CN104929098A - 现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法和装置。光学仪器观测季节冻土层冻胀量不能观测冻结深度内各分层土的冻胀量，精度很难满足，需要专业仪器和观测技术人员观测。本发明所述装置埋置于季节性冻土层中，包括圆形片状的下锚盘和上锚盘，下锚盘和上锚盘的中心处连接有直立的测杆位移计，测杆位移计通过传输电缆与上锚盘以上填土外设置的读数仪相连接；季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动，通过测杆位移计观测上、下锚盘之间距离的变化量反映季节冻土层的冻胀量。本发明既可观测季节性冻土层的总冻胀量，也可通过设置不同长度的装置观测各分层土的冻胀量，位移计观测精度高，观测效率高，可实现冻胀变形观测自动化。

Description

现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置

技术领域

    本发明属于季节冻土区筑路技术领域，具体涉及一种现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置。

背景技术

表层冬季冻结，夏季全部融化的土（岩）称为季节性冻土。我国季节性冻土主要分布于长江以北各省区，其面积约占国土面积的 53%，并且气候的温室效应使得寒区季节冻土面积正在逐年增大。在世界范围内约有 35%的公路、铁路线路位于季节冻土地区，我国位于季节冻土区的交通线路约占道路总量的30%。

寒冷地区的公路经验表明，在季节冻土区，冻胀对公路路面寿命有着严重的影响，除了直接引起的路面变形外，另一重要因素在于其对土体强度的弱化而导致道路无法通行。冻胀为冻结过程中，土体中水分（包括土体孔隙原有水分及外界水分向冻结锋面迁移来的水分）冻结成冰，且以冰晶、冰层、冰透镜等冰侵入体的形式存在于土体的孔隙中，引起土颗粒间的相对位移，使土体体积产生不同程度的扩张变形现象。冻胀严重影响着铁路轨道的平顺，以青藏铁路西宁至格尔木段为例，根据 2000 年的统计，冻起高度大于 50mm 的严重冻害有百余处；在东北地区，沈阳铁路局原通辽分局管内的铁路在 1984～2000 年期间的季节性冻土病害共有 803 处，累计长度 77.6km。春季季节性冻土融化，土体强度降低，在列车动应力作用下，基床翻浆冒泥，路基下沉。冻胀每年影响时间达 2 个月之久。可以说，由于冻胀以及由此而产生的其它病害，造成的线路养护维修工作量十分繁重，并对安全行车带来了严重危害。

基于冻胀对工程的严重危害，我国冻胀研究始于上个世纪 50 年代末，土体冻胀历来是季节性冻土研究中的重点，研究土体冻胀的一个重要手段是现场观测季节性冻土层的冻胀量，一般是采用光学仪器观测。图1为东北地区长余高速公路路基冻胀变形观测图，设置高程观测基点，在半幅路面上布置36个冻胀钉，冻胀钉间距6m，用水准仪定期观测冻胀钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量反映各点的冻胀量。图2为东北地区松原至肇源一级公路丰华镇连接线路基冻胀变形观测图，在BK0+563、BK0+640、BK0+720处路基表面各布设80个冻胀钉，冻胀钉共8排，排距为1m，沿路基横断面方向的行距1米，共10个。用水准仪定期观测钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量观测各点的冻胀量。

采用光学仪器观测季节冻土层的冻胀量存在以下不足：

1、通过光学仪器观测的冻胀量为总冻胀量，不能观测冻结深度内各分层土的冻胀量，无法分析各分层土的冻胀占总冻胀的比例；

2、对高速铁路，冻结层内采用了不冻胀、弱冻胀土填筑，有时冻胀量微乎其微，量值为毫米级，光学仪器的观测精度已很难满足的要求，无法为分析土体冻胀提供准确的数据；

3、采用光学仪器观测冻胀量，需要专门的仪器和专业的观测技术人员观测，对仪器和观测人员的专业素质要求高，观测效率低，而且观测不能自动化。

哈尔滨至大连高速铁路是我国在东北严寒地区设计、建造的第一条无砟轨道高速铁路，季节性冻土层厚度由南向北为 1.48～2.05m，每年从 10 月底开始冻结，次年 5～6 月全部融化。季节性冻土普遍发育，是哈大客运专线有别于其它地区客运专线的突出特点。严寒地区的无砟轨道高速铁路路基工程，对冻胀极其敏感，为满足高速铁路轨道高平顺的特点，需严格控制路基的冻胀变形。中国铁道科学研究院研究报告《寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究》提出：无砟轨道、等级为200～250km/h、300～350km/h的高速铁路路基冻胀变形应不大于5mm。为研究路基冻胀变形对无砟轨道高速铁路的影响，保证列车的运营安全，维修养护因冻胀变形导致的不平顺轨道，需进行大量、精确、高效的路基冻胀变形观测工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法及装置，克服采用光学仪器观测季节冻土层冻胀量的技术不足。

本发明所采用的技术方案是：

现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

所述装置埋置于季节性冻土层中，包括圆形片状的下锚盘和上锚盘，下锚盘和上锚盘的中心处连接有直立的测杆位移计，测杆位移计通过传输电缆与上锚盘以上填土外设置的读数仪相连接。

下锚盘和上锚盘之间的测杆位移计外套置有塑料管，测杆位移计与塑料管之间填充有低温润滑脂。

塑料管自上而下分成若干节，各节塑料管上下端部均设置有连接丝扣，各节塑料管衔接处通过环套塑料环进行固定连接。

塑料管外包裹有防水土工膜包裹层。

上锚盘上设置有通气孔，通气孔内通过丝扣插置有通气管，伸入塑料管内。

塑料管最底端的底部塑料管节底缘环周设置有襟边，襟边环周设置有若干下连接孔；

下锚盘上设置有与下连接孔位置对应的固定孔；

襟边下表面与下锚盘之间设置有环形的橡胶垫片，橡胶垫片上设置有与下连接孔位置对应的通孔；

底部塑料管节、橡胶垫片和下锚盘通过连接螺丝相固定。

包括以下步骤：

步骤一：用等径接头连接下锚盘与测杆位移计，选用低于观测所在地最低气温5℃情况下精度的测杆位移计；

步骤二：将塑料管分节，每节塑料管长20cm，上、下端部的外侧均设置4cm高的连接丝扣；底部塑料管节的下端设有襟边，襟边宽度不小于3cm，厚度不小于3mm，并环周预留下连接孔；襟边下表面与下锚盘之间设置环形的橡胶垫片，橡胶垫片上设置有与下连接孔位置对应的通孔；底部塑料管节、橡胶垫片和下锚盘通过连接螺丝相固定；

步骤三：在测杆位移计与底部塑料管节的空隙中填充低温润滑脂，通过丝扣和塑料环将底部塑料管节与次底部塑料管节连接；依次步骤逐层组装塑料管并填充低温润滑脂，在塑料管外逐节包裹防水土工膜包裹层；

步骤四：在冻土层中开挖孔洞，孔洞直径不小于20cm；人工夯拍下锚盘的基底，待基底密实、平整后，放置装置，塑料管外侧分层回填原土，分层捣实；

步骤五：用等径接头连接上锚盘与测杆位移计，测杆位移计通过传输电缆与上锚盘以上填土外设置的读数仪相连接；

步骤六：在冻土层中埋设多个不同长度的装置，季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动，通过测杆位移计观测上、下锚盘之间距离的变化量，也就是冻土层下底面和上顶面距离的变化量，反映季节冻土层的冻胀量；

在观测季节性冻土层的总冻胀量的同时，通过各装置观测的冻胀量，推算各分层土的冻胀量。

本发明具有以下优点：

1、在冻结深度内埋设不同长度的装置，观测对应层厚的季节性冻土层冻胀量，参见图3。既可观测季节性冻土层的总冻胀量，也可通过各装置观测的冻胀量，精确地推算各分层土的冻胀量，为研究各分层土的冻胀量占总冻胀量的比例提供依据。

2、位移计观测精度高，可以精确地观测土工构筑物微小的冻胀变形。

3、采用专用读数仪可以直接读取数据，观测效率高，不需要专业的观测技术人员。如连接数据采集器，定时记录观测数据，可实现冻胀变形观测自动化。

附图说明

图1为东北地区长余高速公路冻胀变形观测图。

图2为东北地区松原至肇源一级公路冻胀变形观测图。

图3为各分层土的冻胀自动观测装置布置图。

图4为本发明结构图。

图5为下锚盘平面图。

图6为下锚盘纵剖图。

图7为上锚盘平面图。

图8为上锚盘纵剖图。

图9为底部塑料管节立面图。

图10为底部塑料管节平面图。

图11为底部以上塑料管节立面图。

图12为底部以上塑料管节平面图。

图13为橡胶垫片平面图。

图14为塑料环立面图。

图15为塑料环平面图。

图中，1-下锚盘，2-测杆位移计，3-底部塑料管节，4-顶部塑料管节，5-低温润滑脂，6-防水土工膜包裹层，7-上锚盘，8-通气管，9-保护钢管，10-传输电缆，11-读数仪，12-橡胶垫片，13-塑料环，14-下连接孔，15-连接螺丝，16-通气孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，所述装置埋置于季节性冻土层中，包括圆形片状的下锚盘1和上锚盘7，下锚盘1和上锚盘7的中心处连接有直立的测杆位移计2，测杆位移计2通过传输电缆10与上锚盘7以上填土外设置的读数仪11相连接。传输电缆10外套置有保护钢管9。

下锚盘1和上锚盘7之间的测杆位移计2外套置有塑料管，测杆位移计2与塑料管之间填充有低温润滑脂5。塑料管自上而下分成若干节，各节塑料管上下端部均设置有连接丝扣，各节塑料管衔接处通过环套塑料环13进行固定连接。塑料管外包裹有防水土工膜包裹层6。

上锚盘7的通气孔16预留丝扣，通气管下端预留丝扣，通气管通过丝扣与上锚盘7连接。

塑料管最底端的底部塑料管节3底缘环周设置有襟边，襟边环周设置有若干下连接孔14；下锚盘1上设置有与下连接孔14位置对应的固定孔；襟边下表面与下锚盘1之间设置有环形的橡胶垫片12，橡胶垫片12上设置有与下连接孔14位置对应的通孔；底部塑料管节3、橡胶垫片12和下锚盘1通过连接螺丝15相固定。

上述装置的使用方法，也就是现场观测季节性冻土区无砟轨道土层冻胀的方法，包括以下步骤：

步骤一：用等径接头连接下锚盘1与测杆位移计2，选用低于观测所在地最低气温5℃情况下精度的测杆位移计.现场安装前应用读数仪连接测杆位移计2后，开机读数，检查测杆位移计2是否完好。安装前先进行预组装，以检查装置各部件是否配套。

步骤二：为防止季节性冻土冻拔测杆位移计2，从而影响冻胀变形的观测精度，采用塑料管隔离测杆位移计2与土体的接触。将塑料管分节，每节塑料管长20cm，顶部塑料管可根据测杆位移计剩余的长度裁短，每节塑料管上、下端部的外侧均设置4cm高的连接丝扣；底部塑料管节3的下端设有襟边，襟边宽度不小于3cm，厚度不小于3mm，并环周预留下连接孔14；襟边下表面与下锚盘1之间设置环形的橡胶垫片12，橡胶垫片12上设置有与下连接孔14位置对应的通孔；底部塑料管节3、橡胶垫片12和下锚盘1通过连接螺丝15相固定。连接螺丝15的螺帽在下，螺母在上，上、下都应配置弹性垫片。塑料管的直径应大于测杆位移计2的直径6cm。

步骤三：水渗入塑料管内，将会对测杆位移计2产生冻拔作用，影响观测精度。为此，在测杆位移计2与塑料管的空隙中填入低温润滑脂。

在测杆位移计2与底部塑料管节3的空隙中填充低温润滑脂5后，通过丝扣和塑料环13将底部塑料管节3与次底部塑料管节连接，塑料环高6cm，内侧设有连接丝扣。依次步骤逐层组装塑料管并填充低温润滑脂5。

在塑料管外包裹防水土工膜包裹层6，可防止塑料管在周边土体冻拔作用下上抬，顶压上锚盘，影响观测精度。防水土工膜包裹层6高度50cm，宽度较塑料管的周长略有富余。将裁剪好的防水土工膜一面均匀涂抹低温润滑脂，再以涂抹低温润滑脂的面为内面包裹塑料管，用宽行胶带纸缠绕固定。逐节包裹防水土工膜包裹层6，最上一层的防水土工膜包裹层高度可根据塑料管的剩余长度确定。

步骤四：在冻土层中开挖孔洞，孔洞直径不小于20cm；下锚盘1直径宜小于钻孔直径2cm。人工夯拍下锚盘1的基底，待基底密实、平整后，放置装置，塑料管外侧分层回填原土，分层捣实。

步骤五：用等径接头连接上锚盘7与测杆位移计2，测杆位移计2通过传输电缆10与上锚盘7以上填土外设置的读数仪11相连接。上锚盘7的直径大于塑料管直径，超出塑料管的宽度不小于10cm。

土体冻胀变形后，上锚盘7上抬，上锚盘7与塑料管、填充的低温润滑脂5有可能形成真空腔体，产生负压吸附上锚盘，影响观测精度，为此，在上锚盘7安装通气管8，通气管8伸到土层外面。上锚盘7预留通气孔16，内侧设有丝扣，通气管8一端设有丝扣，通过丝扣连接上锚盘7与通气管8。

步骤六：在冻土层中埋设多个不同长度的装置，季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动，通过测杆位移计2观测上、下锚盘之间距离的变化量反映季节冻土层的冻胀量；

在观测季节性冻土层的总冻胀量的同时，通过各装置观测的冻胀量，推算各分层土的冻胀量。

为防止施工机械、人为因素损伤传输电缆，将传输电缆10穿入保护钢管9内保护。为防止施工机械对装置的不利影响，将上锚盘7以上部分的孔洞用原土填平，并人工夯实上锚盘7上的回填土。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

所述装置埋置于季节性冻土层中，包括圆形片状的下锚盘（1）和上锚盘（7），下锚盘（1）和上锚盘（7）的中心处连接有直立的测杆位移计（2），测杆位移计（2）通过传输电缆（10）与上锚盘（7）以上填土外设置的读数仪（11）相连接。

2.根据权利要求1所述的现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

下锚盘（1）和上锚盘（7）之间的测杆位移计（2）外套置有塑料管，测杆位移计（2）与塑料管之间填充有低温润滑脂（5）。

3.根据权利要求2所述的现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

塑料管自上而下分成若干节，各节塑料管上下端部均设置有连接丝扣，各节塑料管衔接处通过环套塑料环（13）进行固定连接。

4.根据权利要求3所述的现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

塑料管外包裹有防水土工膜包裹层（6）。

5.根据权利要求4所述的现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

上锚盘（7）上设置有通气孔，通气孔内通过丝扣插置有通气管（8），伸入塑料管内。

6.根据权利要求5所述的现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的装置，其特征在于：

塑料管最底端的底部塑料管节（3）底缘环周设置有襟边，襟边环周设置有若干下连接孔（14）；

下锚盘（1）上设置有与下连接孔（14）位置对应的固定孔；

襟边下表面与下锚盘（1）之间设置有环形的橡胶垫片（12），橡胶垫片（12）上设置有与下连接孔（14）位置对应的通孔；

底部塑料管节（3）、橡胶垫片（12）和下锚盘（1）通过连接螺丝（15）相固定。

7.现场观测季节性冻土区高速铁路土层冻胀的方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：用等径接头连接下锚盘（1）与测杆位移计（2），选用低于观测所在地最低气温5℃情况下精度的测杆位移计；

步骤二：将塑料管分节，每节塑料管长20cm，上、下端部的外侧均设置4cm高的连接丝扣；底部塑料管节（3）的下端设有襟边，襟边宽度不小于3cm，厚度不小于3mm，并环周预留下连接孔（14）；襟边下表面与下锚盘（1）之间设置环形的橡胶垫片（12），橡胶垫片（12）上设置有与下连接孔（14）位置对应的通孔；底部塑料管节（3）、橡胶垫片（12）和下锚盘（1）通过连接螺丝（15）相固定；

步骤三：在测杆位移计（2）与底部塑料管节（3）的空隙中填充低温润滑脂（5），通过丝扣和塑料环（13）将底部塑料管节（3）与次底部塑料管节（4）连接；依次步骤逐层组装塑料管并填充低温润滑脂（5），在塑料管外逐节包裹防水土工膜包裹层（6）；

步骤四：在冻土层中开挖孔洞，孔洞直径不小于20cm；人工夯拍下锚盘（1）的基底，待基底密实、平整后，放置装置，塑料管外侧分层回填原土，分层捣实；

步骤五：用等径接头连接上锚盘（7）与测杆位移计（2），测杆位移计（2）通过传输电缆（10）与上锚盘（7）以上填土外设置的读数仪（11）相连接；

步骤六：在冻土层中埋设多个不同长度的装置，季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动，通过测杆位移计（2）观测上、下锚盘之间距离的变化量，也就是冻土层下底面和上顶面距离的变化量，反映季节冻土层的冻胀量；

在观测季节性冻土层的总冻胀量的同时，通过各装置观测的冻胀量，推算各分层土的冻胀量。