一种针对高温冻土的原位化学改良方法

1.本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种针对高温冻土的原位化学改良方法。


背景技术：

2.在多年冻土区，高温－高含冰量冻土具有环境敏感性高、力学强度低、可压缩性大、融沉性强等特点，路基下伏的高温-高含冰量冻土直接导致了路基不均匀沉降等病害的发生，路基病害可产生各种路面病害，这严重影响着道路工程的运营稳定性，同时增加了后期的维护和治理成本，在青藏高原多年冻土区，为了解决因高温-高含冰量冻土而产生的病害问题，青藏公路常常采用整治重修、小规模的路基路面修整来解决上述问题，重修后提高了路堤高度，青藏铁路在修筑过程中，采用了“主动冷却”路基的设计思路，在已有的增加路堤高度基础上，通过调控传热、辐射、对流来改变路基传热过程，采用了包括块碎石护坡/路基、通风管路基、热管路基、保温板路基以及复合路基等特殊路基结构，上述特殊路基措施对多年冻土起到了很好的保护作用，并有效地降低了冻土温度，减小了路基沉降，改善了路基稳定性，随着工程的长期运营和全球气温的继续升高，高温－高含冰量冻土区的路段将继续产生跟融沉相关的工程病害，这时，上述工程措施便存在一定的局限性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种针对高温冻土的原位化学改良方法，以解决上述的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种针对高温冻土的原位化学改良方法，具体步骤如下：
5.步骤一、主剂选择：
6.检测工程冻土温度和工程冻土含冰量：当冻土温度-1～-0.5℃，冻土体积含冰量20％～40％时，选用主剂为：水泥掺量10％～15％或低聚物掺量5％～10％；
7.当冻土温度＞-0.5℃，冻土体积含冰量＞40％时，选用主剂为：水泥掺量15％～20％或低聚物掺量10％～15％；
8.步骤二、搅拌类型选择：既有工程选择深层搅拌和或注浆；拟建工程选择深层搅拌；
9.步骤三、添加剂选择：所述添加剂为含有活性二氧化硅的矿物或早强剂、防冻剂、土壤固化剂；且当为深层搅拌时，添加剂选择粉末剂型，当为注浆搅拌时，添加剂选择液体剂型。
10.优选的，主剂的掺量计算方式为：主剂质量/改良区土体质量，添加剂掺量计算方式为：添加剂质量
÷
主剂质量。
11.优选的，步骤三中的含有活性二氧化硅的矿物具体为凹凸棒土、偏高岭土和微硅粉中的一种或几种的组合。
12.优选的，所述步骤二对于拟建工程，主要通过粉喷桩、深层搅拌的形式，将主剂和对应掺量的添加剂充分混合后注入高温－高含冰量冻土中，与之搅拌后进行一定程度的压密；对于既有工程，主要在路基坡脚处，通过侧向倾斜粉喷或深层搅拌的形式将混合好的注剂注入融化夹层或融化核中，并与之搅拌混合。
13.优选的，所述步骤二中的两种粉喷或深层搅拌的钻孔间距保持在2m及以上。
14.本发明的技术效果和优点：通过添加剂的选择和化学改良的方式，提升高温－高含冰量多年冻土的稳定性，对拟建工程的基础进行有效改良，对既有工程的路基沉降进行有效治理。
附图说明
15.图1为本发明不同水灰比条件下无添加剂土样的应力－应变曲线图；
16.图2为本发明不同添加剂3种掺量水平下土样的应力－应变曲线图；
17.图3为本发明不同掺量条件土样的单轴抗压强度图；
18.图4为本发明养护7天后土样含水率变化特征图；
19.图5为本发明冻结融化过程中未冻水随温度(a)和时间(b)的变化特征图；
20.图6为本发明偏高岭土掺量为5.0％时含冰量和早强剂的响应面图；
21.图7为本发明早强剂掺量为0.5％时含冰量和偏高岭土的响应面图；
22.图8为本发明含冰量为60％时偏高岭土和早强剂的响应面图；
23.图9为本发明试验后土样形态图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明提供了如图中所示的一种针对高温冻土的原位化学改良方法，具体步骤如下：
26.步骤一、主剂选择：
27.检测工程冻土温度和工程冻土含冰量：当冻土温度-1～-0.5℃，冻土体积含冰量20％～40％时，选用主剂为：水泥掺量10％～15％或低聚物掺量5％～10％；
28.当冻土温度＞-0.5℃，冻土体积含冰量＞40％时，选用主剂为：水泥掺量15％～20％或低聚物掺量10％～15％；
29.步骤二、搅拌类型选择：既有工程选择深层搅拌和或注浆；拟建工程选择深层搅拌；
30.步骤三、添加剂选择：所述添加剂为含有活性二氧化硅的矿物或早强剂、防冻剂、土壤固化剂；且当为深层搅拌时，添加剂选择粉末剂型，当为注浆搅拌时，添加剂选择液体剂型。
31.具体的，主剂的掺量计算方式为：主剂质量/改良区土体质量，添加剂掺量计算方式为：添加剂质量
÷
主剂质量。
32.具体的，步骤三中的含有活性二氧化硅的矿物具体为凹凸棒土、偏高岭土和微硅粉中的一种或几种的组合。
33.具体的，所述步骤二对于拟建工程，主要通过粉喷桩、深层搅拌的形式，将主剂和对应掺量的添加剂充分混合后注入高温－高含冰量冻土中，与之搅拌后进行一定程度的压密；对于既有工程，主要在路基坡脚处，通过侧向倾斜粉喷或深层搅拌的形式将混合好的注剂注入融化夹层或融化核中，并与之搅拌混合。
34.具体的，所述步骤二中的两种粉喷或深层搅拌的钻孔间距保持在2m及以上。
35.工作原理：
36.一、主剂选择：
37.工程冻土温度检测，通过检测冻土的温度是在-1～-0.5℃区间内还是在＞-0.5℃区间内；
38.工程冻土含冰量检测，检测冻土的含冰量在20％～40％区间内还是在＞40％区间内；
39.在环境温度为
–
1.0℃，加载速率为1.25mm/min，最大轴向应变设为15％，表3所列的所有掺量条件下的土样均按照上述条件进行试验，在含有水泥及添加剂的试样试验之前，为了确定最优水灰比，先进行了只掺有水泥条件下4种水灰比土样的单轴抗压强度试验，水灰比0表示在制样过程中将水泥干粉和土体进行拌合，掺有水泥及添加剂的土样在单轴抗压强度试验过程中的水灰比均为经过前期试验确定出的最优水灰比0.5；
40.土样经过7天养护后，通过快速降温的方式对各种土样中水分的冻结温度进行了测量，土样的总含水率采用烘干法进行测量，即土样放于烘箱中在108℃条件下烘干12h；土样在快速冻结融化过程中的未冻水含量采用时域反射法(tdr)进行测量，将插有水分探头的土样置于冰箱中进行快速冻结，随后将其拿出冰箱在室温条件下进行融化。
41.试验结果分析
42.水灰比对单轴抗压强度的影响
43.不同水灰比在
–
1.0℃条件下对土样单轴抗压强度的影响如图1所示，当水灰比为0时，即制样过程中掺入水泥干粉，此时的抗压强度最低，制样过程中掺有液态水后提高了土样的抗压强度，应力－应变曲线呈现出应变硬化特征，在4种水灰比对应的土样抗压强度中，水灰比为0.5时抗压强度最大，水灰比为0.6和0.8时的抗压强度低于0.5，由此可见，水灰比过低或过高都不利于土样抗压强度的提高，水灰比过低时，可用于参加水化反应的水分过少，水化反应过程更缓慢，水灰比过高时，参加水化反应后会有部分水分残留，残留的水分会降低土样的抗压强度，因此，在接下来的试验中，土样的水灰比均控制在0.5，加上干土中的天然含水率，整个土样的总含水率为33.3％。
44.添加剂对单轴抗压强度的影响
45.三种掺量水平下的各土样试验后应力－应变曲线如图2所示，所有土样水灰比为0.5，为了直观地对比每种添加剂在每种掺量条件下的改良效果，每幅图中均包含了无水泥及添加剂的土样和只含有15％水泥的土样的应力－应变曲线，根据三种掺量条件下的应力－应变曲线，10种添加剂可分为两种：提高抗压强度的添加剂和降低抗压强度的添加剂，在第二种掺量下有5种添加剂增加了土样的单轴抗压强度，即凹凸棒土、微硅粉、偏高岭土、纳米二氧化硅、早强剂，除了纳米二氧化硅和凹凸棒土在第3种掺量等级下的应力－应变曲
线外，其余曲线均呈现应变－硬化的特征，相比于无水泥及添加剂的土样，水泥及添加剂的掺入增大了土样的弹性模量，整个应变曲线无峰值。
46.硅酸钠、木质素磺酸钠、氢氧化钠、高吸水树脂、环氧树脂的掺入降低了土样的单轴抗压强度和弹性模量，前4种添加剂即使在土样中有水泥掺入时，跟只掺有水泥的土样相比，不但没有提高土样的抗压强度，反而降低了抗压强度，甚至在试验前，掺有4％高吸水树脂、4％和6％硅酸钠的土样在养护后变得松软，不能成型，因此没有对这些土样进行单轴试验。
47.归纳了每种添加剂在不同掺量水平下的单轴抗压强度如图3所示，相比于无水泥及添加剂的土样，只掺有15％水泥的土样将土样的抗压强度从改良前的0.65mpa提高到了1.2mpa，而掺有15％水性环氧树脂的土样的抗压强度仅为0.39mpa，说明水性环氧树脂在改良土样的抗压强度方面明显不如水泥，在第二种掺量水平条件下，相比于只掺有15％水泥的土样，5种有效添加剂将土样的抗压强度提高到了一个峰值，其中，纳米二氧化硅的改良效果稍弱，试验后掺有无效添加剂土样的形态如图6所示，由图可知，5种无效添加剂的掺入一方面使得土样中的冰骨架发生融化，一方面降低了土颗粒之间的粘合性，使得整个土样的抗压强度降低，在试验后土样局部发生塌落，出现多条裂缝。
48.水分变化特征
49.经过7天养护后，含有不同掺量添加剂的土样的总含水率如图4所示，只掺有15％水泥的土样在经历养护后，由于土样中的水化反应消耗了一大部分未冻水，因此土样的总含水率从33.3％降低到了30.2％，不同种类和掺量的添加剂对土样总含水率的改变有着较大区别，凹凸棒土、偏高岭土、早强剂在第二种掺量水平下将土样中的总含水率从33.3％降低至最小，分别为26.7％、27.1％、28.0％；在含有纳米二氧化硅、氢氧化钠、硅酸钠和木质素磺酸钠的土样中，随着添加剂掺量的增加，总含水率线性增大；高吸水树脂的吸水过程是物理过程，在烘干过程中，被吸收的水分将全部蒸发，因此，掺有高吸水树脂土样的总含水率并未列于图4中。
50.水泥及添加剂在改变土样总含水率的同时，影响着土样在冻结融化过程中未冻水含量的变化，在提高抗压强度的5种添加剂中，凹凸棒土、偏高岭土、纳米二氧化硅、微硅粉的主要化学成分为二氧化硅，因此选取偏高岭土和早强剂两种添加剂为例来分析添加剂对土样中水分的冻结温度和未冻水含量的影响，在第二种掺量水平条件下，土样中水分的冻结温度如表4所示，由于水泥及添加剂的掺入，降低了土样中水分的冻结温度，在
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1.0℃的试验温度下，掺有早强剂、氢氧化钠、硅酸钠、木质素磺酸钠的土样中的冰已经融化。
51.掺有早强剂和偏高岭土的土样在快速冻结融化过程中未冻水的变化如图5所示，与无水泥及添加剂的土样相比，水泥及添加剂的掺入提高了土样中的未冻水含量；与只掺有水泥的土样相比，添加剂的掺入更进一步提高了土样中的未冻水含量，在第二种掺量水平下，含有早强剂的土样中未冻水含量高于含有偏高岭土的土样，且同一土样在冻结过程中的未冻水含量略高于融化过程，这也说明改良后土样的未冻水含量在冻融过程中具有“滞后效应”。
52.添加剂最优掺量确定
53.添加剂的掺入提高了水泥的性能，更进一步提高了土样的抗压强度，因此可通过混合添加不同的有效添加剂来获得最好的改良效果，采用rsm来获取所选添加剂的最优掺
量，在试验中所获得的能有效提高土样抗压强度的添加剂中，除早强剂外，其余添加剂即凹凸棒土、偏高岭土、纳米二氧化硅、微硅粉的改良机理相同，均增加了养护过程中的水化产物的数量，因此，基于经济性因素，本章选取偏高岭土和早强剂设计掺量，再混合掺入土样进行试验，获取了不同含冰量和不同添加剂掺量条件下土样的单轴抗压强度，设抗压强度为响应值，试验设计方法为box-behnken法，掺量设计结果如表5所示，每个土样中水泥掺量均为15％，试验温度为
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1.0℃。
54.根据rsm计算出了在
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1.0℃条件下所选添加剂的最优掺量：当水泥掺量为15％时，2.0％的偏高岭土和0.49％的早强剂的掺入能够将20％含冰量的土样的单轴抗压强度从0.65mpa最大提高到1.4mpa；8.0％的偏高岭土和0.62％的早强剂的掺入能够将90％含冰量的土样的单轴抗压强度从0.51％mpa最大提高到1.2mpa，由此可知，当土体中含冰量从20％到90％且水泥掺量为15％时，凹凸棒土或偏高岭土或微硅粉的掺量保持在2％～8％之间，早强剂掺量保持在0.49％～0.62％之间，此时的改良效果最好。
55.含冰量和早强剂的响应面如图6，由图可知，当偏高岭土掺量为5.0％时，给定含冰量条件下，随着早强剂掺量的增加，抗压强度呈先增大再减小的特征，说明早强剂掺量过低或过高都不利于抗压强度的提高；给定早强剂掺量条件下，随着含冰量的增加，抗压强度呈先减小再增大的特征，说明在其他条件一定，当含冰量处于60％左右时，土样的单轴抗压强度最低，含冰量和偏高岭土的响应面如图7所示，由图可知，当早强剂掺量为0.5％时，给定含冰量条件下，随着偏高岭土掺量的增加，抗压强度呈先减小再增大的特征，说明有早强剂的土样中，早强剂对土样抗压强度的提高起主导作用；给定偏高岭土掺量条件下，随着含冰量的增加，抗压强度的变化特征与图6类似，说明含冰量较低时，冰的所占比例较小，整个土体以水泥和土的胶结强度为主，此时抗压强度较高，而含冰量较高时，冰所占体积较大，整个土样以冰的强度为主，此时抗压强度也比较高，偏高岭土和早强剂的响应面如图8所示，当含冰量一定时，随着偏高岭土和早强剂掺量的增大，土样抗压强度的变化规律与图6和图7类似；
56.综上实验可得出：
57.当冻土温度-1～-0.5℃，冻土体积含冰量20％～40％时，选用主剂：水泥(掺量10％～15％)或低聚物(掺量5％～10％)；
58.当冻土温度＞-0.5℃，冻土体积含冰量＞40％时，选用主剂：水泥(掺量15％～20％)或低聚物(掺量10％～15％)；
59.二、搅拌类型选择：
60.既有工程选择深层搅拌和或注浆，拟建工程选择深层搅拌
61.三、添加剂选择：
62.深层搅拌选择粉末，注浆选择液体，具体如表1所示：
[0063][0064]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种针对高温冻土的原位化学改良方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、主剂选择：检测工程冻土温度和工程冻土含冰量：当冻土温度-1～-0.5℃，冻土体积含冰量20％～40％时，选用主剂为：水泥掺量10％～15％或低聚物掺量5％～10％；当冻土温度＞-0.5℃，冻土体积含冰量＞40％时，选用主剂为：水泥掺量15％～20％或低聚物掺量10％～15％；步骤二、搅拌类型选择：既有工程选择深层搅拌和或注浆；拟建工程选择深层搅拌；步骤三、添加剂选择：所述添加剂为含有活性二氧化硅的矿物或早强剂、防冻剂、土壤固化剂；且当为深层搅拌时，添加剂选择粉末剂型，当为注浆搅拌时，添加剂选择液体剂型。2.根据权利要求1所述的一种针对高温冻土的原位化学改良方法，其特征在于：主剂的掺量计算方式为：主剂质量/改良区土体质量，添加剂掺量计算方式为：添加剂质量
÷
主剂质量。3.根据权利要求1所述的一种针对高温冻土的原位化学改良方法，其特征在于：步骤三中的含有活性二氧化硅的矿物具体为凹凸棒土、偏高岭土和微硅粉中的一种或几种的组合。4.根据权利要求1所述的一种针对高温冻土的原位化学改良方法，其特征在于：所述步骤二对于拟建工程，主要通过粉喷桩、深层搅拌的形式，将主剂和对应掺量的添加剂充分混合后注入高温－高含冰量冻土中，与之搅拌后进行一定程度的压密；对于既有工程，主要在路基坡脚处，通过侧向倾斜粉喷或深层搅拌的形式将混合好的注剂注入融化夹层或融化核中，并与之搅拌混合。5.根据权利要求3所述的一种针对高温冻土的原位化学改良方法，其特征在于：所述步骤二中的两种粉喷或深层搅拌的钻孔间距保持在2m及以上。

技术总结
本发明公开了一种针对高温冻土的原位化学改良方法，通过检测工程冻土温度和工程冻土含冰量，然后既有工程选择深层搅拌和或注浆；拟建工程选择深层搅拌，所述添加剂为含有活性二氧化硅的矿物或早强剂、防冻剂、土壤固化剂；且当为深层搅拌时，添加剂选择粉末剂型，当为注浆搅拌时，添加剂选择液体剂型可以通过添加剂的选择和化学改良的方式，提升高温－高含冰量多年冻土的稳定性，对拟建工程的基础进行有效改良，对既有工程的路基沉降进行有效治理。对既有工程的路基沉降进行有效治理。对既有工程的路基沉降进行有效治理。


技术研发人员：柴明堂 宋岩 郭子龙 姚常杰
受保护的技术使用者：宁夏大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/20