一种抑制地下结构空腔冻胀的混合柔性碎石填充方法

1.本发明涉及地下结构耐久性防护技术领域，尤其涉及一种抑制地下结构空腔冻胀的混合柔性碎石填充方法。


背景技术：

2.为消除地下水对实际岩土工程和地质工程的不利影响，许多地下结构设计为空腔结构以实现收集和排出地下水的效果，并且空腔结构通常采用碎石进行填充以保证地下结构具有良好的工作性能。最具代表性的便是近期提出的一系列新型水—力一体化控制支挡结构，此类结构主要有排水抗滑桩(例如：申请号cn201910782855.7《一种具有多区域联合排水功能的抗滑桩结构及其施工方法，》，申请号cn201910782864.6《一种内接半圆形桩环的方形排水抗滑桩结构及其施工方法》，申请号cn201611268913.7《一种具有排水-抗滑作用的半空心桩及施工方法》等)和新型排水挡墙(例如：申请号cn201911059301.0《内嵌碎石柱的透水型重力式挡土墙结构及其施工方法》，申请号cn201911059294.4《一种透水格栅型重力生态挡土墙结构》，申请号cn201910654384.1《一种具有排水作用的扶壁式挡墙及其施工方法》等)，此类结构具有集排水性能出色,结构设计合理、整体性好、自重轻、取材环保和绿色生态等显著优点，应用前景十分广阔。
3.随着世界经济的飞速发展，越来越多的建筑物或基础设施建在冻土区域，例如川藏铁路的建设；同时，在全球变暖的影响下，许多常年冻土已转变为季节性冻土。若将此类具有空腔的地下结构应用于季节性冻土所在地区，空腔内碎石填充材料冰冻前尚可完成集排水作用，但一旦温度降低碎石填充材料发生冰冻将无法继续集排水。由于此类地下结构良好的集排水性能，其碎石填充土体内部含水率较大，冰冻后填充土体内部水将转换为冰，导致填充材料发生十分明显的冻胀现象，此时碎石填充材料产生的较大冻胀力将直接传递至其所在结构，使结构发生开裂甚至破坏，最终导致结构的集排水作用和耐久性受到严重影响。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出一种抑制地下结构空腔冻胀的混合柔性碎石填充方法，此填充方法具有组成成分简易、成本较低、整体性好、可有效减小并吸收冻胀力等显著优势，可有效抑制地下结构空腔内的碎石填充材料发生冻胀，同时抑制空腔所在地下结构发生冻胀破坏。
5.为解决上述问题，本发明拟采用的技术方案如下：
6.一种抑制地下结构空腔冻胀的混合柔性碎石填充方法，其特征在于：该充填方法是选择满足地下结构集排水和防冻胀要求的防冻胀颗粒，将碎石填充材料(1)与防冻胀颗粒(2)进行混合填充，所述防冻胀颗粒(2)和碎石填充材料(1)的粒径范围和级配均一致，防冻胀颗粒(2)表面具有能与碎石填充材料咬合的结构。
7.该填充方法的具体过程是：
8.根据工程地质条件及水文地质条件确定地下结构空腔的集排水能力设计值，基于此集排水能力设计值确定地下结构空腔的相关设计参数，包括空腔截面形状、空腔体积、尺寸、集/排水孔尺寸及布置方案；
9.根据上述确定的地下结构空腔的相关设计参数，在工程场地就近选取适宜空腔填充的碎石材料，同时利用碎石材料制作碎石填充材料样本用于室内土工试验；
10.利用ct扫描确定碎石填充材料样本的颗粒外观特征和孔隙外观特征，确定碎石填充材料样本的粒径范围；利用土工试验确定碎石样本颗粒级配曲线、渗透系数、密度、容重；利用冻胀试验确定饱和状态下碎石填充材料1的冻胀力；
11.依据碎石填充材料样本的颗粒外观特征和孔隙外观特征确定防冻胀颗粒的三维外观特征，使得防冻胀颗粒2与碎石间具有良好咬合力，并且二者能协调受力变形，防冻胀颗粒2的粒径范围、颗粒级配与碎石填充材料样本保持一致，至此确定了防冻胀颗粒的外观和级配；
12.由工程所在地的气候条件、碎石填充材料样本在饱和情况下的冻胀力综合确定地下结构所受冻胀力，将确定好外观和级配的防冻胀颗粒2与碎石填充材料按照不同比例进行混合并制作试验样本，然后确定不同试验样本的混合填充材料的渗透系数和抗冻胀能力；
13.根据所确定的地下结构所受冻胀力和集排水能力设计值判断哪种试验样本能满足地下结构集排水及防冻胀性能要求，确定出满足要求的防冻胀颗粒2与碎石填充材料的混合比例，再根据地下结构空腔体积计算两类材料的实际填充质量，进行地下结构空腔的填充。
14.所述地下结构所受冻胀力应小于地下结构的混凝土发生冻胀破坏所受冻胀。
15.所述防冻胀颗粒(2)为单一橡胶材料(201)制成，或为橡胶材料(201)与泡沫材料(202)制成；防冻胀颗粒(2)外部为橡胶材料，内部为空心、实心或泡沫材料；防冻胀颗粒(2)所用橡胶材料201具有一定强度和伸缩性，并且不易开裂；泡沫材料(202)为高密度泡沫材料。
16.所述能与碎石填充材料咬合的结构为凸起的肋条，凸起的肋条均匀分布于防冻胀颗粒外表面；每个防冻胀颗粒上肋条个数不小于四条；肋条高度h和肋条宽度b宜为颗粒外径d2的1/10-1/8，肋条高度和肋条宽度的比值宜为1:1。
17.防冻胀颗粒(2)外形以球体为主，其外形还可根据碎石填充材料(1)的颗粒形状进行调整，使得防冻胀颗粒恰好能够填充在碎石填充材料间的空隙中，并与碎石填充材料进行充分咬合；所述防冻胀颗粒的内径d1与外径d2的比值应不小于1/4。
18.本发明还保护一种地下结构，该地下结构具有集排水空腔，其特征在于，空腔内按照权利要求1-7任一所述的填充方法进行混合填料。所述地下结构空腔内可同时填充碎石、细砂层或中粗砂层，三者在填充时均按照上述的填充方法和相应的防冻胀颗粒进行混合填充。
19.进一步，防冻胀颗粒主要由单一橡胶材料或橡胶材料与泡沫材料组合而成。防冻胀颗粒外形以球体为主，可根据填充材料颗粒形状进行灵活设计。防冻胀颗粒可与碎石填充材料协调受力与变形，吸收填充土体的冻胀力，起到保温和阻碍负温传递的作用。
20.进一步，防冻胀颗粒表面还具有凸起肋条设计，以此提高防冻胀颗粒与碎石填充
材料的咬合力，防止防冻胀颗粒随水流发生颗粒迁移，同时保证防冻胀颗粒与碎石填充材料协调受力与变形。防冻胀颗粒的肋条应沿颗粒水平剖面均匀布置。
21.进一步，防冻胀颗粒若由单一橡胶材料构成，则其内部应留有空心部位，以此使得防冻胀颗粒具有一定的伸缩性和保温作用；若防冻胀颗粒由橡胶材料和泡沫材料组合而成，则其内部应填充泡沫材料，外部包裹橡胶材料，以此达到相同的作用。
22.进一步，防冻胀颗粒的外部尺寸大小应小于碎石的最大粒径并大于碎石的最小粒径，以此保证填充土体的集排水性能不受影响，同时也可保证防冻胀颗粒如填充土体协调受力和变形，使得防冻胀颗粒尽可能的吸收冻胀力。防冻胀颗粒的不均匀系数和曲率系数应与碎石填充材料保持一致。若碎石填充土体粒径较小，则防冻胀颗粒可设计为实心颗粒。防冻胀颗粒与碎石填充材料的配比应根据碎石填充材料既有冻胀力和地下结构集排水性能综合设计，并且二者应混合均匀。
23.进一步，防冻胀颗粒所需橡胶材料可来自废旧轮胎等橡胶制品二次加工而成；防冻胀颗粒所需泡沫材料可由废旧泡沫制品二次加工而成。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
25.本发明填充方法主要针对具有碎石填充的、具有空腔的、具有集排水功能的地下结构所进行的防冻胀混合填充方法，但此类地下结构空腔内若填充其他类型土体(如细砂层、中粗砂层等)同样适用。在不影响此类地下结构既有设计和功能的前提下，依据设计方法将碎石与防冻胀颗粒进行混合填充；防冻胀颗粒外形进行创造性设计，可与碎石颗粒实现良好的咬合作用，保证其与碎石颗粒协调受力变形并有效吸收冻胀力；防冻胀颗粒的内部结构设计(内部为空心或填充泡沫材料)保证空腔填充材料具有良好的隔绝负温和保温作用，从源头上减小冻胀力。
26.本发明中防冻胀颗粒由具有柔性、不易开裂的材料制成的具有能与碎石填充材料咬合的材料，防冻胀颗粒的粒径级配与空腔所填充的碎石填充材料的级配一致，防冻胀颗粒的粒径在较宽的范围内变化，能够适应碎石填充体系，具有良好的抗变形能力和咬合能力。防冻胀颗粒外形以橡胶球体为主，其表面还设计有凸起肋条，同时其内部为空心或填充泡沫；因此防冻胀颗粒可以具有良好的柔性、变形能力以及咬合能力，可有效吸收碎石材料内部冻胀力，与碎石填充材料协调受力与变形。
27.本发明混合填充材料具有良好的整体性、柔性和防冻胀效果；其取材方便，造价低廉，施工简单易行，便于推广，不影响地下结构的集排水性能。
附图说明：
28.图1为本发明填充方法主要流程图；
29.图2为本发明填充方法中防冻胀颗粒与碎石填充材料填充的形式的示意图；
30.图3为本发明一种实施例的防冻胀颗粒的三维结构示意图；
31.图4为本发明图3中防冻胀颗粒为单一橡胶材料制成的空心结构的a-a剖面结构示意图；
32.图5为本发明图3中防冻胀颗粒为橡胶与泡沫制成时的a-a剖面结构示意图；
33.图中：1、碎石填充材料，2、防冻胀颗粒，201、橡胶材料，202、泡沫材料。
具体实施方式：
34.下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本技术保护范围的限定。
35.一种抑制地下结构空腔冻胀的混合柔性碎石填充方法，所述充填方法主要将碎石填充材料和防冻胀颗粒进行混合填充，参见图1-5。本发明所针对的地下结构常位于富水土体内，其空腔填充内含水率较大甚至长期出于饱和状态，空腔填充内所产生冻胀力较大，采用常规的防冻胀设计无法有效防止地下空腔结构的冻胀并保证其耐久性。
36.参见图1，在碎石填充材料1与防冻胀颗粒2混合前，应首先根据工程地质条件及水文地质条件确定地下结构空腔的集排水能力设计值，基于此集排水能力设计值确定地下结构空腔的相关设计参数，包括空腔截面形状、尺寸、集/排水孔尺寸及布置方案等；
37.然后根据地下结构空腔的相关设计参数，在工程场地就近选取适宜空腔填充的碎石材料，同时利用碎石材料制作碎石填充材料1样本用于后续室内土工试验；
38.利用ct扫描确定碎石填充材料1样本的颗粒外观特征和孔隙外观特征；利用常规土工试验确定碎石样本颗粒级配曲线、渗透系数、密度、容重等；利用冻胀试验确定饱和状态下碎石填充材料1的冻胀力，为计算地下结构所受冻胀力提供依据；
39.依据碎石填充材料1样本的颗粒和孔隙外观特征设计防冻胀颗粒的三维外观特征，防冻胀颗粒2粒径范围、颗粒级配与碎石填充材料1样本保持一致以保证防冻胀颗粒2与碎石间具有良好咬合力，充分发挥防冻胀颗粒2的柔性特征，使得防冻胀颗粒2与碎石填充材料1协调受力变形，从而可有效吸收冻胀力，保证地下结构耐久性，至此确定了防冻胀颗粒的外观和级配。
40.将确定好外观和级配的防冻胀颗粒2与碎石填充材料1颗粒按照一定比例进行混合并制作试验样本，通过实验分析、计算确定混合填充材料的渗透系数、抗冻胀能力，若满足地下结构集排水及防冻胀性能，则根据地下结构空腔体积计算两类材料的实际填充质量，最终完成地下结构空腔的填充；若不满足，则应重新调整碎石填充材料1与防冻胀颗粒2的配比，再次进行相关实验分析、计算，直至其渗透系数、抗冻胀能力满足地下结构空腔的集排水及地下结构防冻胀设计要求。
41.地下结构空腔的集排水设计要求是指：空腔可充分收集坡体内部地下水，并且空腔内所集地下水可全部排出至坡体外，达到集排水能力设计值；地下结构防冻胀设计要求：地下结构所受冻胀力应小于混凝土发生冻胀破坏所受冻胀力，其中地下结构所受冻胀力是由工程所在地的气候条件、碎石填充材料样本在饱和情况下的冻胀力综合确定的。
42.上述中涉及的集排水设计值、冻胀力、渗透系数等的计算均可通过现有技术实现，为本领域公知技术。
43.参见图4-5，防冻胀颗粒2主要由单一橡胶材料201或橡胶材料201与泡沫材料202组合而成。防冻胀颗粒2外形以球体为主，其外形还可根据碎石填充材料颗粒形状进行灵活设计。例如：若碎石颗粒较为圆滑，则防冻胀颗粒可依据碎石填充材料1及其孔隙外观特征设计为球体或椭球体；若碎石颗粒棱角较为突出，则防冻胀颗粒可依据碎石填充材料1及其孔隙外观特征设计为多面体或不规则多面体；需要说明的是，本发明主要对球体颗粒进行详细说明，参见图3-5，其余外形颗粒可基于球体颗粒进一步设计，但主要特征(可以采用单一橡胶材料或者由橡胶材料与泡沫材料组合而成，在外表面设置有与碎石填充材料咬合的
结构)应保持一致。
44.参见图2-5，以球体颗粒为例，防冻胀颗粒2表面有凸起肋条设计，肋条均匀分布于颗粒表面。每个颗粒的肋条个数不小于四条；肋条高度h和肋条宽度b宜为防冻胀颗粒外径d2的1/10-1/8，肋条高度和肋条宽度的比值宜为1:1。图3中的凸起肋条沿圆周表面整体布置，关于咬合结构也可以设置为独立的凸起结构，如突刺、齿状、间断的小肋条、或者带有凹槽的肋条等，可以整体布置在防冻胀颗粒外表面，也可以零散地阵列式地均匀分布在表面，凸起结构均为柔性弹性材料，在受到外力时能够发生变形，进而能与碎石填充材料进行协调变形。
45.参见图4-5，防冻胀颗粒2若由单一橡胶材料201构成，则其内部应留有空心部位；若防冻胀颗粒2由橡胶材料201和泡沫材料202组合而成，则其内部应填充泡沫材料202，外部包裹橡胶材料201。
46.参见图4-5，防冻胀颗粒2内径d1与外径d2的比值应不小于1/4；防冻胀颗粒2所用橡胶材料201应具有一定强度(强度要求指材料不易发生较大塑性变形具有柔性，具体取值可以根据实际工程需要进行设置)和伸缩性，并且不易开裂，如废旧轮胎等废旧橡胶制品二次加工而成；泡沫材料202优选高密度泡沫材料，所述高密度泡沫材料为硬质聚氨酯泡沫，密度为30kg/m3～110kg/m3。
47.参见图4-5，防冻胀颗粒2的外径d2应小于碎石填充材料的最大粒径并大于碎石填充材料的最小粒径；防冻胀颗粒2的不均匀系数和曲率系数应与碎石填充材料1保持一致。若碎石填充材料1粒径较小，则防冻胀颗粒可设计为实心颗粒即单一橡胶材料构成时不设置空心部位，即防冻胀颗粒为实心。防冻胀颗粒2与碎石填充材料1的配比应根据碎石填充材料1既有冻胀力和地下结构空腔集排水性能综合设计，并且二者应混合均匀。
48.本发明未述及之处适用于现有技术。