻结区，而纤维改良地层内的未冻土区域钢纤维的导水作用也不断转换为冻结壁内部的胶结作用，继续限制冻土内的冻胀，同时未冻土区域内的钢纤维也继续发挥导水作用，减小地层冻胀量的传递效果。

当冻结壁厚度满足设计要求后，在冻结壁的维护作用下，即可进行冻结区域下方的开挖区域的施工工作；开挖区域施工完成后，停止冻结，地层解冻后即可恢复到初始状态。

施工纤维改良地层前根据预施工的纤维改良地层的空间体积估算出纤维改良地层的总质量，然后通过旋喷加固的方式将质量比为3％～5％的钢纤维均匀掺入纤维改良地层的施工区域内，从而完成纤维改良地层。

所述钢纤维的直径为0.5～3mm、长度5～30mm。

有益效果：通过在冻结区域掺入钢纤维构成改良地层，有效减小冻结区域的冻胀量和抑制未冻区域冻胀变形的传递，从而减小冻结过程中冻胀对周围环境的影响，通过掺入钢纤维还可以提高冻土发展速度，缩短冻结时间，而且掺入钢纤维不会明显改变土体的含水量及地下水的流动，可有效保护地下环境，降低工程成本。纤维改良地层的冻结速度快，而且钢纤维增强了土颗粒之间的约束作用，从而减小冻结区域的冻胀量；同时冻结区域外部的钢纤维增加未被冻结区域的导水通道，加速了孔隙水的消散，从而减小冻结区域的冻结壁周围未冻地层的变形，抑制冻胀变形对非冻结区域周围环境的影响。

附图说明

图1为本发明纤维改良地层的实施效果示意图。

图中：1-地面；2-地下水位；3-纤维加固地层区；4-冻结管；5-冻结区域；6-开挖区域；

具体实施方式

以下实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

如图1所示，本发明的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，某城市区域地面1之下存在地下水，当需在地下水位2以下的施工开挖区域6，由于地下水较丰富，采用人工冻结法对土层加固支护，设计冻结区域5范围，为了减少冻结过程中冻胀变形对周围环境的影响，掺入钢纤维改良冻结区域5的地层以抑制地层冻胀量，主要施工步骤为：在拟冻结区域施工纤维改良地层3，纤维改良地层3为原有土颗粒混合钢纤维构成，为防止冻结区域出现冻胀现象，纤维改良地层3的施工空间大于冻结区域，在拟冻结区域的纤维改良地层3内布置冻结管4，之后利用冷冻管4在纤维改良地层3内形成冻结区域5，纤维改良地层3有效抑制冻结区域5产生冻胀变形对周围非冻结区域的影响。

具体步骤为：

a.通过旋喷加固的方法，在地下水位2以下预设的冻结区域5及其周围地层的区域3中掺入钢纤维，形成包裹住冻结区域5的纤维改良地层4；

具体的，施工纤维改良地层3前根据预施工的纤维改良地层3的空间体积估算出纤维改良地层3的总质量，然后通过旋喷加固的方式将质量比为3％～5％的钢纤维均匀掺入纤维改良地层3的施工区域内，所述钢纤维的直径为0.5～3mm、长度5～30mm，完成纤维改良地层3；

b.在纤维改良地层4中的拟冻结区域位置施工冻结管4；

c.连接冻结系统，利用冻结管4完成冻结区域5的冻结施工；

d.冻土形成过程中，掺入地层中的钢纤维有效提高冻土的发展速度，钢纤维与土颗粒间的胶结作用限制了土颗粒之间的位移及冰透镜体的生长，减小了冻土的冻胀量；而冻土边缘及外部的钢纤维发挥良好的导水作用，加速孔隙水的消散，从而减小未冻土地层的冻胀变形量；

e.随着冻土的发展，冻结壁边缘的未冻区逐渐转变为冻结区，而纤维改良地层3内的未冻土区域钢纤维的导水作用也不断转换为冻结壁内部的胶结作用，继续限制冻土内的冻胀，同时未冻土区域内的钢纤维也继续发挥导水作用，减小地层冻胀量的传递效果；

f.当冻结壁厚度满足设计要求后，在冻结壁的维护作用下，即可进行冻结区域5下方的开挖区域6的施工工作；

g.开挖区域6施工完成后，停止冻结，地层解冻后即可恢复到初始状态。

技术特征：

1.一种纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，其特征在于：在拟冻结区域施工纤维改良地层(3)，纤维改良地层(3)为原有土颗粒掺入钢纤维改良构成，为防止冻结区域出现冻胀现象，纤维改良地层(3)的施工空间大于冻结区域，在拟冻结区域的纤维改良地层(3)内布置冻结管(4)，之后利用冷冻管(4)在纤维改良地层(3)内形成冻结区域(5)，纤维改良地层(3)有效抑制冻结区域(5)产生冻胀变形对周围非冻结区域的影响。

2.根据权利要求1所述的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，其特征在于具体步骤为：

a.通过旋喷加固的方法，在地下水位(2)以下预设的冻结区域(5)及其周围地层的区域(3)中掺入钢纤维，形成包裹住冻结区域(5)的纤维改良地层(4)；

b.在纤维改良地层(4)中的拟冻结区域位置施工冻结管(4)；

c.连接冻结系统，利用冻结管(4)完成冻结区域(5)的冻结施工；

d.冻土形成过程中，掺入地层中的钢纤维有效提高冻土的发展速度，钢纤维与土颗粒间的胶结作用限制了土颗粒之间的位移及冰透镜体的生长，减小了冻土的冻胀量；而冻土边缘及外部的钢纤维发挥良好的导水作用，加速孔隙水的消散，从而减小未冻土地层的冻胀变形量；

e.随着冻土的发展，冻结壁边缘的未冻区逐渐转变为冻结区，而纤维改良地层(3)内的未冻土区域钢纤维的导水作用也不断转换为冻结壁内部的胶结作用，继续限制冻土内的冻胀，同时未冻土区域内的钢纤维也继续发挥导水作用，减小地层冻胀量的传递效果。

3.根据权利要求2所述的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，其特征在于：当冻结壁厚度满足设计要求后，在冻结壁的维护作用下，即可进行冻结区域(5)下方的开挖区域(6)的施工工作；开挖区域(6)施工完成后，停止冻结，地层解冻后即可恢复到初始状态。

4.根据权利要求2所述的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，其特征在于：施工纤维改良地层(3)前根据预施工的纤维改良地层(3)的空间体积估算出纤维改良地层(3)的总质量，然后通过旋喷加固的方式将质量比为3％～5％的钢纤维均匀掺入纤维改良地层(3)的施工区域内，从而完成纤维改良地层(3)。

5.根据权利要求1所述的纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，其特征在于：所述钢纤维的直径为0.5～3mm、长度5～30mm。

技术总结
本发明公开了一种纤维改良地层抑制冻胀变形的方法，适用于城市地下冻结施工。在拟冻结区域施工纤维改良地层，为防止冻结区域出现冻胀现象，纤维改良地层的施工空间大于冻结区域，在拟冻结区域的纤维改良地层内布置冻结管，之后利用冷冻管在纤维改良地层内形成冻结区域，纤维改良地层有效抑制冻结区域产生冻胀变形对周围非冻结区域的影响。有效减小冻结过程中冻胀对周围环境的影响，抑制冻胀变形影响的效果好，掺入钢纤维还可以提高冻土发展速度，缩短冻结时间，而且掺入的钢纤维不会明显改变土体的含水量及地下水的流动，可减小改良地层对土体的影响，有效保护地下环境，降低工程成本。

技术研发人员：石荣剑;黄丰;岳丰田;张勇;陆路
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2020.12.25
技术公布日：2021.04.30