多年冻土区道路工程病害一体化防控系统与设计方法

本发明属于道路工程建设与养护，尤其涉及一种多年冻土区道路工程病害一体化防控系统与设计方法。

背景技术：

1、冻土通常指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石或土壤。冻土包括瞬时冻土、季节冻土和多年冻土，其中多年冻土指持续2年以上的冻结不融的土层。

2、在多年冻土区修筑道路基础设施后，改变冻土天然地表与周围大气之间原本的水热交换状态，并进一步导致多年冻土的赋存环境逐渐恶化，促使多年冻土呈现快速退化现象。特别是宽幅黑色沥青路面产生的强吸热效应，造成多年冻土地基活动层厚度持续增加，进而造成道路路面路基沉陷、滑移开裂、积水积泥等病害日益严重。多年冻土路基工程的长期稳定性是保障道路交通安全运营的关键。近年来为降低冻土退化对道路服役安全的不利影响，建造青藏公路、共玉高速等工程时均采取了一系列保护措施，如片块石路基、热棒、通风管、隔热板，以及它们之间的组合结构等。然而上述措施在道路建成初期能够发挥较好作用，中长期防治效果则不甚理想，不少多年冻土路段在运营5～10年后普遍发生沉降变形、滑移开裂等病害。其根本原因在于，这些措施从提出、设计到施工全过程均是基于“路基控温”理念，通多降低路基传热效应而忽略多年冻土地温、细粒含量、降雨融雪入渗等内外因素影响，必然造成其病害处治效果十分有限，甚至在某种程度上加快冻土退化。

3、此外，复杂温度梯度-行车动载耦合作用下土中湿度场分布及水分迁移规律也是影响病害发生发展的重要原因。降雨融雪从路面、路肩及边坡等位置下渗到路基和地基内，特别是坡脚下部土体经常处于高饱和或完全饱和状态。据青藏公路路段现场勘察报告，积水路段占病害总路段长度超过87％。因此，排水不畅对多年冻土道路服役安全的影响不容忽视，现阶段国内外对该问题尚未形成统一认识，复杂的水分来源和补给造成从水分控制角度来防控病害仍存在很多困难有待解决。

4、中国发明专利申请cn115897317a公开了一种冻土路基结构，该冻土路基结构包括太阳能发电系统、热循环温控系统和冻土路基；太阳能发电系统与热循环温控系统电连接，用于对热循环温控系统提供电能；热循环温控系统包括压缩机、电子控制阀、冷凝器、上平面式铜管、单向阀组合、节流阀和下平面式铜管。冻土路基依次由路面结构层、路基体和换填层组成，上平面式铜管布置在路面结构层的底部，下平面式铜管布置在换填层的底部。该专利通过使用太阳能发电系统利用太阳能资源对冻土路基进行绿色热调控，通过热循环系统实现两种热循环过程，既能冷却防治冻土退化，又能加速冰雪融化，保障道路通行能力。但是该专利耗电较高不符合绿色道路设计理念，且未提出明确的防排水措施，雨水入渗不可避免地造成多年冻土退化加快。

5、中国发明专利申请cn109811748a公开了一种冻土地区高速公路路基处理方法，包括以下步骤：a.预融冻深线内冻土路基；b.挖除所有融土；c.在开挖层底部铺设一层粗粒土与反滤层，同时在两侧铺设灰土隔水层与砾石导胀层；d.逐层填充活性氧化镁碳化固化淤泥土并夯实加固；e.密实填筑路堤填土并在路面结构以下设置一层包含xps保温板的粗颗粒土层；f.在路堤两侧分别设置隔水护脚。该专利结合了冻土地区路基预融、换填处理与软弱土碳化固化技术，有效加固了冻土路基，很好地避免了路基土回冻及冻胀等工程问题，进一步降低了路基不均匀沉降，大量减小了寒区高速公路次生病害问题。但是该专利在开挖施工过程必然会不断扰动周围冻土造成安全隐患。

6、中国发明专利申请cn114775354a公开了一种穿越青藏高原多年冻土区的装配式板桩复合路面结构，该结构主要由承载桩和支撑板组成以解决地基冻土融化而导致承载力下降的问题，但结构建造成本高昂且施工复杂，无法满足大规模推广应用需求。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种多年冻土区道路工程病害一体化防控系统与设计方法，以解决多年冻土区道路工程病害防控理念和设计方法不足的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种多年冻土区道路工程病害一体化防控系统，该系统包括地基单元、路基单元和排水单元，所述路基单元设置在所述地基单元的上方，所述排水单元设置在路基单元内；

4、所述地基单元包括水温监测系统以及多组间隔设置的管桩本体，所述管桩本体内设有冷冻管，所述冷冻管的一端与液氮储液罐的出液管连通，所述冷冻管的另一端与液氮储液罐的进气管连通，所述管桩本体在冷冻管的外周填充导热介质；

5、所述路基单元包括路基边坡、路基层和设置在路基层上表面的路面层，所述路面层包括基层和设置在基层上表面的面层，所述基层和面层之间设有防水层；

6、所述排水单元包括设置在路面层两侧的透水管，及设置在所述路基层内的土工排水层，所述土工排水层从所述路基层内伸出。

7、由此，本发明通过预先埋设的土工排水层收集和引导一部分入渗水流出，透水管用于将不同横断面的水分垂直收集纵向排出，防水层防止面层水分流入基层，确保整个路面排水系统的有效性，本发明的排水单元可有效遏制路基层内形成滞留水，降低路基以及其下部地基层的含水量，减轻冻融循环变形和破坏程度，极大地避免水分在道路设施内聚集。通过路基边坡的设计可有效降低水对路基的热侵蚀影响，降低路基横向变形差异保障线路平顺性；通过地基增强和控温相结合的防控理念，采用管桩本体和液氮冷冻系统结合结构，能够精确冻结桩端周围多年冻土，保持桩端承载力。

8、进一步，所述路面层的两侧还设有路缘石；所述路基层还包括设置在所述基层与路基层之间的砂垫层；所述面层为透水沥青路面。

9、进一步，所述排水单元还包括设置在路基边坡坡脚处的排水沟，设置在所述排水沟低段汇流处的蒸发池，以及设置在路基单元坡脚外侧的截水帷幕；所述土工排水层沿着路基边坡延伸至所述排水沟内，所述透水管在横向方向上开设有多个用于将水排至排水沟的开口；所述截水帷幕的底部向多年冻土层内延伸。由此，排水沟用以充分排出地形平坦路段内的积水，截水帷幕选用纳米疏水材料改良土组成，截水帷幕能够有效隔离富水地区地下水向路基内迁移入渗。

10、再进一步，所述路基单元与地基单元之间设有褥垫层。褥垫层主要材质为级配砂石，起到按桩体积桩间土模量比分配上部荷载，优化受力结构，进一步减小路基结构的不均匀沉降。

11、再进一步，所述管桩本体间隔设置多组，所述管桩本体包括上节管柱、下节管柱以及安装在所述上节管柱和下节管柱之间的隔热管柱，所述上节管柱的顶部通过盖板密封，所述出液管和进气管穿过所述盖板并与位于所述下节管柱底部的所述冷冻管连通；

12、所述出液管上安装有电磁阀和压力表，所述压力表与所述电磁阀之间电连接，所述电磁阀与水温监测系统之间电连接，所述水温监测系统包括连接在所述电磁阀上的温度传感器、湿度传感器以及压力传感器，所述温度传感器、湿度传感器以及压力传感器设置在所述管桩本体的外侧；所述电磁阀上连接有数采仪，所述数采仪与处理器电连接。

13、由此，为综合考虑了隔热和强度需要，在上下节管桩中间设置隔热管柱，利用隔热管柱的隔热性能使上节管桩周围活动层的热量无法传到下节管桩所在的多年冻土层。上下节管桩及隔热管柱三段式桩体形成一种良好的隔热-传力结构，起到帮助路基承担上部荷载并减少上部热量向下传递的作用。

14、更进一步，所述地基单元还包括导热介质储液罐，所述导热介质储液罐通过管路与所述管桩本体的内腔连通，优选所述管路上设有液位阀。

15、更进一步，所述进气管上安装有排气阀；所述冷冻管为螺旋管；所述下节管柱内设有用于防止所述冷冻管移动的限位板，所述出液管和进气管穿过所述限位板并与所述冷冻管连通；所述上节管柱和下节管柱在与所述隔热管柱的连接处设有套箍和加筋钢板，且所述上节管柱和下节管柱在与所述隔热管柱的连接处涂覆有防蚀材料层；所述隔热管柱包括交替间隔设置的金属层和橡胶层；所述隔热管柱的上下两端均为金属层，且所述隔热管柱的上下两端通过法兰盘分别与所述上节管柱和下节管柱连接。

16、此外，所述管桩本体的竖向极限承载力qu计算如下：

17、

18、式中：up为桩体周长(m)；qsi为桩周第i层土的极限侧阻力标准值(kpa)；li为桩长范围内第i层土的厚度(m)；αp为桩端端阻力发挥系数；qp为桩端极限端阻力标准值(kpa)；ap为桩体横截面积(m2)。

19、基于同一个发明构思，本发明还提供了如上所述的多年冻土区道路工程病害一体化防控系统的设计方法，包括如下步骤：

20、步骤一、开展钻孔作业，并布置地基单元；

21、步骤二、在地基单元的上方交替铺设路基层和土工排水层，且最上层与最下层均为路基层；同时在路基边坡的坡脚处设置排水沟，待路基层达到设计高度后进入下一步；

22、步骤三、在最上层的路基层上表面铺设路面层；并在路面层的二两侧铺设透水管。

23、进一步，所述地基单元包括水温监测系统以及多组间隔设置的管桩本体，所述管桩本体内设有冷冻管，所述冷冻管的一端与液氮储液罐的出液管连通，所述冷冻管的另一端与液氮储液罐的进气管连通，所述管桩本体在冷冻管的外周填充导热介质；

24、所述出液管上安装有电磁阀和压力表，所述压力表与所述电磁阀之间电连接，所述电磁阀与水温监测系统之间电连接，所述水温监测系统包括连接在所述电磁阀上的温度传感器、湿度传感器以及压力传感器，所述温度传感器、湿度传感器以及压力传感器设置在所述管桩本体的外侧；所述电磁阀上连接有数采仪，所述数采仪与处理器电连接；

25、在步骤一中布置所述地基单元包括如下步骤：

26、s1、布置好管桩本体及水温监测系统；

27、s2、向管桩本体内加入导热介质，通过温度传感器、湿度传感器以及压力传感器采集到的数据，在处理器上设置液氮出液流量和目标温度；

28、s3、开启电磁阀，使液氮储液罐中的液氮进入冷冻管；

29、s4、持续观察水温监测系统显示的数据，当管桩本体周围土体温度超过设定值时，控制电磁阀加大液氮出液流量；当管桩本体周围土体压力数值达到预警值时，控制电磁阀减小出液流量；当管桩本体周围土体温度达到预设目标温度后，将控制电磁阀关闭出液。

30、本发明的多年冻土区道路工程病害一体化防控系统与设计方法具有以下优点：

31、1.采用道路病害一体化防控设计思路与设计方法，可以有效避免以往大多数多年冻土路段病害处治措施仅依赖于单一的路基温控措施不足，完善多年冻土区道路病害防治设计理念，极大地提升多年冻土区道路建设与养护能力。

32、2.多年冻土区道路病害一体化防控设计方案，可以加强路基和地基之间的协同承载能力，促使路基结构与复合地基之间从荷载传递、排水、协调变形等方面达到一致性，有效增加道路设施的整体稳定性和耐久性。

33、3.提出地基增强和控温相结合的防控理念，采用预制空心管桩和液氮控温系统结合结构，能够精确冻结桩端周围多年冻土，保持桩端承载力；在最不利状态下进行施工，使桩体能适应冻土活动层的季节变化，即桩端周围土体始终处于冻结状态，起到稳定持力增强地基的作用。

34、4.本发明使用液氮作为冷冻剂，具有低碳环保、迅速制冷的特点，在施工完成后能够立即对多年冻土层降温，防止桩孔内温度升高引起沉降变形，即时消除工程热效应的影响。

35、5.本发明设置有完善的桩端水温监测模块，可实时对桩基受力状态和环境信息监测并控制冻结工作启停，处治时间和效能高度可控，设备操作灵活。