一种防治季冻区道路病害的路基结构

摘要

本发明公开了一种防治季冻区道路病害的路基结构，路基填筑时在地基土原地面路基底面宽度范围内全断面铺设一层复合防排水板，在复合防排水板上填筑下路堤填土至道路最大冻深标高，再次沿路基全断面铺设最大冻深处复合防排水板，继续填筑上路堤基土至设计路堤标高，在路基上路床顶面全断面铺设立体土工格栅，在道路最大冻深处、路堤底部原地面全断面铺设复合防排水板，在路床顶面沿路基横断面方向铺设立体土工格栅，下路堤填土与地基土之间铺设的基底复合防排水板的复合土工膜向上，虑水土工布向下。结构简单，降低了路基湿度、提高了路基整体刚度，降低了季冻区道路冻害，防治季冻区道路病害效果明显，具有应用推广前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种路基结构的技术领域，尤其涉及一种防治季冻区道路病害的路基结构。这种路基结构利用复合防排水板阻断地基与路基的水力联系，切断冻结过程中冻结水的上升通道，减小冻胀变形；在春融期，利用布设在最大冻深处高导水率复合防排水板快速有效的排除最大冻深处积聚的水分，从而保证了路基的湿度状态；另一方面在路床顶部全断面铺设立体土工格栅增加路基的整体刚度，有效地控制季冻区路基冻胀、融沉变形，协调不均匀变形。

技术背景

中国季节性冻土面积分布十分广泛，占国土面积的53.5％。季冻区路基在冻融作用下产生冻胀融沉变形，冻融作用导致路面过早破坏，产生纵向裂缝，冰雪融水沿裂缝下渗，使得冻害加深，导致道路翻浆、冒泥。冻土地区公路路基冻融破坏最重要的原因是冻融过程中水分迁移改变了路基土的湿度状态。在季节性冻土区，冬季路基土温度降至零摄氏度以下，路基土中一部分液态水冻结成为冰，土壤未冻水减少，基质势降低。在土壤基质势梯度作用下，路基未冻结区水分不断向冻结锋面迁移，锋面附件含水量变化剧烈，特别是当路基高度较低，地下水位埋深较浅时，路基本体中总含水量会有较大幅度提高，冻结锋面处可能出现冰层；春融期，冰融化的水并不能在短时间内由重力梯度作用迁移完毕，这样路基湿度增大，特别是在最大冻深处，土体可能出现过饱和状态，从而导致路基较大的融沉破坏和道路翻浆。

我国高速公路正处在蓬勃发展阶段，广袤季节性冻土区公路建设也是如火如荼，为了减小道路冻害常用的工程措施有控制路基填料、加强排水设施、增设砂垫层等。但是，由于季节性冻土的复杂性以及施工原因，季冻区道路病害仍然以冻害为主。

为了减小冰冻作用对季冻区道路的危害，必须有效的阻断路基本体外的水分向路基内迁移，同时在春融期能加快路基最大冻深处积聚水分的渗透速率，有效的控制路基的湿度状况。同时，路基土在冻融作用下产生不均匀的冻胀和融沉，使得路面结构产生破坏，加剧路基湿度状况恶化，因此须采取措施提高路基特别是上路床的刚度，减小路基在冻融作用下的不均匀变形。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种防治季冻区道路病害的路基结构，该路基很好的改善季冻区路基的湿度状态，提高路基刚度，减小冻胀融沉不均匀变形，有效降低道路冻害。冬季路基冻结时，能够有效的阻止路基冻结时地下水对路基的补给，隔断路基本体内冻结水向上路床迁移；在春融期能通过高导水率排水板，增大路基土横向渗透性，及时排除由于冻结作用而富集在复合防排水板下层的水，降低路基土特别是最大冻深处土体的含水量。同时路床顶部全断面铺设的立体土工格栅增加了路基整体刚度，有效地控制季冻区路基冻胀、融沉变形，协调不均匀变形。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种防治季冻区道路病害的路基结构，该路基结构由在地基土上铺设基底复合防排水板、路堤填土、最大冻深处复合防排水板、路堤填土、路床顶部立体土工格栅构成，其特征在于：路基填筑时在地基土原地面路基底面宽度范围内全断面铺设一层复合防排水板，在复合防排水板上填筑下路堤填土至道路最大冻深标高，再次沿路基全断面铺设最大冻深处复合防排水板，继续填筑上路堤基土至设计路堤标高，在路基上路床顶面全断面铺设立体土工格栅，在道路最大冻深处全断面铺设最大冻深处复合防排水板，路堤底部原地面全断面铺设复合防排水板，复合防排水板、最大冻深处复合防排水板均由复合土工膜、三维土工网芯、虑水土工布组成。

所述的基底复合防排水板、最大冻深处复合防排水板都是由复合土工膜、三维土工网芯、虑水土工布组成的，有横向高导水率、法向低渗透率的土工合成材料，该材料即使在很高的荷载下也能保持横向具有很高的排水性能，虑水土工布却有着较好的法向隔水功能。

所述的下路堤填土与地基土之间铺设的基底复合防排水板的复合土工膜向上，虑水土工布向下。

所述的下路堤填土与下路堤填土之间铺设的最大冻深复合防排水板的虑水土工布向上，复合土工膜向下，复合防排水板呈人字形在路堤路拱上铺设，路拱横坡坡率为4％。

所述的该复合防排水板埋设在季冻区道路最大冻深位置，最大道路冻深深度H_f由当地气象监测得到，无气象记录时可用理论公式计算。

所述的地基土与下路堤填土之间铺设的基底复合防排水板的复合土工膜向上，虑水土工布向下。

所述的立体土工格栅由纵横向肋带组成，纵横向肋带较窄，结点有较高的支持强度，立体土工格栅和土体组成的复合体具有较大的整体刚度，能够减小路基的不均匀冻胀融沉变形。

在压实的天然地基上铺设一层复合防排水板，该层复合防排水板复合土工膜一面应朝上；在复合防排水板上按照规范标准填筑路基至计算最大冻深标高，并保证路基横坡坡率为3％～4％，铺设最大冻深处复合防排水板，该层复合防排水板复合土工膜一面应朝下；填筑路堤至设计标高后在路床顶面铺设立体土工格栅。

复合防排水板是集排水、防水功能与一体的新型防排水材料，其结构组成是：一面滤水虑水土工布，中间三维土工网芯，另一面虑水土工布，具有高孔隙率、横向高导水率、法向低渗透率等特点。中间三维土工网芯，筋条刚性大，纵向排列，形成排水通道，上下交叉排列的筋条形成支撑防止虑水土工布嵌入排水通道。这样即使在很高的荷载下也能保持很高的排水性能。另一面的虑水土工布却有着较好的隔水功能。

立体土工格栅是一种横向肋带和纵向肋带立体交叉，纵横向肋带较窄，结点圆柱体具有很高支持强的的土工格栅。立体土工格栅能有效提高土体和筋带间相互作用，形成具有较高整体刚度的立体格栅-土体复合体。

这种防治季冻区道路病害的新型路基结构的工作原理是：冬季气温降低，路基土从上至下发生冻结，在温度梯度和真空抽吸左右下地基及为冻结路基土中自由水向上迁移，基底复合防排水板的复合土工膜能够有效地隔断地基中的水分向路堤中迁移，最大冻深处复合防排水板的复合土工膜能够有效地阻止下路堤中的水分向上路床中迁移，这样在冻结过程中整个路堤特别是上路床的总含水量(液态含水量+含冰量)得到有效控制；众多周知，由于冬季冻结时水分大量向冻结锋面迁移，使得最大冻深处春融期含水量最大，在上覆压力作用和三维土工芯网水平方向高导水率联合作用下，上路床水分向三维土工芯网迁移并排除路堤本体，进一步降低了路基特别是上路床的湿度；另一方面，路床顶部全断面铺设的立体土工格栅增加了路基整体刚度，有效地控制季冻区路基冻胀、融沉变形，协调不均匀变形。本发明就能积极主动阻隔外界水分进入路堤本体，及时排除路堤水分，提高路基刚度减小冻融差异变形。

本发明的优点与产生的有益效果：

1、本新型防治道路冻害的路基结构，充分并合理利用复合防排水板的复合土工膜隔水性、三维土工芯网的高导水性，阻断地基和路面结构中水分进入路堤本体，利用路基自重排除富集在最大冻深处的春融液态水，降低了路堤特别是上路床土体湿度，从而提高了季冻区路基的抗冻能力、提高了路基强度，降低了季冻区道路冻害，解决了季冻区路基的特殊问题。

2、本路基结构不仅能够阻断地基中水分向路堤中迁移，而且不会向传统土工膜一样使得迁移至土工膜的水分不能及时排除，而在土工膜下方富集，造成路基病害。

3、本新型防治道路冻害的路基结构充分利用了立体土工格栅提高路基整体刚度特性，路基整体刚度的提高，能有效地减小冻胀、融沉差异变形，减小冻融作用对路面结构的破坏作用，有效防治道路冻害。

4、本发明的路基结构简单，主要材料为符合要求的路基填料和复合防排水板、立体土工格栅，降低了路基湿度、提高了路基整体刚度，防治季冻区道路病害效果明显，施工简便，具有较好的应用推广前景。

附图说明

图1为一种防治季冻区道路病害的路基结构横断面构造示意图

图2为一种图1中局部A的放大示意图

图3为一种图1中局部B的放大示意图

图4为一种图1局部C的立体土工格栅放大示意图

图5为一种冬季冻结过程中路基水分运移示意图

图6为一种春融期路基水分运移示意图

图7为一种中国季节性冻土标准冻深线示意图

图中部位及所对应的标记：上路堤填土1、下路堤填土2、地基土3、排水边沟4、路肩5、基底复合防排水板7(兰普森LPS-1600)、复合土工膜7a、三维土工网芯7b、虑水土工布7c、最大冻深处复合防排水板8、路床顶部立体土工格栅9、路面结构层10、冻结水迁移路径示意春融期水迁移路径示意

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1可知，一种防治季冻区道路病害的路基结构，该路基结构由在地基土3上铺设基底复合防排水板7、路堤填土2、最大冻深处复合防排水板8、上路堤填土1、路床顶部立体土工格栅9构成，路基填筑时在地基土3原地面路基底面宽度范围内全断面铺设一层复合防排水板7，在复合防排水板上填筑下路堤填土2至道路最大冻深标高，再次沿路基全断面铺设最大冻深处复合防排水板8，继续填筑上路堤路基土1至设计路堤标高，在路基上路床顶面全断面铺设立体土工格栅9。在道路最大冻深处、路堤底部原地面全断面铺设复合防排水板7，在路床顶面沿路基横断面方向铺设立体土工格栅9。所述的基底复合防排水板7、最大冻深处复合防排水板8都是由复合土工膜7a、三维土工网芯7b、虑水土工布7c组成，有横向高导水率、法向低渗透率的土工合成材料，该材料即使在很高的荷载下也能保持横向具有很高的排水性能，虑水土工布却有着较好的法向隔水功能。

所述的下路堤填土2与地基土3之间铺设的基底复合防排水板7的复合土工膜7a向上，虑水土工布7c向下。

所述的下路堤填土2与路堤填土1之间铺设的最大冻深复合防排水板8的虑水土工布7c向上，复合土工膜7a向下，复合防排水板7呈人字形在路堤路拱上铺设，路拱横坡坡率为4％。

所述的复合防排水板7的复合土工膜7a朝上，三维土工网芯7b朝下。

所述的该复合防排水板埋设在季冻区道路最大冻深位置，最大道路冻深深度H_f由当地气象监测得到，无气象记录时可由经验公式公式计算：

H_f＝abcZ_d

式中H_f-多年最大冻深(m)；

Z_d-大地标准冻深(m)；若无实测资料可查《公路路基设计手册》“中国季节性冻土标准冻深线图”；

a-路面路基材料热物性系数，见表1；

b-路基湿度系数，见表2；

c-路基断面形式系数，见表3。

表1路面路基材料热物性系数a

  路基材料  粘质土  粉质土  粉土质砂  细粒土质砾  粘土质砂  含细粒土质  砾(砂)  热物性系数  1.05  1.1  1.2  1.3  1.35  路面材料  路面水泥混  凝土  沥青混凝土  二灰碎石及  水泥碎(砾)石  二灰土及水  泥土  级配碎石  热物性系数  1.4  1.35  1.4  1.35  1.45

表2路基湿度系数b

  干湿类型  干燥  中湿  潮湿  过湿  湿度系数  1.0  0.95  0.90  0.80

表3路基断面形式系数c

  填挖形式  地面  填2m  填4m  挖2m  挖4m  挖6m  挖6m以上  断面形式系数  1.0  1.02  1.05  0.98  0.95  0.92  0.90

所述的立体土工格栅由纵横向肋带组成，纵横向肋带较窄，结点有较高的支持强度，立体土工格栅和土体组成的复合体具有较大的整体刚度，能够减小路基的不均匀冻胀融沉变形。附图中A、B是局部放大图，在路基两侧地基土3中设置排水边沟4，形成完整通畅排水系统，保证路基稳定。所述的上路堤填土1顶面修筑路面结构层10和路肩5，路肩5位于路面结构层10两侧。

根据图5可知，一种防治季冻区道路病害的路基结构在冬季冻结过程中，地基土3、下路堤填土2、上路堤填土1中的水分在温度梯度和冻结力的驱动下都向上迁移，冻结水迁移路径示意为地基土3中冻结水迁移路径、冻结水迁移路径示意为下路堤填土2中冻结水迁移路径示意为上路堤填土1中冻结水迁移路径，冻结水迁移路径示意冻结水迁移路径示意分别被基底复合防排水板7、最大冻深处复合防排水板8隔断，阻止冻结水进入上路堤从而减小上路堤的湿度状态。

根据图6可知，一种防治季冻区道路病害的新型路基结构在春融过程中，上路堤填土1由冻结状态逐步融化，上路堤填土1中春融水分在重力作用下向下迁移，春融期水迁移路径示意为上路堤填土1中春融水分迁移路径，向下迁移的春融水沿横向高导水率的最大冻深处复合防排水板8排除路基结构。

为提高路堤稳定性和防止雨水冲刷，路基边坡根据实际情况增加防护措施。路基基底3应符合《公路路基设计规范》相关条款之要求。

图1中A、B放大示意图分别为图2和图3

图1中的基底复合防排水板7、最大冻深处复合防排水板8为图2、图3中所示的复合土工膜7a、三维土工网芯7b、虑水土工布7c组成。复合土工膜7a有很好的隔水作用，能够耐静水压力大于100kPa；三维土工网芯7b具有耐高压，导水率大特点，在长期高压荷载(3000kPa)作用下有效导水率不小于1.2×10^-3m²/s，三维土工网芯厚度不小于8mm，排水能力相当于一米厚砂砾石排水；虑水土工布7c单位面积质量不小于200g/m²，能够阻止岩土侵入三维土工网芯，保持复合排水板7长期稳定的排水。

图1中基底复合防排水板7放大为图2，基底复合防排水板7具有隔水能力的复合土工膜7a朝上，三维土工网芯7b朝下，其作用是：季冻区路基在冬季气温降低时，冻结水(包括液态冻结水和气态冻结水)在温度梯度作用下从地基土3向温度较低的路堤方向迁移，迁移路径如所示，复合土工膜7a能够有效的隔断水分迁移通道，阻止路基土3水分进入路堤；由地基中向上迁移的水分在复合土工膜7a下积聚并由高导水率三维土工网芯渗透排除路基。

图1中最大冻深处复合防排水板8放大为图3，在道路最大冻深H_f处设置人字形排水坡，人字坡坡率为4％，排水材料为复合防排水板7，复合土工膜7a朝下，三维土工网芯7b朝上，其作用是：在路基土冻结过程中，复合土工膜能有效阻止下路堤水分向上路堤和路床中迁移；根据大量室内反复冻融循环试验和季冻区路基湿度监测结果表明，在春融期由于冻融锋面处真空抽吸作用和冻土冰晶融化为自由水，使得水分在最大冻深处积聚，路基最大冻深处含水率最大，经常是饱和状态甚至是过饱和状态。在路基自重和车辆载荷下，最大冻深水分集聚带水分能从最大冻深处人字形最大冻深处复合防排水板8的三维土工网芯7b及时有效排除，最大融化饱和带土基通过排水固结，降低上路堤和路床的湿度，提高强度指标。

图1中路床顶部立体土工格栅9放大为图5，在路床顶部全断面铺设立体土工格栅9，其作用是：立体土工格栅和路基土形成立体格栅-土体复合体，大幅度提高路堤的整体刚度，增大路基抵抗冻胀、融沉变形能力，协调由于冻融作用和行车荷载所产生的不均匀变形，从而有效地防治季冻区路基病害。立体土工格栅抗拉强度不小于50KN/m，延伸率不大于10％，结点强度不小于1200N，肋带断裂强度不小于10KN。

综上所述，本发明通过设置基底复合防排水板7、最大冻深处复合防排水板8和路床顶部立体土工格栅9，能使得季冻区路堤在冬季冻结期隔断地下水进入路堤、阻止下路堤水分在冻结作用下向上路堤和路床中迁移；在春融期时候能够通过高导水性的立体网状三维土工网芯将最大冻深H_f处、路床顶面、基底集聚的水分及时有效排除路堤，通过改变季冻区路基“土、水、温”三要素中“水”的要素；另一方面立体土工格栅提高路堤整体刚度，减小不均匀变形，改善路面受力条件，从而有效防治季冻区路基病害。图5、图6详细地描述了本发明改变季冻区路基“水”之要素和路基防、排水过程。