一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构及方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; 未缴年费; |
| 专利有效性 | 失效专利 | 当前状态 | 权利终止 |
| 申请号 | CN202111442000.3 | 申请日 | 2021-11-30 |
| 公开(公告)号 | CN113931159A | 公开(公告)日 | 2022-01-14 |
| 申请人 | 北京师范大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 刘吉夫; 迟小扉; 刁白剑; 王瑞; 朱文泉; 邓志飞; 郭兰兰; 张恺雯; | 第一发明人 | 刘吉夫 |
| 权利人 | 北京师范大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 北京师范大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市海淀区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市海淀区新街口外大街19号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100875 |
| 主IPC国际分类 | E02D3/00 | 所有IPC国际分类 | E02D3/00 ; E02D3/11 ; E02D3/12 |
| 专利引用数量 | 8 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京尚德技研知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 严勇刚; 段泽贤; |
| 摘要 | 本 发明 提出了一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构，包括在冻土区域开挖的沟槽以及在沟槽中形成的墙体，所述沟槽包括相互间隔排列的多个横向沟槽和纵向沟槽，所述多个横向沟槽和纵向沟槽垂直相交形成棋盘状。本发明通过在棋盘状的沟槽中形成墙体，将冻土区域分隔成了相互孤立的 孤岛 结构，墙体伸入到永久冻土的 冰 线下方，当区域内发生局部冻融变化的时候，临近区域的 水 分由于位于冰线上方，无法从墙体下方进入冻融区域，从而可以防止冻融灾害跨越墙体扩展到临近区域。而冻融区域由于缺少 地下水 的补充，整体体积变化的程度受到限制，造成大范围垮塌形成 沼泽 和湖泊的概率大大降低，达到了对冻融灾害进行防治的效果。 | ||
| 权利要求 | 1.一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构，包括在冻土区域开挖的沟槽(100)以及在沟槽(100)中形成的墙体(200)，其特征在于，所述沟槽(100)包括相互间隔排列的多个横向沟槽和纵向沟槽，所述多个横向沟槽和纵向沟槽垂直相交形成棋盘状，所述墙体(200)由包含如下组分的混合物料填充到所述沟槽(100)中并固化而成：石英砂、硅酸镁、聚乙烯亚胺、 |
||
| 说明书全文 | 一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构及方法技术领域[0001] 本发明涉及地质灾害防治相关的技术，尤其涉及一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构及方法。 背景技术[0002] 冻土一般是指温度在零度或以下且含冰的各种岩土和土壤。冻土通常由固相矿物颗粒、固相冰、液相未冻水和空气组成。我国冻土地区集中在青藏高原、新疆和东北大小兴安岭地区。研究表明我国冻土面积近年来存在退化幅度增大和冻土厚度变薄的趋势。 [0003] 冻融灾害是冻土层由于温度变化而产生冻胀和融沉的地质破坏现象。当温度降低，土体中的水结冰，引起冻土体积增大，导致地表出现变形，是为冻胀。冻胀的原因包括土中原有的水结冰体积膨胀；同时也包括土冻结过程中未冻结土中的水迁移并向冻结面富集，水与土形成冰透镜体或冻夹层，使体积膨胀。当温度升高，冻土中的冰融化变成水，体积缩小，因而导致土体出现沉降，是为融沉。 [0004] 随着温度循环变化发生连续冻融，土体因为冻胀使临近区域的水富集到冻胀区域，导致当前冻土体积进一步增大并产生新的损伤，临近区域的水的迁移导致当地含水层出现空洞。当土体中的冰融化时，冻胀严重区域的损伤无法恢复，土体的稳定性愈发破坏，而周边区域在冰融化过程中的体积缩小会使空洞进一步扩展。当冻融区域的土体稳定性破坏达到一定的程度，冻融区域会向临近区域扩展，逐渐引起更大区域的不稳定。随着全球温度的升高，大片多年冻土逐渐转变成季节性冻土，原先稳定的道路、建筑和生活区域逐渐由于冻融的循环破坏而扩展到难以使用的地步。 [0005] 在江苏大学李正东的硕士论文《冻土与群桩基础相互作用实验研究》(2019年)中，介绍冻土的冻胀和融沉对冻土区域的建筑物造成很大的破坏，而利用桩基可以有效地将上部载荷传递到承重层，因而寒区工程多选用桩基作为基础。但是桩基只能解决当前载荷传递区域的稳定性，并不能防止冻融灾害向临近区域的扩展。在连续冻融影响下，冻融区域会逐步发展，大片冻融区域在夏季会形成局部塌陷形成湖泊和沼泽，即便建筑物的桩基部分保持稳定，但是周边区域已经无法通行，人类已经无法在这样的区域生存下去，完好的建筑设施也只能放弃。 发明内容[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构及方法，以减少或避免前面所提到的问题。 [0007] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构，包括在冻土区域开挖的沟槽以及在沟槽中形成的墙体，其中，所述沟槽包括相互间隔排列的多个横向沟槽和纵向沟槽，所述多个横向沟槽和纵向沟槽垂直相交形成棋盘状，所述墙体由包含如下组分的混合物料填充到所述沟槽中并固化而成：石英砂、硅酸镁、聚乙烯亚胺、2‑氰基丙烯酸甲酯、四甲基四乙烯基环四硅氧烷以及三聚氰胺。 [0008] 优选地，所述混合物料中包含的上述组分的含量分别为：石英砂1000‑1500重量份，硅酸镁100‑200重量份，聚乙烯亚胺50‑100重量份；2‑氰基丙烯酸甲酯30‑60重量份，四甲基四乙烯基环四硅氧烷80‑160重量份，三聚氰胺15‑35重量份。 [0009] 优选地，所述沟槽中间隔设置有多个开口朝上的U形管道，所述U形管道所在的平面垂直于所述沟槽的侧壁，多个所述U形管道相互之间通过沿所述沟槽的长度方向延伸的纵向管道连接成管道组。 [0010] 优选地，所述管道组中，各个U形管道的上部焊接有加强网格，加强网格由多个金属杆焊接成网格状，并与U形管道的两个支臂焊接成一体。 [0011] 优选地，所述混合物料填充到所述沟槽中时，所述管道组中灌装有60‑80摄氏度的热水；所述混合物料固化形成所述墙体之后，所述管道组的每个U形管道中均设置有一根热管。 [0012] 本发明还提出了一种用于冻土区域的冻融灾害防治方法，包括如下步骤：在冻土区域开挖沟槽，所述沟槽包括相互间隔排列的多个横向沟槽和纵向沟槽，所述多个横向沟槽和纵向沟槽垂直相交形成棋盘状；在所述沟槽中间隔设置有多个开口朝上的U形管道，所述U形管道所在的平面垂直于所述沟槽的侧壁，多个所述U形管道相互之间通过沿所述沟槽的长度方向延伸的纵向管道连接成管道组；在所述管道组中灌装热水并保持水温为60‑80摄氏度，同时在所述沟槽中填充包含如下组分的混合物料：石英砂、硅酸镁、聚乙烯亚胺、2‑氰基丙烯酸甲酯、四甲基四乙烯基环四硅氧烷以及三聚氰胺；所述混合物料在所述沟槽中固化形成墙体之后，将灌装在管道组中的热水抽出，之后在所述管道组的每个U形管道中均设置一根热管。 [0013] 优选地，所述混合物料中包含的上述组分的含量分别为：石英砂1000‑1500重量份，硅酸镁100‑200重量份，聚乙烯亚胺50‑100重量份；2‑氰基丙烯酸甲酯30‑60重量份，四甲基四乙烯基环四硅氧烷80‑160重量份，三聚氰胺15‑35重量份。 [0014] 优选地，所述混合物料的制备包括如下步骤：将反应釜中加入80‑160重量份的四甲基四乙烯基环四硅氧烷和15‑35重量份的三聚氰胺，搅拌25‑30分钟，搅拌速度300‑500rpm；向反应釜中加入30‑60重量份的2‑氰基丙烯酸甲酯，搅拌30‑60分钟制成备用料并装罐，搅拌速度1000‑1500rpm；在施工现场，开启搅拌罐，保持搅拌速度为10‑15rpm，在搅拌罐中加入前述备用料，然后依次将100‑200重量份的硅酸镁、50‑100重量份的聚乙烯亚胺以及1000‑1500重量份的石英砂加入搅拌罐中；搅拌罐至少搅拌30分钟之后，获得可用于向所述沟槽中填充的混合物料。 [0015] 优选地，在所述沟槽中安装所述管道组的时候，使纵向管道的一端保持倾斜向下，将热水从管道组中抽出的时候，通过位于纵向管道的最下端的一个U形管道的开口抽取热水。 [0016] 本发明通过在棋盘状的沟槽中形成墙体，将冻土区域分隔成了相互孤立的孤岛结构，墙体伸入到永久冻土的冰线下方，当区域内发生局部冻融变化的时候，临近区域的水分由于位于冰线上方，无法从墙体下方进入冻融区域，从而可以防止冻融灾害跨越墙体扩展到临近区域。而冻融区域由于缺少地下水的补充，整体体积变化的程度受到限制，造成大范围垮塌形成沼泽和湖泊的概率大大降低，达到了对冻融灾害进行防治的效果。附图说明 [0017] 以下附图仅旨在于对本申请做示意性说明和解释，并不限定本申请的范围。 [0018] 其中，图1显示的是根据本申请的一个具体实施例的一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构的分解状态示意图。 [0019] 图2显示的是根据本申请的一个具体实施例的一种可用于本申请的冻融灾害防治结构的管道组的结构示意图。 [0020] 图3显示的是根据本申请的另一个具体实施例的管道组安装在沟槽中的示意图。 具体实施方式[0021] 为了对本申请的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本申请的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。 [0022] 鉴于冻土灾害对区域内的建筑、道路的危害，本申请提出了一种用于冻土区域的冻融灾害防治结构及方法，如图1‑3所示，本申请的用于冻土区域的冻融灾害防治结构，包括在冻土区域开挖的沟槽100以及在沟槽100中形成的墙体200，其中，所述沟槽100包括相互间隔排列的多个横向沟槽和纵向沟槽，所述多个横向沟槽和纵向沟槽垂直相交形成棋盘状。图1为了便于显示清楚易于理解，将墙体200作为独立的部件进行了分解显示，实际状态下，墙体200是与沟槽100完整形成为一体的结构。 [0023] 墙体200是由均匀混合的混合物料填充到沟槽100中并固化形成的，后面将对此进一步详细说明。 [0024] 本发明通过在棋盘状的沟槽中形成墙体，将冻土区域分隔成了相互孤立的孤岛结构，墙体伸入到永久冻土的冰线下方，当区域内发生局部冻融变化的时候，临近区域的水分由于位于冰线上方，无法从墙体下方进入冻融区域，从而可以防止冻融灾害跨越墙体扩展到临近区域。而冻融区域由于缺少地下水的补充，整体体积变化的程度受到限制，造成大范围垮塌形成沼泽和湖泊的概率大大降低，达到了对冻融灾害进行防治的效果。 [0026] 在本申请的一个具体实施例中，本申请可以在填充混合物料之前，先在沟槽100中间隔设置有多个开口朝上的U形管道300，如图2所示，所述U形管道300所在的平面垂直于沟槽100的侧壁，多个U形管道300相互之间通过沿沟槽100的长度方向延伸的纵向管道310连接成管道组400。设置在沟槽100中的管道组400可以固化在墙体100中对墙体100的结构进行加强。图2为了显示清楚，斜下方的U形管道300进行了剖视显示，以便于显示出管道内部的空腔结构。 [0027] 在图示具体实施例中，所述连接成一体的管道组400中，各个U形管道300的上部还焊接有加强网格330，加强网格330由多个金属杆焊接成网格状，并与U形管道300的两个支臂焊接成一体。加强网格330一方面对管道组400进行了结构加强，另一方面可以在管道组400向沟槽100中设置的时候，通过在加强网格300的下方穿设支撑杆340(参见图3)将管道组400定位在沟槽100的适当高度上。 [0028] 在图1所示示意图中，显示出了两组不同状态的管道组400，其中一组的朝向适于安装在横向沟槽中，另一组的朝向适于安装在纵向沟槽中。本领域技术人员应当理解，图1显示两组不同状态的管道组400，其用意在于说明，实际使用的时候，每一段横向沟槽和纵向沟槽中均安装有一组管道组400，并不仅仅是图示的两组管道组。 [0029] 在沟槽100中设置了管道组400之后，可以将现场配制的混合物料填充到沟槽100中。这些混合物料是具备一定流动性的固液两相混合物料，可以将沟槽100中的空间全部填满，同时将沟槽100中设置的管道组400也包裹填埋在其中。混合物料固化之后，管道组400一并固化在了墙体200内部，这些管道组400固化在墙体200的内部，可以作为金属骨架增加墙体200的强度。优选的，管道组400为经过耐腐蚀处理的金属管道，例如可以为镀锌钢管、不锈钢管、铝合金管等等。再次强调，图1所示的分解状态是示意性的表示，实际状态下，管道组400都是固化在墙体200的内部的(仅U形管道300的管口部分向上伸出墙体200之外)，而墙体200也是一体形成在沟槽100中的。 [0030] 进一步地，本申请的墙体200由包含如下组分的混合物料填充到沟槽100中并固化而成：石英砂、硅酸镁、聚乙烯亚胺、2‑氰基丙烯酸甲酯、四甲基四乙烯基环四硅氧烷以及三聚氰胺。具体地，所述混合物料中包含的上述组分的含量分别为：石英砂1000‑1500重量份，硅酸镁100‑200重量份，聚乙烯亚胺50‑100重量份；2‑氰基丙烯酸甲酯30‑60重量份，四甲基四乙烯基环四硅氧烷80‑160重量份，三聚氰胺15‑35重量份。 [0031] 下面分别以不同的重量份组合，分别给出了本发明的混合物料的例1‑5以及作为对比的例6‑8。 [0032] [0033] 下面参照附图进一步说明本申请的用于冻土区域的冻融灾害防治方法的施工操作步骤。 [0034] 在一个具体实施例中，本申请的用于冻土区域的冻融灾害防治方法包括如下步骤： [0035] 首先，在冻土区域开挖沟槽100。如前所述，所述沟槽100包括相互间隔排列的多个横向沟槽和纵向沟槽，所述多个横向沟槽和纵向沟槽垂直相交形成棋盘状。开挖的沟槽100的深度需要伸入到冰线下方，优选低于冰线下方1米左右。沟槽100的宽度优选400‑800毫米。深度和宽度太大会增加太多成本。 [0036] 之后，在沟槽100中设置管道组400，管道组400的尺寸与沟槽相适应。同样如前所述，在沟槽100中间隔设置多个开口朝上的U形管道300，所述U形管道300所在的平面垂直于所述沟槽100的侧壁，多个所述U形管道300相互之间通过沿所述沟槽100的长度方向延伸的纵向管道310连接成所述管道组400。在将管道组400放入沟槽100之后，可以在前述的在加强网格300的下方穿设支撑杆340，支撑杆340的两端插入到沟槽的沟壁中，以将整个管道组400定位在沟槽100的适当高度上。管道组400优选悬空定位在沟槽100中，仅有U形管道300的开口超出沟槽100上方。 [0037] 然后，在所述管道组400中灌装热水并保持水温为60‑80摄氏度，同时在所述沟槽100中填充包含如下组分的混合物料：石英砂、硅酸镁、聚乙烯亚胺、2‑氰基丙烯酸甲酯、四甲基四乙烯基环四硅氧烷以及三聚氰胺。 [0038] 灌装热水的目的在于对混合物料进行保温加热，以利于混合物料固化形成足够强度的墙体100。管道组400的编组长度不宜太长，以适合公路运输为准。热水通过外部供水装置(图中未示出)通过U形管道300的开口向管道组400中循环灌装，外部供水装置具备加热结构，可以保证管道组400中的温度保持在设定的温度范围内。根据管道组的容积，可以一次对多组管道组同时灌水，在保温的同时向沟槽100中填充混合物料。保温时间需保持60分钟以上，以利于高分子成分快速固化，温度太低或者时间不够，有可能部分高分子成分会在重力作用下堆积到沟槽100的底部，导致墙体的上部疏松。 [0039] 如前所述，所述混合物料的组分的各重量份可以采用前述表格中的例1‑5的配比，同时配制例6‑8的混合物料作对比测试。 [0040] 最后，所述混合物料在沟槽100中固化形成墙体200之后，将灌装在管道组400中的热水抽出，之后在所述管道组400的每个U形管道300中均设置一根热管320。如图3所示，其中示意性显示了两个热管320，其中一个热管320进行了分解显示，另一个热管320显示为安装到U形管道300中。为了便于将管道组400中的热水完全抽出，优选在沟槽100中安装管道组400的时候，使纵向管道310的一端保持倾斜向下，因而将热水从管道组400中抽出的时候，可以通过位于纵向管道310的最下端的一个U形管道300的开口抽取热水，因为管道组400中的水汇集的最低点位于最下端的U形管道300的位置。 [0041] 设置热管320的目的在于对固化后的墙体进行持续的低温保护，在局部发生冻融的时候，热量到达墙体100之后可以通过热管320的降温作用，进一步避免了对临近区域的温度影响。其中，有关在冻土区域设置热管降温是本领域惯常采用的技术手段，本领域技术人员可以购买商用的热管装配到U型管道中，也可以根据U型管道的尺寸，通过厂家定制符合结构要求的热管。当然，采用现有技术的热管，并不意味着将其安装在本发明的管道组中是显而易见的，因为本申请中的管道组具备结构加强、加热混合物料加速固化以及对墙体降温的三重作用，同一个部件具备三重功能对本领域来说是非显而易见的。 [0042] 进一步地，所述混合物料的制备包括如下步骤：首先，将反应釜中加入80‑160重量份的四甲基四乙烯基环四硅氧烷和15‑35重量份的三聚氰胺，首次搅拌25‑30分钟，首次搅拌速度300‑500rpm。之后，向反应釜中加入30‑60重量份的2‑氰基丙烯酸甲酯，二次搅拌30‑60分钟制成备用料并装罐，二次搅拌速度1000‑1500rpm。然后，在施工现场，开启搅拌罐，保持三次搅拌速度为10‑15rpm，在搅拌罐中加入前述备用料，然后依次将100‑200重量份的硅酸镁、50‑100重量份的聚乙烯亚胺以及1000‑1500重量份的石英砂加入搅拌罐中。最后，搅拌罐至少搅拌30分钟之后，获得可用于向所述沟槽100中填充的混合物料。 [0043] 下表以前述例1‑5的重量份组合，分别给出制备方法的具体实施例1‑5。 [0044] 另外，采用前述例6‑8的组分配比，分别采用实施例1、实施例3以及实施例5同样的工作条件，制备对比例6‑8的混合物料并固化形成墙体样品试件。 [0045] 通过本申请的实施例1‑5制备的混合物料，填充到沟槽100中固化获得的墙体200具有高强度和高韧性。由于混合填料完全不含水，其有机物高分子成分在加热固化的情况下具备良好的膨胀性和流动性，可以避免内部孔隙，外部水分难以进入孔隙中，且即便少量水分进入墙体200的内部，由于本申请的墙体的高分子化学成分具备很好的弹性，可以通过弹性变形避免水结冰时对墙体100的破坏。混合物料中的石英砂的耐候性好，对温度不敏感。2‑氰基丙烯酸甲酯的粘接性强，添加三聚氰胺可以调节2‑氰基丙烯酸甲酯的挥发速度，二者加入聚乙烯亚胺可以形成强大的粘接合力，可以将石英砂粘结成低空隙的固体状态。四甲基四乙烯基环四硅氧烷用于与石英砂、硅酸镁中的硅成分形成良好的亲和力，避免物料团聚，粉末状硅酸镁粒度低于石英砂，可有效填充空隙，无需将石英砂制备成较低的粒度，可以降低物料成本。 [0046] 下面通过具体测试，测试由实施例1‑5和对比例6‑8制备的墙体的参数。测试结果参见下表。测试墙体样品尺寸为边长50厘米的立方体块。 [0047] 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 重量份组合 例1 例2 例3 例4 例5 测试温度℃ ‑20 ‑15 ‑26 ‑40 ‑30 抗压强度MPa 167 186 176 180 169 拉伸模量GPa 3.5 4.0 3.8 3.2 4.5 抗拉强度MPa 75 76 80 77 85 吸水率％ 0.05 0.03 0.02 0.04 0.01 [0048] 对比例6 对比例7 对比例8重量份组合 例6 例7 例8 测试温度℃ ‑20 ‑26 ‑30 抗压强度MPa 23 30 15 拉伸模量GPa 0.2 1.5 0.8 抗拉强度MPa 38 52 41 吸水率％ 1.5 2.6 3.5 [0050] 本发明的高分子化合物与石英砂、硅酸镁等无机材料固化而成的复合材料的墙体具备良好的强度，可以取代混凝土作为建筑材料，在棋盘状的墙体上方可以支撑建造建筑物、道路等。例如，可以在横向沟槽和纵向沟槽的交接位置，挖掘更深的坑洞，混合物料可以填充这些坑洞，固化后形成伸入冻土底部的承重柱，这些承重柱相互之间通过墙体连接为一体，整体承重和抗下陷的能力大大加强。通过本发明的混合物料，在获得了冻融灾害的防治能力的情况下，还可以进一步作为建筑和道路基础，改善和提高了冻融区域的生存和生活环境。 [0051] 本领域技术人员应当理解，虽然本申请是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本申请的保护范围。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈