一种高纬度林区岛状冻土路基结构及施工方法

摘要

本发明公开了一种高纬度林区岛状冻土路基结构及施工方法，本发明将填筑的1m厚的片块石冲击碾压至地平线以下，在其上方再填筑50cm厚的片块石层，随后铺设两布一膜，再填筑50cm厚的砂砾下垫层，在其顶层铺设一道反滤土工布后填筑1m厚的砂砾上垫层，在路基两侧各设置一排热棒结构，并设置护坡道及排水沟。本发明能调节、维护高纬度林区冻土路基内部的水热交换平衡条件，减小冻土融化幅度及冻土路基发生的不均匀变形，提高路基结构的稳定性，延长道路的使用寿命，降低道路后期维护的费用。

说明书

技术领域

本发明属于交通工程技术领域，具体涉及一种高纬度林区岛状冻土路基结构及施工方法。

背景技术

冻土指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。由于冰以及未冻水的存在，其性质极其复杂且对温度极为敏感。我国是世界第三冻土大国。其中，多年冻土约占我国国土面积的21.5％，主要分布在我国的青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭地区。

其中大、小兴安岭大部分地区为高纬度林区，植被茂密，降水充沛，地下水发育，冻土多呈岛状分布。因此，在高纬度林区修建公路改变了原地及附近的水热交换平衡条件，改变了冻土路基内部的水热状态，进而改变了冻土的温度和含水率，导致冻土发生冻胀或融化。在车辆荷载以及上覆荷载等作用下，引起路面开裂、沉陷、倾斜、路基下沉等一系列的病害。这不仅大大提高了建筑工程造价，而且严重影响工程的使用效果与寿命。

针对以上问题，本发明提出了一种适用于高纬度林区岛状冻土路基的施工方法，增强了路基的稳定性，对多年冻土起到了一定的保护作用，有效地减弱了林区地表水及地下水对路基结构的破坏，保证了工程的施工安全和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高纬度林区岛状冻土路基的施工方法。高纬度林区植被茂密，降水充沛，地下水发育，导致路基表层土质松软，含水量较高，且在路基中发育岛状多年冻土。本发明将砂砾冲击碾压至地面以下，利用其嵌挤作用，使路基基床具有相当好的承载能力，同时配合铺设复合土工膜、透水土工布、排水沟等防水措施，尽可能地降低水份对路基的影响。本发明还利用了片块石层对路基内部的冷却和通风的作用，以及热棒结构可以有效降低地下土壤温度的单向传热性能，对路基温度场进行调控，进而防止多年冻土发生退化。

本发明所采用的技术方案是：一种高纬度林区岛状冻土路基结构，其特征在于：所述的高纬度林区岛状冻土路基结构自下而上依次为砂砾冲压层、复合土工膜、砂砾层、片块石层、透水土工布、厚砂砾垫层；

其中砂砾冲压层部分冲击碾压在地面线以下。

所述的砂砾冲压层的厚度为50cm，其最大粒径≤5cm；

所述的砂砾层的厚度为50cm，其最大粒径≤5cm；

所述的片块石层的厚度为1m，其粒径范围为15～25cm；

所述的厚砂砾垫层的厚度为80cm，其最大粒径≤5cm。

所述的高纬度林区岛状冻土路基的两侧均设置热棒结构，包括蒸发段和冷凝段；蒸发段吸收地层热量，将其内部的液氨气化，冷凝段吸收气化的液氨的热量，进行液化。

所述的高纬度林区岛状冻土路基的两侧设置水平的护坡道，护坡道外侧设置排水沟。

一种高纬度林区岛状冻土路基施工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a.路基范围内清除树根、割去地面以上的杂草后，填筑50cm的砂砾冲压层冲击碾压至地平线以下，在砂砾冲压层上方铺设复合土工膜，再填筑50cm的砂砾层，其最大粒径不得大于5cm。

b.在砂砾层上，再填筑1m的片块石层，其粒径为15～25cm，在其顶层铺设一道透水土工布后填筑80cm的厚砂砾垫层，其最大粒径不得大于5cm。

c.在土路肩50cm处各设置一排热棒结构，热棒冷凝段长度不小于2.5m，蒸发段长度埋置在多年冻土上限以下不小于1.5m～3m深，热棒间距为3～4米；热棒路基纵向范围应超出冻土区10m以上。

d.路基的两侧设置水平的护坡道，护坡道外侧设置排水沟。

所述的路基施工步骤a，选择在秋季低温时节施工；路基施工步骤b、c和d，选择在第二年的春季温暖时节施工。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述的砂砾冲压层可有效解决高纬度林区植被茂密、水系丰富、土壤含水率高、地表土质松软的问题；冲压砂砾至地面以下，利用其嵌挤作用，使路基基床具有相当好的承载能力，且具有一定的排水功能，配合铺设复合土工膜、透水土工布、排水沟等防水措施，可以调节、维护高纬度林区冻土路基内部的水热交换平衡条件，减小冻土路基内部的温度场变化幅度，从而减小路基发生的变形破坏。

2.本发明所述的片块石层利用空气的流动来改变路基传热方式，对路基内部起到了冷却和通风的作用，能减小冻土融化幅度及冻土路基发生的不均匀变形，可提高路基结构的安全性和稳定性，延长道路的使用寿命，降低道路后期维护的费用。

3.本发明所述的热棒结构是一种高效热导装置，具有独特的单向传热性能，热量只能从地面下端向地面上端传输，不能反向传热，可以有效的降低冻土土壤地下温度，是处理冻土病害、保护冻土的有效措施。

4.本发明所述的路基分两步施工，在秋季低温时节完成片块石冲压和填筑施工，此时冻土上限相对稳定，也可避免施工过程中将过多热量带入冻土活动层；在第二年的春季温暖时节完成路基剩余部分施工，是为了等到片块石路基沉降相对稳定后再施工，有利于对冻土的保护，并提高施工质量。

附图说明

图1为高纬度林区岛状冻土路基的结构图。

图中，1-路堤结构，2-厚砂砾垫层，3-透水土工布，4-片块石层，5-砂砾层，6-复合土工膜，7-砂砾冲压层，8-热棒，9-蒸发段，10-冷凝段，11-护坡道，12-排水沟

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种高纬度林区岛状冻土路基结构，其自下而上依次为依次为砂砾冲压层7、复合土工膜6、砂砾层5、片块石层4、透水土工布3、厚砂砾垫层2。填筑50cm的砂砾冲压层7冲击碾压至地平线以下，砂砾层6的厚度为50cm，片块石层4的厚度为1m，其粒径为15～25cm，最小边长宜大于15cm，长细比不宜大于3，片块石强度大于20MPa，空隙率不小于20％，厚砂砾垫层2的厚度为80cm。

高纬度林区岛状冻土路基的两侧均设置热棒结构8，包括蒸发段9和冷凝段10，热棒结构8的冷凝段10长度不小于2.5m，蒸发段9长度埋置在多年冻土上限以下不小于1.5m～3m深，热棒间距为3～4米；热棒路基纵向范围应超出冻土区10m以上。

高纬度林区岛状冻土路基的两侧设置水平的护坡道11，护坡道11外侧设置排水沟12。

实施例2：

如图1所示，实施例1所述的一种高纬度林区岛状冻土路基结构的施工方法，由以下步骤实现：

a.路基范围内清除树根、割去地面以上的杂草后，填筑50cm的砂砾冲压层7冲击碾压至地平线以下，在砂砾冲压层上方铺设复合土工膜6，再填筑50cm的砂砾层5，其最大粒径不得大于5cm。

砂砾层采用中粗砂，施工前应对中粗砂的外观筛分析、细度模数、含泥量等检验，符合要求后方可施工。

复合土工膜，单位面积质量≥400g/m

砂砾冲压层的冲击碾压采用重型光轮压路机(25t以上)先静压2遍，然后进行反复强振碾压，碾压遍数不少于6～8遍，碾压速度控制在2～4km/h。直线路段先两侧后中间，曲线段先内侧后外侧。碾压的纵向行与行之间重叠0.5m，前后相邻区段重叠2m以上。压实应均匀，按设计要求控制密实度，保证其平整度和稳定性。

砂砾层填筑时，人工配合推土机进行整平。先用重型压路机静压1遍，然后采用三边压路机进行碾压，碾压遍数不少于25遍，行驶速度不小于12km/h。碾压后再整平，重型压路机静压1遍。

b.在砂砾层5上，再填筑1m的片块石层4，其粒径为15～25cm，在其顶层铺设一道透水土工布3后填筑80cm的厚砂砾垫层2，其最大粒径不得大于5cm。片块石的石料要求洁净，无风化、水锈、裂纹，耐冻，无级配，对合格的石料按设计文件中对粒径的要求进行破碎。破碎后再进行筛选，不要刻意挑选单一粒径，符合设计要求即可，将不符合要求的小碎石作为片块石层上的找平填料，最大限度的利用，减少废弃量。进行石料破碎筛选。片块石粒径为10～25cm，最小边长宜大于10cm，长细比不宜大于3，片块石强度大于20MPa，空隙率不小于20％。片块石层填筑采用倾填方式，自卸载重汽车、推土机、挖掘机配合进行作业，并一次填筑到设计高度，边坡采用片块石人工码砌，石料用机械整平，个别部位人工用小石块找平。投料时不得损坏边部已经码砌的石料，对于损坏的要及时修复。填料时采取先低后高，先两侧后中央的投料方式进行。

透水土工布，单位面积质量为400g/m

c.在土路肩50cm处各设置一排热棒结构8，热棒冷凝段10长度不小于2.5m，蒸发段9长度埋置在多年冻土上限以下不小于1.5m～3m深，热棒间距为3～4米；热棒路基纵向范围应超出冻土区10m以上；热棒成孔时必须采用干钻，钻孔直线角度偏差不大于5mm，热棒固定后，采用水中沉沙法灌入过筛后的中粗砂，回填热棒与成孔时孔壁的空隙，确保回填密实。蒸发段吸收地层热量，将其内部的液氨气化，冷凝段吸收气化的液氨的热量，进行液化。

d.路基的两侧设置水平的护坡道11，宽0.8m，护坡道外侧设置排水沟12。所述的路基施工步骤a，选择在秋季低温时节施工，此时冻土上限相对稳定，也可避免施工过程中将过多热量带入冻土活动层；路基施工步骤b、c和d，选择在第二年的春季温暖时节施工，是为了等到片块石路基沉降相对稳定后再施工，有利于对冻土的保护，并提高施工质量。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。