一种防止既有冻土区路基冻胀融沉病害的施工方法与流程

1.本发明涉及道路修复技术领域，特别涉及一种防止既有冻土区路基冻胀融沉病害的施工方法。


背景技术：

2.我国冻土区域面积约占国土面积的22.4％，而多年冻土具有热稳定性差，对外界温度变化十分敏感的缺点，冻土区的冻土分为活动层冻土和永冻层冻土，在外界温度影响下活动层冻土中水发生融化，而永冻层冻土中水不会发生融化。因此，由温度变化引起的冻土路基融沉和冻胀进而使公路产生不均匀沉降乃至开裂是冻土区高速公路所面临的主要工程病害，据统计青藏公路绝大部分的病害也是由此导致。由此可见，冻土路基的冻结融化作用严重影响公路的路用性能和长期使用寿命，给国民经济和生产生活造成了巨大损失，解决温度变化对冻土路基的影响，保证冻土区道路的长期稳定具有重大的社会和经济意义。
3.目前冻土区路基防护措施根据工程机理分类主要有：调控辐射类、调控对流类、调控热传导类、调控水分迁移类。
4.调控辐射类，调控辐射类主要方法是增加各边界表面的反射率以减少路基体吸收的太阳辐射。例如遮阳板、遮阳棚等遮蔽太阳辐射路基和热反射型块碎石护坡路基。专利号cn112663420a提供一种在路面和边坡块碎石护坡上分别喷涂不同颜色的热反射型涂层的热反射型块碎石护坡路基及施工方法，以期起到保护多年冻土区沥青路面下伏多年冻土的作用。专利号cn212534161u公开了一种用于冻土路基坡面的包括分隔板及遮阳隔热板降温组块，该通过上层阻热区多方面的高效阻热，下层蓄冷区进行多层级的蓄冷和降温，从而达到对冻土路基坡面高效降温的目的。
5.调控对流类，主要通过改善路基边界及路基体内的对流换热状况保持冻土路基的热稳定性。这方面的专利主要有块石通风路基、冷却系统路基，聚热系统路基。专利号cn215164249u涉及一种槽型通风管道-块石层降温复合路基，利用槽型通风管道的通风性能，大幅降低冬季时块石层顶部温度，增强其“热半导体”特性，从而大大增强其降温性能。专利号cn114150545a提供了一种包括供电装置、制冷装置和保温板的装置，通过人工制冷增加冷储量，防止多年冻土退化。专利号cn112923584a利用聚光罩将太阳光聚焦至吸热段和聚热管放热段插入路基内部加热路基，通过对路基地温场平整加热、路基易冻胀部位重点调控。
6.调控热传导类，主要通过调整路基的导热系数来保持路基的温度性。专利号cn110184872a公开一种包括轻质泡沫层、低液限粘土层、复合土工膜层、路基填料层、碎石层、砾石层、中粗砂层和复合保温垫层冻土区路基结构及其施工方法。专利号cn110158390a将具有毛细吸水特性的导水纤维束采用缝合线缝合的方式固定于隔热排水材料聚苯乙烯泡沫上形成二维复合材料。专利号cn111560799a公开了一种在路基的砂垫层的上方喷涂聚氨酯保温层或摊铺聚氨酯碎石混合料层，这样路基的保温结构及施工方法具有较好的保温
隔热功能，能减轻外部大气温度变化对路基内部冻结层的影响，有利于缓解路基的冻胀融沉问题。
7.调控水分迁移类，这类主要通过防水材料阻断水分迁移。专利号cn110158391a将土工合成黏土衬垫应用于路基中能够防止浅层地下水毛细水上升引起冻害加剧，以及降雨入渗引起路基土中水分积聚等问题，从根源上解决路基冻害问题。
8.这些方法大部分从降低或保持路基温度稳定对冻土进行防护，或者综合使用保温和防水两种材料考虑冻土区路基冻胀现象的问题，施工较复杂。另外这些方法大都只能应用于新修公路，无法应用到已修建完成的公路。因此，迫切需要研发一种针对已运营公路冻土路基的融沉防治技术。
9.高聚物注浆技术是上世纪70年代发展起来的地基快速加固技术。该技术通过向地基中注射非水反应类双组份高聚物材料，利用两种材料混合后迅速反应膨胀并固化的特性，达到加固抬升地基或填充脱空的目的。由于高聚物材料具有质量轻，反应快，耐久性好，隔热防渗性能优良等特点。目前，大量应用于道路、铁路等交通领域的防渗、加固和修复工程中。但是，对公路的填充和抬升等是在结构层的下部有间隙、脱空的基础上实现，在冻土区，土体冻胀、融沉过程机理主要涉及到土体中温度场的变化问题，直接采用注浆加固技术并不能解决已运营公路冻土路基的融沉防治的问题。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种防止既有冻土区路基冻胀融沉病害的施工方法。
11.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
12.一种防止既有冻土区路基冻胀融沉病害的施工方法，包括以下步骤：
13.s1、获取路基施工区域的地质参数；
14.s2、a类注浆孔布设：在路基施工区域布置不同圈层a类注浆孔，其中靠近路基边缘位置的外圈层a类注浆孔为an注浆孔，路基中心位置的a类注浆孔为a0注浆孔；先在路基边缘位置钻孔形成an注浆孔，然后按逐步向路基内圈钻孔形成不同圈层a类注浆孔，直至路基中心位置；a类注浆孔深度至永冻层冻土顶部；
15.s3、b类注浆孔布设：在不同圈层a类注浆孔中间位置钻孔形成b类注浆孔，b类注浆孔深度比永冻层冻土顶部深0.2-0.5m；
16.s4、在a类注浆孔内放置封孔注浆管和输浆管，在b类注浆孔内放置封孔注浆管和输浆管；
17.s5、在a类注浆孔内进行低放热型聚氨酯材料注浆；先从外圈a类注浆孔开始注浆，然后按照隔层进行注浆，直至路基中心位置，最后进行其余a类注浆孔的注浆；
18.s6、在b类注浆孔内进行低放热型聚氨酯材料注浆；在a类注浆孔或b类注浆孔注浆时，先采用封孔注浆管进行注浆，待低放热型聚氨酯材料反应5-20min后，再采用输浆管进行低放热型聚氨酯材料注浆。
19.本发明的技术方案在冻土区路基中先布设a类注浆孔和b类注浆孔，a类注浆孔注浆时先进行封孔注浆管注浆，用于封堵a类注浆孔，使孔内处于保压状态，且使冻土区路基中的水不会从进行注浆施工的注浆孔向上涌；利用低放热型聚氨酯材料具有膨胀和隔热的
性能，在输浆管中注入低放热型聚氨酯材料，外圈a类注浆孔注浆完成后低放热型聚氨酯材料形成路基密封区，起到防渗作用；然后在冻土区路基内隔层进行低放热型聚氨酯材料注浆，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，当浆液填充活动层冻土中的空隙位置或软弱部位后，会将路基封闭区内的水分通过未注浆孔排出，然后进行b类注浆孔的低放热型聚氨酯材料注浆，形成保温隔热防护层对冻土区路基进行防护。
20.进一步地，步骤s1中，获取路基施工区域的地质参数的具体步骤为：对施工区域进行地质勘探，钻芯取样，通过土工试验获取施工区域的地质参数。更进一步地，地质参数包括孔隙比，通过地质参数的获取以查明该施工区域地质条件特征。
21.进一步地，步骤s2中，an注浆孔施工时外圈a类注浆孔距路基边缘位置距离为0.1-0.6m。
22.进一步地，低放热型聚氨酯材料的性能指标为：10℃环境下，低放热型聚氨酯材料反应过程中高聚物表面最高温度不超过40℃，反应完成后低放热型聚氨酯材料的密度0.1-0.2g/cm3。
23.进一步地，步骤s2中，a类注浆孔之间的距离为低放热型聚氨酯注浆孔水平间距，低放热型聚氨酯注浆孔水平间距计算公式如下：
24.l1＝2βr125.式中r1为低放热型聚氨酯材料扩散半径，β为常数；
26.当0.2≤e＜0.3时，β为1.2；
27.当0.3≤e＜0.4时，β为1.0；
28.当0.4≤e＜0.5时，β为0.8。
29.更进一步地，低放热型聚氨酯材料扩散半径r1的计算公式如下：
[0030][0031]
式中，λ为浆液粘度与水的粘度比，p为低放热型聚氨酯注浆压力，r0为低放热型聚氨酯注浆孔半径，t为浆液扩散时间，e为孔隙比。
[0032]
进一步地，步骤s4中，a类注浆孔内封孔注浆管为一根，a类注浆孔内输浆管至少为一根，a类注浆孔内封孔注浆管长度为0.2-0.8m；b类注浆孔内封孔注浆管为一根，b类注浆孔内输浆管至少为一根，b类注浆孔内封孔注浆管长度至为0.2-0.8m。
[0033]
更进一步地，a类注浆孔内封孔注浆管和输浆管均为一根，a类注浆孔内输浆管长度至活动层冻土底部位置；b类注浆孔内封孔注浆管为一根，b类注浆孔内输浆管为三根，b类注浆孔内三根输浆管长度分别至水稳层底部位置、路基层底部位置和活动层冻土底部位置。对水稳层和路基层均进行低放热型聚氨酯材料的注浆，形成的高聚物材料一方面可以起到隔热保温作用，减小温度对冻土层的影响，另一方面可以填充路基，增强路基的强度，提高路基的稳定性。
[0034]
更进一步地，步骤s5中，a类注浆孔内输浆管的注浆量为a类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，a类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量的计算公式如下：
[0035]
m1＝λ1r
12
h1ρ1[0036]
式为m1为a类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，λ1为常数，ρ1为a类注浆孔内低放热型
聚氨酯材料膨胀后密度，h1为a类注浆孔注浆后预达到的防护层厚度；
[0037]
当0.2≤e＜0.3时，膨胀后密度ρ1取0.10g/cm3，λ1取0.85；
[0038]
当0.3≤e＜0.4时，膨胀后密度ρ1取0.15g/cm3，λ1取1.0；
[0039]
当0.4≤e＜0.5时，膨胀后密度ρ1取0.20g/cm3，λ1取1.25；
[0040]
步骤s6中，b类注浆孔内输浆管的注浆量为b类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，b类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量公式如下：
[0041][0042]
式中m2为b类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，λ2为常数，ρ2为b类注浆孔内低放热型聚氨酯材料膨胀后密度，h2为b类注浆孔注浆后预达到的防护层厚度；
[0043]
当0.2≤e＜0.3时，膨胀后密度ρ1取0.08g/cm3，ρ2取0.12g/cm3，λ2取1.25；
[0044]
当0.3≤e＜0.4时，膨胀后密度ρ1取0.10g/cm3，ρ2取0.15g/cm3，λ2取1.0；
[0045]
当0.4≤e＜0.5时，膨胀后密度ρ1取0.15g/cm3，ρ2取0.02g/cm3，λ2取0.85。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0047]
本发明的防止冻胀融沉的施工方法先布设a类注浆孔和b类注浆孔，a类注浆孔注浆时先进行封孔注浆管注浆，用于封堵a类注浆孔，使孔内处于保压状态，且使冻土区路基中的水不会从进行注浆施工的注浆孔向上涌；在输浆管中注入低放热型聚氨酯材料，采用先在路基边界位置的a类注浆孔进行注浆形成路基封闭区，然后在冻土区路基内隔层进行低放热型聚氨酯材料注浆，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，当浆液填充活动层冻土中的空隙位置或软弱部位后，会将路基封闭区内的水分通过未注浆孔排出，然后进行b类注浆孔的低放热型聚氨酯材料注浆，形成保温隔热防护层对冻土区路基进行防护。本发明实现在既有冻土区路基等复杂地质条件下防止冻土路基产生冻胀融胀，对既有冻土区路基影响小，对路面破坏较小，有利于维持冻土区路基在整个施工过程中的稳定性，该方法施工方便、操作简便、施工周期短，采用的低放热型聚氨酯材料经济实用，施工成本低，该方法具有广泛适用性。
附图说明：
[0048]
图1为防止既有冻土区路基公路冻胀融沉病害的施工方法流程示意图；
[0049]
图2为冻土区路基公路上a类注浆孔和b类注浆孔的平面布置示意图
[0050]
图3为实施例1中a类注浆孔结构示意图；
[0051]
图4为实施例1中b类注浆孔结构示意图；
[0052]
图5为实施例1中a类注浆孔注浆示意图；
[0053]
图6为实施例1中b类注浆孔注浆示意图；
[0054]
图7为实施例2中b类注浆孔注浆示意图；
[0055]
图8为实施例3中b类注浆孔注浆示意图；
[0056]
图中标记：1-a类注浆孔，2-b类注浆孔，3-封孔注浆管，4-输浆管，5-面层，6-水稳层，7-路基层，8-活动层冻土，9-永冻层冻土。
具体实施方式
[0057]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0058]
实施例1
[0059]
如图1所示，本实施例是已运行公路，公路路基为冻土区路基，提供了一种防止既有冻土区路基冻胀融沉病害的施工方法，包括以下步骤：
[0060]
s1、获取路基施工区域的地质参数；
[0061]
s2、a类注浆孔布设；
[0062]
s3、b类注浆孔布设；
[0063]
s4、在a类注浆孔内放置封孔注浆管3和输浆管4，在b类注浆孔内放置封孔注浆管3和注浆管；
[0064]
s5、在a类注浆孔进行低放热型聚氨酯材料注浆。
[0065]
s6、在b类注浆孔进行低放热型聚氨酯材料注浆。
[0066]
本实施例进行施工的是一段已运行的公路，公路路基建设在冻土区上，公路从上到下结构分别为面层5、水稳层6、路基层7、冻土层，其中冻土层的冻土分为活动层冻土8和永冻层冻土9。
[0067]
步骤s1中，获取路基施工区域的地质参数的具体步骤为：对施工区域进行地质勘探，钻芯取样，通过土工试验获取施工区域的地质参数，地质参数为孔隙比。通过地质参数的获取以查明该施工区域地质条件特征，便于后续计算低放热型聚氨酯注浆孔水平间距。
[0068]
步骤s2中，在路基边缘位置开始钻孔形成外圈a类注浆孔，外圈注浆孔记为an注浆孔，然后逐步向路基内圈钻孔形成a类注浆孔，直至路基中心位置，路基中心位置的a类注浆孔记为a0注浆孔，所有a类注浆孔深度至永冻层冻土9顶部；在开始钻孔时，an注浆孔距路基边缘位置为0.2m，a类注浆孔之间的距离为低放热型聚氨酯注浆孔水平间距，低放热型聚氨酯注浆孔水平间距计算公式如下：
[0069]
l1＝2βr1[0070]
式中r1为低放热型聚氨酯材料扩散半径，β为常数；
[0071]
当0.2≤e＜0.3时，β为1.2；
[0072]
当0.3≤e＜0.4时，β为1.0；
[0073]
当0.4≤e＜0.5时，β为0.8。
[0074]
其中为低放热型聚氨酯材料扩散半径是由低放热型聚氨酯材料决定的，本实施例采用的低放热型聚氨酯材料包括a、b组分，a组分为聚氨酯白料，b组分为聚氨酯黑料，在使用前需要将a、b组分进行混合。低放热型聚氨酯材料的性能指标为：10℃环境下，低放热型聚氨酯材料反应过程中高聚物表面最高温度不超过40℃，反应完成后低放热型聚氨酯材料的密度0.1-0.2g/cm3。
[0075]
为了计算扩散半径，将低放热型聚氨酯材料按照注浆孔的条件进行实验，测定得到低放热型聚氨酯材料扩散半径，通过多组数据进行拟合得到低放热型聚氨酯材料扩散半径的计算公式，计算公式如下：
[0076][0077]
式中，λ为浆液粘度与水的粘度比，p为低放热型聚氨酯注浆压力，r0为低放热型聚氨酯注浆孔半径，t为浆液扩散时间，e为孔隙比。
[0078]
在施工过程中，根据低放热型聚氨酯注浆孔半径即a类注浆孔半径、注浆压力及其他参数得到低放热型聚氨酯材料扩散半径，再结合步骤s1中得到孔隙比计算得到低放热型聚氨酯材料扩散半径，用于a类注浆孔位置的布设。
[0079]
a类注浆孔施工完成后在a类注浆孔中间位置布置防护注浆孔，即在不同圈层a类注浆孔中间位置钻孔形成b类注浆孔，在an与a
n-1
、a
n-1
与a
n-2
、...a2与a0注浆孔的中间位置布置b类注浆孔，所有b类注浆孔深度比永冻层冻土9顶部深0.2-0.5m。
[0080]
在a类注浆孔和b类注浆孔钻孔施工时，先使用手持式钻机进行成孔，深度至路基顶面，直径25mm，然后利用锤击式钻孔设备继续进行成孔，钻孔直径25mm，然后根据a类注浆孔或b类注浆孔的深度完成钻孔，如图2所示。
[0081]
步骤s4中，a类注浆孔内封孔注浆管3和输浆管4均为一根，封孔注浆管3长度为0.2-0.8m，本实施例采用的封孔注浆管3长度至注浆孔顶面以下0.5m处，用于封堵a类注浆孔使孔内处于保压状态，输浆管4长度至活动层冻土8底部位置，如图3所示；在b类注浆孔内放置封孔注浆管3和输浆管4，b类注浆孔内封孔注浆管3为一根，输浆管4为三根，封孔注浆管3长度至至注浆孔顶面以下0.5m处，用于封堵b类注浆孔使孔内处于保压状态，三根输浆管4长度分别至水稳层6底部位置、路基层7底部位置和活动层冻土8底部位置，如图4所示。本实施例针对的是路基稳定性较差的情况，在b类注浆孔中布置三根输浆管4，对水稳层6、路基层7和活动层冻土8均进行低放热型聚氨酯材料的注浆，形成的高聚物材料一方面可以起到隔热保温作用，减小温度为冻土层的影响，另一方面可以填充路基，增强路基的强度，提高路基的稳定性。
[0082]
采用a类注浆孔内封孔注浆管3进行低放热型聚氨酯材料注浆，待低放热型聚氨酯材料反应5-20min，采用a类注浆孔内输浆管4进行低放热型聚氨酯材料注浆，如图5所示；注浆过程中先从外圈a类注浆孔开始，然后进行隔层注浆，即首先对an注浆孔进行注浆，然后对a
n-2
注浆孔、a
n-4
注浆孔注浆，直至路基中心位置的a0注浆孔；a类注浆孔内输浆管4的注浆量为a类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，a类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量的计算公式如下：
[0083]
m1＝λ1r
12
h1ρ1[0084]
式为m1为a类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，λ1为常数，ρ1为a类注浆孔内低放热型聚氨酯材料膨胀后密度，h1为a类注浆孔注浆后预达到的防护层厚度；
[0085]
当0.2≤e＜0.3时，膨胀后密度ρ1取0.10g/cm3，λ1取0.85；
[0086]
当0.3≤e＜0.4时，膨胀后密度ρ1取0.15g/cm3，λ1取1.0；
[0087]
当0.4≤e＜0.5时，膨胀后密度ρ1取0.20g/cm3，λ1取1.25；
[0088]
在实际施工过程中，采用a类注浆孔内封孔注浆管3进行低放热型聚氨酯材料注浆的注浆量约1.3kg，待材料反应10min后会将注浆孔口封堵，使注浆孔内及路基处于封闭状态，达到保压目的。a类注浆孔内输浆管4注浆前，通过输料管道分别将高聚物的ab组分输送
到注射枪口，a组分储液槽存储聚氨酯白料，b组分储液槽存储聚氨酯黑料，两种材料在注射枪口处经过雾化混合后通过输浆管4输送到活动层冻土8顶部位置处，并发生化学反应，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，当低放热型聚氨酯材料浆液将输浆管4孔道填充满后，在注浆压力及材料膨胀力的持续作用下浆液会继续沿冻结区边界进行扩散，形成封闭区，之后进行隔层注浆，当浆液填充软弱部位后，会将路基内的水分通过剩余注浆孔排出，直至所有的a类注浆孔完成低放热型聚氨酯材料注浆，路基活动层冻土8中的水被排出。
[0089]
步骤s6中，a类注浆孔注浆完成后，进行b类注浆孔的注浆，b类注浆孔参照a类注浆孔注浆，先采用b类注浆孔内封孔注浆管3进行低放热型聚氨酯材料注浆，待低放热型聚氨酯材料反应5-20min，采用b类注浆孔内输浆管4进行低放热型聚氨酯材料注浆，如图6所示；b类注浆孔内输浆管4的注浆量为b类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，b类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量公式如下：
[0090][0091]
式中m2为b类注浆孔低放热型聚氨酯注浆量，λ2为常数，ρ2为b类注浆孔内低放热型聚氨酯材料膨胀后密度，h2为b类注浆孔注浆后预达到的防护层厚度；
[0092]
当0.2≤e＜0.3时，膨胀后密度ρ1取0.08g/cm3，ρ2取0.12g/cm3，λ2取1.25；
[0093]
当0.3≤e＜0.4时，膨胀后密度ρ1取0.10g/cm3，ρ2取0.15g/cm3，λ2取1.0；
[0094]
当0.4≤e＜0.5时，膨胀后密度ρ1取0.15g/cm3，ρ2取0.02g/cm3，λ2取0.85。
[0095]
在冻土区路基中先布设a类注浆孔和b类注浆孔，a类注浆孔注浆时先进行封孔注浆管3注浆，用于封堵a类注浆孔，使孔内处于保压状态，且使冻土区路基中的水不会从进行注浆施工的注浆孔向上涌；利用低放热型聚氨酯材料具有膨胀和隔热的性能，在输浆管4中注入低放热型聚氨酯材料，外圈a类注浆孔注浆完成后低放热型聚氨酯材料形成路基密封区，起到防渗作用；然后在冻土区路基内隔层进行低放热型聚氨酯材料注浆，材料由液体变为固体，体积迅速膨胀，当浆液填充活动层冻土8中的空隙位置或软弱部位后，会将路基封闭区内的水分通过未注浆孔排出，然后进行b类注浆孔的低放热型聚氨酯材料注浆，形成保温隔热防护层对冻土区路基进行防护。
[0096]
实施例2
[0097]
本实施例与实施例1类似，区别在于b类注浆孔内输浆管4为两根，两根输浆管4长度分别至路基层7底部位置和活动层冻土8底部位置，如图7所示。
[0098]
实施例3
[0099]
本实施例与实施例1类似，区别在于b类注浆孔内输浆管4为一根，输浆管4长度至活动层冻土8底部位置，如图8所示。本实施例针对的是路基稳定性较好的情况，无需通过填充低放热型聚氨酯材料提高路基的稳定性。
[0100]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。