CN104314088A - 季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法 - Google Patents

季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法 Download PDF

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Abstract

季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法，属于季节性冻土锚喷支护技术领域。结构包括格梁、锚杆、弹簧和保温结构；其特征在于：在坡体中打入锚杆，并压力注入锚固浆体将锚杆锚固于稳定土层，自坡面向外依次铺设保温结构和土工格栅，并喷射砂浆面层，坡面上施作格梁，锚杆穿过格梁的交叉部位，在锚杆上依次套上垫板和弹簧，用锚具将锚杆锚固在格梁上，沿坡面横向每隔一定距离设置竖向排水通道，坡顶设置截水沟，坡脚施设排水渠；本发明结构具有自调保温隔热、减胀减震和自回位支护性能，能够及时梳排水分，有效解决了冻胀融沉灾害引起的坡体失稳。本发明方法简单，可行性强，施工快捷，造价低廉。

Description

季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法
技术领域
本发明涉及一种季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法，属于季节性冻土锚喷支护技术领域，特别适用于季节性冻土区边坡、基坑支护工程。
背景技术
季节性冻土是指冬季冻结春季融化的土层。季节性冻土占我国国土面积的55%，而山地占国土面积的67%。因此我国既是季节性冻土大国又是山地大国。这从客观上决定了在我国交通线路、水利等工程建设中涌现出大量季节性冻土边坡。另外，当前城市建筑用地极为紧缺，许多工程建设都需要开挖基坑，而受开工时间和施工速度的影响，难免有基坑工程需要经历冬春两季。如今边坡和基坑等支护工程应用最普遍的是锚喷支护技术。大量的工程实践表明，在季节性冻土地区修筑的边坡和基坑，经历冬季冻胀春季融化而造成的工程事故数不胜数。分析原因表明：土体中的水分在冬季受低温的影响，温度较高的水向温度较低的土层方向转移，在温差聚水作用下，水分迅速聚集并逐渐形成聚冰层；水冻结后体积膨胀而产生冻胀，轻则锚喷支护面层破裂，重则导致锚杆拉断或格梁破坏。当春季气温回升，冻土融化后，土体含水量增加，强度降低，导致坡体稳定性下降甚至失稳。经季节冻融考验发现，现有季节冻土区锚喷支护技术的主要缺陷为：（1）基本未考虑保温隔热，即使部分工程考虑了保温隔热，由于传统材料只能单一阻热、热容量低、容易被撕裂、热损失大，显热储存能量小，而且支护结构保温隔热施工工艺不完善，导致未达到工程治理目的；（2）冻胀使坡体及支护结构发生部分位移，而融沉时锚杆存在残余变形，导致支护结构对坡体的约束减弱。两者缺陷导致锚喷支护结构不能避免冻融造成的坡体失稳。
相变材料是指材料本身随温度变化而改变物态并能提供潜热，并在此过程中保持温度相对稳定的物质。这种材料在物态变化过程中可以吸收环境的热（冷）量，并在需要时向环境放出热（冷）量，拥有控制周围环境温度的优良特性，因此受到工程师的青睐。目前以它为载体制成了各类建筑材料，如房屋的外墙保温、地板保温等得到广泛应用，并取得了良好的工程效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法，该结构具有保温隔热、减胀减震和自回位支护性能，能够弥补目前季节性冻土区坡体支护结构，不能有效防治土体冻胀、融沉等灾害造成的坡体失稳。 
本发明是季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构及施工方法，季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，包括格梁1、锚杆2、弹簧5和保温结构，在坡体中打入锚杆2，并压力注入锚固浆体3将锚杆2锚固于稳定土层，自坡面向外依次铺设保温结构和土工格栅10，并喷射砂浆面层11，坡面上施作格梁1，锚杆2穿过格梁1的交叉部位，在锚杆2上依次套上垫板4和弹簧5，用锚具6将锚杆2锚固在格梁1上，沿坡面横向每隔一定距离设置竖向排水通道12，坡顶设置截水沟13，坡脚施设排水渠14。
季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构的施工方法，其施工步骤为：
（1）放线及定位：首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次开挖边坡或基坑，修正坡面使其平整，用测量仪器定位锚杆2和竖向排水通道12的施设位置；
（2）施工锚杆2：按工程锚杆2设计角度，在坡体中开设孔洞，将锚杆2置于孔中，并注入锚固浆体3；
（3）铺设保温结构和土工格栅10：自坡面向外依次铺设保护缓冲层7、相变保温板8、保温防护层9和土工格栅10，并使保温结构和土工格栅10穿过锚杆2；
（4）喷射面层11和施作格梁1：在坡面上土工格栅10上喷射砂浆；施作横、竖格梁1，且横、竖交叉部位穿过锚杆2；
（5）施设弹簧5和锚固锚杆2：在锚杆2上依次套上垫板4和弹簧5，待格梁1达到一定强度，对锚杆2进行预张拉，并用锚具6将锚杆2锚定在格梁1上；
（6）按步骤（2）~（5）的顺序施工下一个工作面的锚杆2、保温结构、土工格栅10、格梁1、面层11及锚杆2的张拉锚定直至坡低；
（7）施工竖向排水通道12：在完成上述工序一个支护面侧面施设PVC塑料管或钢筋混凝土排水沟；
（8）施作截水沟13和排水渠14：在已完成支护面的坡顶和坡脚相应的截水沟13和排水渠14施设位置，从下到上铺设有保护缓冲层7、相变保温板8和保温防护层9，然后浇筑混凝土形成截水沟13和排水渠14；
（9）重复以上步骤，施工相邻的下一个支护面及排水***。
本发明的有益效果是：本发明原理简单，实用性强，造价低廉，施工技术简便，解决了冻胀融沉引起的锚喷支护结构坡体的失稳。当外界环境温度高于相变保温板的相变温度时，相变保温板吸收热量，并储存在相变材料中。当外界环境温度低于相变保温板的相变温度时，相变材料将存储的热量以潜热形式释放出来，对坡体提供热量，减轻坡体温度急剧下降而引起水分结冰的冻胀，降低坡体冻层与非冻层之间的温差，延缓非冻层土体水分向冻层迁移的速率；有效地减轻冻胀，同时暖季融沉得到控制。保护缓冲层和保温防护层既能对相变保温板起保护作用，又能对坡体进行保温，减少热量损失，还能对支护结构起到隔震减震的作用；弹簧通过调节自身变形，既能减轻土体冻胀对支护结构的破坏，又能让支护结构在土体融沉时立即恢复到靠近土体的位置，发挥支档作用，还能够缓解地震对支护结构的作用；土工格栅作为护面层，能够节约现有支护结构技术中钢筋用量，降低工程造价；截水沟能够减少水分进入坡体，排水渠能及时梳排水分，减轻额外水分进入坡体而产生冻胀。
附图说明
图1是本发明所提供的支护结构的立面示意图，图2是本发明所提供的支护结构的剖面示意图，图3是本发明图2中A大样图，附图标记说明：格梁1、锚杆2、锚固浆体3、垫板4、弹簧5、锚具6、保护缓冲层7、相变保温板8、保温防护层9、土工格栅10、面层11、竖向排水通道12、截水沟13、排水渠14。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容、特点及效果，下面结合实例和附图详细说明如下：
如图1、2、3所示，季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，包括格梁1、锚杆2、弹簧5和保温结构，在坡体中打入锚杆2，并压力注入锚固浆体3将锚杆2锚固于稳定土层，自坡面向外依次铺设保温结构和土工格栅10，并喷射砂浆面层11，坡面上施作格梁1，锚杆2穿过格梁1的交叉部位，在锚杆2上依次套上垫板4和弹簧5，用锚具6将锚杆2锚固在格梁1上，沿坡面横向每隔一定距离设置竖向排水通道12，坡顶设置截水沟13，坡脚施设排水渠14。
如图1、2所示，格梁1在永久工程中采用钢筋混凝土，在临时工程采用槽钢或工字钢。
如图1、2所示，锚杆2为金属锚杆，或者非金属锚杆，或者柔性锚杆，或者纤维锚杆，或者复合锚杆。
如图2所示，弹簧5刚度系数为：200 ~600N/mm，直径取值在锚杆和锚具外径之间，长度为60~120mm。
如图2、3所示，保温结构为三层，由坡面向外依次铺设保护缓冲层7、相变保温板8和保温防护层9构成。
如图2、3所示，相变保温板8是以无机相变储能多孔介质为载体，孔隙内储存相变材料，多孔介质外表面用高分子聚合物材料膜包裹。根据土体水分的冻结临界温度0℃，相变温度在-10℃~0℃之间的相变材料均可供本发明选择，相变材料如硝酸钾、氟化钠、碳酸钠类储冷共晶混合物，云母，TH-4烷烃类中的一种或多种组合。
如图2、3所示，保护缓冲层7和保温防护层9均为橡塑棉，或者泡沫塑料板，或者玻璃纤维板，或者挤塑板，或者膨胀聚苯板。
如图1、3所示，土工格栅10为塑料，或者涤纶，或者玻璃纤维，或者复合材料。
如图1所示，竖向排水通道（12）为深30~50cm，宽为20~40cm的钢筋混凝土排水槽、或直径15~30cm为PE，PVC塑料管。竖向排水通道（12）之间的距离为60~80m之间，即一个工作面的宽度。
如图1、2所示，截水沟13和排水渠14为混凝土浇筑而成，底面从下到上铺设有保护缓冲层7、相变保温板8和保温防护层9。截水沟13和排水渠14的深度均为20~50cm，宽度为30~50cm。
本发明施工时，宜采用逆作法，分段施工，即由上而下逐层、分段施工，其步骤为：
（1）放线及定位：首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次开挖边坡或基坑，修正坡面使其平整，用测量仪器定位锚杆2和竖向排水通道12的施设位置；
（2）施工锚杆2：按工程锚杆2设计角度，在坡体中开设孔洞，将锚杆2置于孔中，并注入锚固浆体3；
（3）铺设保温结构和土工格栅10：自坡面向外依次铺设保护缓冲层7、相变保温板8、保温防护层9和土工格栅10，并使保温结构和土工格栅10穿过锚杆2；
（4）喷射面层11和施作格梁1：在坡面上土工格栅10上喷射砂浆；施作横、竖格梁1，且横、竖交叉部位穿过锚杆2；
（5）施设弹簧5和锚固锚杆2：在锚杆2上依次套上垫板4和弹簧5，待格梁1达到一定强度，对锚杆2进行预张拉，并用锚具6将锚杆2锚定在格梁1上；
（6）按步骤（2）~（5）的顺序施工下一个工作面的锚杆2、保温结构、土工格栅10、格梁1、面层11及锚杆2的张拉锚定直至坡低；
（7）施工竖向排水通道12：在完成上述工序一个支护面侧面施设PVC塑料管或钢筋混凝土排水沟；
（8）施作截水沟13和排水渠14：在已完成支护面的坡顶和坡脚相应的截水沟13和排水渠14施设位置，从下到上铺设有保护缓冲层7、相变保温板8和保温防护层9，然后浇筑混凝土形成截水沟13和排水渠14；
（9）重复以上步骤，施工相邻的下一个支护面及排水***。

Claims (9)

1.季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，包括格梁（1）、锚杆（2）、弹簧（5）和保温结构，其特征在于：在坡体中打入锚杆（2），并压力注入锚固浆体（3）将锚杆（2）锚固于稳定土层，自坡面向外依次铺设保温结构和土工格栅（10），并喷射砂浆面层（11），坡面上施作格梁（1），锚杆（2）穿过格梁（1）的交叉部位，在锚杆（2）上依次套上垫板（4）和弹簧（5），用锚具（6）将锚杆（2）锚固在格梁（1）上，沿坡面横向每隔一定距离设置竖向排水通道（12），坡顶设置截水沟（13），坡脚施设排水渠（14）。
2.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于:所述的锚杆（2）为金属锚杆，或者为非金属锚杆，或者为柔性锚杆，或者为纤维锚杆，或者为复合锚杆。
3.根据权利要求1所述的季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于：所述的弹簧（5）刚度系数为：200 ~600N/mm，直径取值在锚杆和锚具外径之间，长度为60~120mm。
4.根据权利要求1所述的季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于：所述的保温结构为三层，由坡面向外依次铺设保护缓冲层（7）、相变保温板（8）和保温防护层（9）构成。
5.根据权利要求1所述的季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于：所述的相变保温板（8）是以无机相变储能多孔介质为载体，孔隙内储存相变材料，多孔介质外表面用高分子聚合物材料膜包裹；相变材料为相变温度在-10℃~0℃之间的相变材料。
6.根据权利要求1所述的季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于：所述的保护缓冲层（7）和保温防护层（9）均为橡塑棉，或者为泡沫塑料板，或者为玻璃纤维板，或者为挤塑板，或者为膨胀聚苯板。
7.根据权利要求1所述的季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于：所述的竖向排水通道（12）为深30~50cm，宽为20~40cm的钢筋混凝土排水槽、或直径15~30cm为PE，PVC塑料管；竖向排水通道（12）之间的距离为60~80m之间。
8.根据权利要求1所述的季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构，其特征在于：所述的截水沟（13）和排水渠（14）为混凝土浇筑而成，底面从下到上铺设有保护缓冲层（7）、相变保温板（8）和保温防护层（9）；截水沟（13）和排水渠（14）的深度均为20~50cm，宽度为30~50cm。
9.季节性冻土区自调温回位耗能坡体支护结构的施工方法，其特征在于，其施工步骤为：
（1）放线及定位：首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次开挖边坡或基坑，修正坡面使其平整，用测量仪器定位锚杆（2）和竖向排水通道（12）的施设位置；
（2）施工锚杆（2）：按工程锚杆（2）设计角度，在坡体中开设孔洞，将锚杆（2）置于孔中，并注入锚固浆体（3）；
（3）铺设保温结构和土工格栅（10）：自坡面向外依次铺设保护缓冲层（7）、相变保温板（8）、保温防护层（9）和土工格栅（10），并使保温结构和土工格栅（10）穿过锚杆（2）；
（4）喷射面层（11）和施作格梁（1）：在坡面上土工格栅（10）上喷射砂浆；施作横、竖格梁（1），且横、竖交叉部位穿过锚杆（2）；
（5）施设弹簧（5）和锚固锚杆（2）：在锚杆（2）上依次套上垫板（4）和弹簧（5），待格梁（1）达到一定强度，对锚杆（2）进行预张拉，并用锚具（6）将锚杆（2）锚定在格梁（1）上；
（6）按步骤（2）~（5）的顺序施工下一个工作面的锚杆（2）、保温结构、土工格栅（10）、格梁（1）、面层（11）及锚杆（2）的张拉锚定直至坡低；
（7）施工竖向排水通道（12）：在完成上述工序一个支护面侧面施设PVC塑料管或钢筋混凝土排水沟；
（8）施作截水沟（13）和排水渠（14）：在已完成支护面的坡顶和坡脚相应的截水沟（13）和排水渠（14）施设位置，从下到上铺设有保护缓冲层（7）、相变保温板（8）和保温防护层（9），然后浇筑混凝土形成截水沟（13）和排水渠（14）；
（9）重复以上步骤，施工相邻的下一个支护面及排水***。
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