季节冻土区既有公路路基保温隔水防冻胀结构及施工方法与流程

本发明涉及公路路基工程，尤其涉及季节冻土区既有公路路基保温隔水防冻胀结构及施工方法。

背景技术：

1、季节冻土区公路路基在冬季会发生冻胀，夏季融沉，导致路面开裂、沉陷等病害，严重影响公路的使用寿命和行车安全，冻胀的主要原因是路基中的水分在负温下结冰体积膨胀，为了减轻冻胀危害，现有技术中通常采用设置保温层、换填防冻材料、铺设排水设施等方法。

2、然而，传统的保温板或泡沫混凝土等保温材料在长期使用过程中容易老化、变形，保温效果衰减，且这类材料通常需要大规模开挖路基进行铺设，对既有公路的交通影响较大，施工周期长，成本高昂，并且现有技术往往是单一的保温或排水方案，未能将保温、疏水和防冻胀集成一体，且一次性施工后，当防护效果衰减时，难以进行便捷有效的修复和维护，导致后期维护成本较高，特别是对于既有公路，大规模的改造往往不切实际，如何实现在不中断交通或极小影响交通的情况下进行路基改造和病害治理，是目前工程领域面临的巨大挑战。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有路基防冻胀措施保温效果有限、排水不彻底、难以解决深层冻胀、维护成本高以及施工复杂等问题，为此我们提出一季节冻土区既有公路路基保温隔水防冻胀结构及施工方法。

2、为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：季节冻土区既有公路路基保温隔水防冻胀结构及施工方法，包括：沿既有公路路基两侧坡脚外特定距离开挖的侧部排水沟、横向贯穿路基且一端与排水沟密封连通的注浆引流管，以及利用反应型硅烷疏水浆料通过注浆引流管定向注入路基冻胀敏感层所形成的疏水排水层；

3、注浆引流管采用具有高导热性的高分子复合材料经共挤出一体成型，且包括外管和内管，外管和内管之间通过四组双层隔板固定连接，内管、外管与双层隔板一体挤出成型，双层隔板将外管和内管之间分隔出四个独立的扇形储能腔，扇形储能腔内填充相变储能材料，双层隔板之间设置有注浆通道，注浆通道与内管内部连通，注浆通道外侧开设有注浆孔；

4、反应型硅烷疏水浆料与路基水分发生水解反应生成二氧化碳以强制挤出积水，且反应后无固化板结产物、不堵塞注浆通道及内管。

5、进一步的，注浆引流管的外管、内管、双层隔板、扇形储能腔和注浆通道采用共挤出一体成型工艺，扇形储能腔为周向均布的4个独立密封腔室，注浆引流管远离侧部排水沟的一端设置有第一密封端盖，第一密封端盖与外管采用热熔焊接密封，焊接温度控制在220℃-250℃，焊缝宽度≥8mm，无虚焊、漏焊，注浆引流管靠近侧部排水沟的一端设置有第二密封端盖，第二密封端盖与外管采用螺纹连接，并设置有橡胶圈密封，第二密封端盖上开设有浆液连通口，浆液连通口用于与注浆设备的连接和路基积水的排出。

6、进一步的，注浆引流管采用的高分子复合材料为碳纤维质量分数15%—20%的增强聚苯硫醚，其导热系数≥12w/（mk），拉伸强度≥85mpa，弯曲强度≥120mpa，耐候温度范围-45℃-90℃，耐酸碱腐蚀性能满足浸泡5%h2so4或5%naoh溶液1000h后强度保留率≥90%；外管外径90—110mm、壁厚6—7mm，外管管身沿轴向每300—400mm开设一组与注浆通道一一对应的注浆孔，每组4个，孔径10—11mm；内管内径45—55mm、壁厚3.5—4.5mm，内管内壁经聚四氟乙烯涂层处理，涂层厚度5-10μm。

7、进一步的，相变储能材料为质量分数85%—90%石蜡与质量分数10%—15%膨胀石墨的复合体系，石蜡的相变温度-1℃-3℃，其潜热≥185j/g，导热系数≥0.9w/（mk），相变循环稳定性≥1200次且性能衰减率≤4%，体积膨胀率≤7%，填充时预留6%—7%的体积膨胀空间，填充密度控制在0.88—0.92g/cm³。

8、进一步的，反应型硅烷疏水浆料按质量百分比由以下组分组成：42%—48%的异辛基三乙氧基硅烷、12%—14%的低分子量聚异氰酸酯、26%—29%的硅烷乳液、6%—7%的聚乙二醇、0.6%—0.9%的二月桂酸二丁基锡及0.2%—0.3%的对苯二酚，各组分质量百分比之和为100%；其中异辛基三乙氧基硅烷的纯度≥99%；其中低分子量聚异氰酸酯中nco含量12%—13%，分子量500-800；硅烷乳液中固含量35%—38%，粒径50-100nm；聚乙二醇的分子量200，纯度≥99%；二月桂酸二丁基锡的纯度≥98%；对苯二酚的纯度≥99.5%；各组分在20℃-25℃下搅拌混合，搅拌速度300-500r/min，搅拌时间20—30min，混合后浆料静置脱泡10—15min再使用。

9、进一步的，反应型硅烷疏水浆料的25℃粘度为80-120mpas，与水反应速率为0.6—0.9mol/（lh），每1kg浆料消耗0.9kg—1.1kg水分，生成0.16—0.19m³标准状况下的二氧化碳气体；改性后路基土石的静态接触角≥125°，动态接触角≥115°，毛细水上升高度≤0.25m，路基孔隙率保持≥42%，渗透系数≥1×10—3cm/s，路基土石的吸水率≤2%。

10、进一步的，相邻注浆通道轴向间距60—70mm，周向每90°布设一组，每组4个通道；注浆通道内壁经等离子体硅烷化疏水处理，处理功率1000—1500w，处理时间3—5min，处理后接触角>125°。

11、进一步的，侧部排水沟沿路基一侧坡脚外1.0—1.5m处布设，采用挖掘机机械开挖配合人工修整的分段开挖法，每段开挖长度20—30m，开挖顺序从排水出口向源头推进；开挖深度为路基冻深h+0.8—1.2m，其中h为当地实测最大季节冻深；

12、开挖宽度根据冻深动态调整：当h≤2.0m时，沟宽1.2—1.5m；当2.0m3.0m时，沟宽1.6—1.8m；沟底坡度为3‰-5‰；

13、且侧部排水沟向排水出口方向单向倾斜，沟底平整度误差≤3cm，开挖后沟壁采用坡度1:0.75-1:1的放坡处理，若遇粉质土及黏土层，沟壁铺设土工格栅加筋防护；

14、侧部排水沟内部从下至上依次布设：10cm厚中粗砂垫层、反滤土工布、排水盲管、粗砂石回填层；其中中粗砂垫层的粒径0.5—2.0mm，含泥量<2%，铺设后压实度≥90%；反滤土工布的克重≥400g/m²，断裂强度≥25kn/m，cbr顶破强度≥3.5kn，覆盖沟底及侧壁，上缘高出沟顶50cm，搭接宽度≥100mm，采用双线缝合连接，针距10—15mm；排水盲管采用hdpe双壁波纹管，外径160—200mm，壁厚≥6mm，开孔率≥8%，开孔直径2—3mm，沿沟壁内侧距沟底30cm处固定布设，固定间距1.0—1.2m，采用管卡与沟壁锚钉连接；粗砂石回填层的粒径10—30mm，含泥量<3%，颗粒级配连续，分层回填压实，每层厚度20—30cm，压实度≥93%；

15、沟顶铺设土工格栅，土工格栅的抗拉强度≥80kn/m，断裂伸长率≤10%，网格尺寸20×20mm，土工格栅覆盖范围超出沟边0.5m；土工格栅上方铺设20cm厚种植土，种植土的有机质含量≥5%，ph值6.5-7.5；种植土上种植高羊茅与紫花苜蓿混播草本植物；排水沟外侧距沟边0.3—0.5m处设置c30混凝土截水缘，截水缘高度15—20cm、宽度20—30cm，与沟顶种植土平齐。

16、进一步的，注浆引流管的布设参数为：横向贯穿路基，与排水沟轴线垂直相交，管道间距根据路基孔隙率动态调整：当路基孔隙率n≥40%时，间距2.5—3.0m；当30%≤n<40%时，间距2.0—2.5m；当n<30%时，间距1.5—2.0m；管道深度为h+0.5—1.0m，其中h为当地实测最大季节冻深，且管道深度大于地下水位埋深0.3m以上；管道轴线与水平面夹角≤2°，确保排水坡度与排水沟一致；管道另一端延伸至路基另一侧护坡内0.3—0.5m。

17、本发明提供另一种技术方案：季节冻土区既有公路路基保温隔水防冻胀结构的施工方法包括以下步骤：

18、s1.施工前准备：通过钻探与探地雷达检测，明确路基最大冻深h、地下水位埋深w、土石粒径分布及孔隙率n，确定排水沟开挖参数、注浆引流管布设参数及浆料用量；

19、清理路基两侧坡脚外1.5—2.0m范围内的杂草、松散土体及建筑垃圾，修补路基表面裂缝，宽度≥5mm的裂缝采用硅烷密封胶填充，宽度<5mm的裂缝采用硅烷乳液涂刷封闭；

20、s2.侧部排水沟开挖与铺设：按路基两侧坡脚外1.0—1.5m放线，采用挖掘机机械开挖，人工修整沟底及沟壁，分段开挖每段20—30m，开挖过程中采用坡度尺控制沟壁坡度在1:0.75-1:1之间，遇软土及流沙层时，采用钢板桩临时支护；沟底平整后铺设10cm厚中粗砂垫层，用平板振动器压实至压实度≥90%；铺设反滤土工布，确保覆盖完整、无破损；沿沟壁内侧距沟底30cm处固定排水盲管，管卡间距1.0—1.2m，盲管接口采用热熔焊接；向沟内分层回填粗砂石，每层20—30cm，采用小型振动压路机压实至压实度≥93%，回填至距沟顶0.5m处停止，预留注浆引流管安装空间；

21、s3.注浆引流管安装与检测：采用水平定向钻机从排水沟侧向路基钻孔，钻孔轴线与水平面夹角≤2°，钻孔偏差≤3%，钻孔深度为h+0.5—1.0m；

22、将共挤出一体成型的注浆引流管缓慢插入钻孔，避免碰撞损伤；注浆引流管一端的第二密封端盖与排水盲管法兰连接，注浆引流管另一端连接第一密封端盖；注浆引流管与钻孔间隙采用聚氨酯发泡剂填充密封，外侧包裹土工布防止泥沙渗入；

23、s4.反应型硅烷疏水浆料制备与注入：按权利要求5配方及工艺制备反应型硅烷疏水浆料，制备完成后3h内使用；将注浆设备与注浆引流管的内管密封连接，采用低压慢注工艺：注浆压力0.1-0.2mpa，注浆速度3—5l/min，每注浆5—10min暂停1—2min间歇排气；注浆量按注浆引流管长度每米1.0—1.5l结合孔隙率调整，当n≥40%时注浆量为1.3—1.5l/m，当n<40%时注浆量为1.0—1.3l/m，注浆顺序采用跳孔注浆，相邻孔注浆间隔≥24h；当路基表面出现连续气泡溢出或注浆量达到设计值时，停止注浆；

24、s5.排气养护与侧部排水沟回填：注浆完成后保持内管开口30—60min，排出残余二氧化碳及微量未反应浆料；养护24h，养护期间避免扰动路基，养护结束后连接浆液连通口与排水盲管；继续用粗砂石回填侧部排水沟至沟顶，压实度≥93%；铺设土工格栅，土工格栅覆盖超出沟边0.5m，土工格栅搭接宽度≥100mm，采用间距1.0m的u型钉固定；铺设20cm厚种植土，种植高羊茅与紫花苜蓿混播植物；在排水沟外侧0.3—0.5m处浇筑c30混凝土截水缘，采用模板支护，浇筑后养护7天；

25、s6.质量检测与长期监测：疏水效果检测：在深度0.5—2.0m处钻孔取芯，每20m一个芯样，测试土石接触角、吸水率及孔隙率，确保土石接触角≥125°，吸水率≤2%，孔隙率≥42%，并且芯样孔隙内无固化残留物。

26、本发明的技术效果和优点：

27、1.本发明通过注浆引流管实现疏水、保温和排水的多重功能，注浆引流管内的相变储能材料提供保温功能，有效延缓路基冻结深度和时间；通过注浆形成疏水排水层，将水分从路基中排出；以及注浆引流管本身作为排水通道，可长期排出路基积水，这种一体化设计从根本上减少了路基中的水分含量和冻结深度，显著降低了冻胀危害。

28、2.本发明采用侧部排水沟开挖和水平定向钻孔安装注浆引流管，避免了大规模开挖路基，对既有公路的交通运营干扰小，施工效率高，成本相对较低。

29、3.本发明中的反应型硅烷疏水浆料与路基水分反应生成二氧化碳，利用co2气体压力强制挤出路基积水，确保排水彻底；且反应后无固化板结产物，不堵塞注浆通道及内管，为后期通过该注浆引流管进行浆液补注提供了可能，大大降低了长期的维护成本。