現(xiàn)場觀測季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路土層凍脹的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于季節(jié)凍土區(qū)筑路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種現(xiàn)場觀測季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路土層凍脹的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]表層冬季凍結(jié)，夏季全部融化的土(巖)稱為季節(jié)性凍土。我國季節(jié)性凍土主要分布于長江以北各省區(qū)，其面積約占國土面積的53%，并且氣候的溫室效應(yīng)使得寒區(qū)季節(jié)凍土面積正在逐年增大。在世界范圍內(nèi)約有35%的公路、鐵路線路位于季節(jié)凍土地區(qū)，我國位于季節(jié)凍土區(qū)的交通線路約占道路總量的30%。
[0003]寒冷地區(qū)的公路經(jīng)驗表明，在季節(jié)凍土區(qū)，凍脹對公路路面壽命有著嚴重的影響，除了直接引起的路面變形外，另一重要因素在于其對土體強度的弱化而導(dǎo)致道路無法通行。凍脹為凍結(jié)過程中，土體中水分(包括土體孔隙原有水分及外界水分向凍結(jié)鋒面迀移來的水分)凍結(jié)成冰，且以冰晶、冰層、冰透鏡等冰侵入體的形式存在于土體的孔隙中，引起土顆粒間的相對位移，使土體體積產(chǎn)生不同程度的擴張變形現(xiàn)象。凍脹嚴重影響著鐵路軌道的平順，以青藏鐵路西寧至格爾木段為例，根據(jù)2000年的統(tǒng)計，凍起高度大于50mm的嚴重凍害有百余處；在東北地區(qū)，沈陽鐵路局原通遼分局管內(nèi)的鐵路在1984?2000年期間的季節(jié)性凍土病害共有803處，累計長度77.6km。春季季節(jié)性凍土融化，土體強度降低，在列車動應(yīng)力作用下，基床翻漿冒泥，路基下沉。凍脹每年影響時間達2個月之久?？梢哉f，由于凍脹以及由此而產(chǎn)生的其它病害，造成的線路養(yǎng)護維修工作量十分繁重，并對安全行車帶來了嚴重危害。
[0004]基于凍脹對工程的嚴重危害，我國凍脹研宄始于上個世紀50年代末，土體凍脹歷來是季節(jié)性凍土研宄中的重點，研宄土體凍脹的一個重要手段是現(xiàn)場觀測季節(jié)性凍土層的凍脹量，一般是采用光學(xué)儀器觀測。圖1為東北地區(qū)長余高速公路路基凍脹變形觀測圖，設(shè)置高程觀測基點，在半幅路面上布置36個凍脹釘，凍脹釘間距6m，用水準儀定期觀測凍脹釘?shù)母叱?。通過各凍脹釘高程的變化量反映各點的凍脹量。圖2為東北地區(qū)松原至肇源一級公路豐華鎮(zhèn)連接線路基凍脹變形觀測圖，在BKO+563、BK0+640、BK0+720處路基表面各布設(shè)80個凍脹釘，凍脹釘共8排，排距為lm，沿路基橫斷面方向的行距I米，共10個。用水準儀定期觀測釘?shù)母叱獭Ｍㄟ^各凍脹釘高程的變化量觀測各點的凍脹量。
[0005]采用光學(xué)儀器觀測季節(jié)凍土層的凍脹量存在以下不足:
1、通過光學(xué)儀器觀測的凍脹量為總凍脹量，不能觀測凍結(jié)深度內(nèi)各分層土的凍脹量，無法分析各分層土的凍脹占總凍脹的比例；
2、對高速鐵路，凍結(jié)層內(nèi)采用了不凍脹、弱凍脹土填筑，有時凍脹量微乎其微，量值為毫米級，光學(xué)儀器的觀測精度已很難滿足的要求，無法為分析土體凍脹提供準確的數(shù)據(jù)；
3、采用光學(xué)儀器觀測凍脹量，需要專門的儀器和專業(yè)的觀測技術(shù)人員觀測，對儀器和觀測人員的專業(yè)素質(zhì)要求高，觀測效率低，而且觀測不能自動化。
[0006]哈爾濱至大連高速鐵路是我國在東北嚴寒地區(qū)設(shè)計、建造的第一條無砟軌道高速鐵路，季節(jié)性凍土層厚度由南向北為1.48?2.05m，每年從10月底開始凍結(jié)，次年5?6月全部融化。季節(jié)性凍土普遍發(fā)育，是哈大客運專線有別于其它地區(qū)客運專線的突出特點。嚴寒地區(qū)的無砟軌道高速鐵路路基工程，對凍脹極其敏感，為滿足高速鐵路軌道高平順的特點，需嚴格控制路基的凍脹變形。中國鐵道科學(xué)研宄院研宄報告《寒區(qū)鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)研宄》提出:無砟軌道、等級為200?250km/h、300?350km/h的高速鐵路路基凍脹變形應(yīng)不大于5mm。為研宄路基凍脹變形對無砟軌道高速鐵路的影響，保證列車的運營安全，維修養(yǎng)護因凍脹變形導(dǎo)致的不平順軌道，需進行大量、精確、高效的路基凍脹變形觀測工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種現(xiàn)場觀測季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路土層凍脹的方法及裝置，克服采用光學(xué)儀器觀測季節(jié)凍土層凍脹量的技術(shù)不足。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
現(xiàn)場觀測季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路土層凍脹的裝置，其特征在于:
所述裝置埋置于季節(jié)性凍土層中，包括圓形片狀的下錨盤和上錨盤，下錨盤和上錨盤的中心處連接有直立的測桿位移計，測桿位移計通過傳輸電纜與上錨盤以上填土外設(shè)置的讀數(shù)儀相連接。
[0009]下錨盤和上錨盤之間的測桿位移計外套置有塑料管，測桿位移計與塑料管之間填充有低溫潤滑脂。
[0010]塑料管自上而下分成若干節(jié)，各節(jié)塑料管上下端部均設(shè)置有連接絲扣，各節(jié)塑料管銜接處通過環(huán)套塑料環(huán)進行固定連接。
[0011]塑料管外包裹有防水土工膜包裹層。
[0012]上錨盤上設(shè)置有通氣孔，通氣孔內(nèi)通過絲扣插置有通氣管，伸入塑料管內(nèi)。
[0013]塑料管最底端的底部塑料管節(jié)底緣環(huán)周設(shè)置有襟邊，襟邊環(huán)周設(shè)置有若干下連接孔；
下錨盤上設(shè)置有與下連接孔位置對應(yīng)的固定孔；
襟邊下表面與下錨盤之間設(shè)置有環(huán)形的橡膠墊片，橡膠墊片上設(shè)置有與下連接孔位置對應(yīng)的通孔；
底部塑料管節(jié)、橡膠墊片和下錨盤通過連接螺絲相固定。
[0014]包括以下步驟:
步驟一:用等徑接頭連接下錨盤與測桿位移計，選用低于觀測所在地最低氣溫5°C情況下精度的測桿位移計；
步驟二:將塑料管分節(jié)，每節(jié)塑料管長20cm，上、下端部的外側(cè)均設(shè)置4cm高的連接絲扣；底部塑料管節(jié)的下端設(shè)有襟邊，襟邊寬度不小于3cm，厚度不小于3_，并環(huán)周預(yù)留下連接孔；襟邊下表面與下錨盤之間設(shè)置環(huán)形的橡膠墊片，橡膠墊片上設(shè)置有與下連接孔位置對應(yīng)的通孔；底部塑料管節(jié)、橡膠墊片和下錨盤通過連接螺絲相固定；
步驟三:在測桿位移計與底部塑料管節(jié)的空隙中填充低溫潤滑脂，通過絲扣和塑料環(huán)將底部塑料管節(jié)與次底部塑料管節(jié)連接；依次步驟逐層組裝塑料管并填充低溫潤滑脂，在塑料管外逐節(jié)包裹防水土工膜包裹層； 步驟四:在凍土層中開挖孔洞，孔洞直徑不小于20cm ;人工夯拍下錨盤的基底，待基底密實、平整后，放置裝置，塑料管外側(cè)分層回填原土，分層搗實；
步驟五:用等徑接頭連接上錨盤與測桿位移計，測桿位移計通過傳輸電纜與上錨盤以上填土外設(shè)置的讀數(shù)儀相連接；
步驟六:在凍土層中埋設(shè)多個不同長度的裝置，季節(jié)凍土層凍脹變形帶動上、下錨盤移動，通過測桿位移計觀測上、下錨盤之間距離的變化量，也就是凍土層下底面和上頂面距離的變化量，反映季節(jié)凍土層的凍脹量；
在觀測季節(jié)性凍土層的總凍脹量的同時，通過各裝置觀測的凍脹量，推算各分層土的凍脹量。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、在凍結(jié)深度內(nèi)埋設(shè)不同長度的裝置，觀測對應(yīng)層厚的季節(jié)性凍土層凍脹量，參見圖3。既可觀測季節(jié)性凍土層的總凍脹量，也可通過各裝置觀測的凍脹量，精確地推算各分層土的凍脹量，為研宄各分層土的凍脹量占總凍脹量的比例提供依據(jù)。
[0016]2、位移計觀測精度高，可以精確地觀測土工構(gòu)筑物微小的凍脹變形。
[0017]3、采用專用讀數(shù)儀可以直接讀取數(shù)據(jù)，觀測效率高，不需要專業(yè)的觀測技術(shù)人員。如連接數(shù)據(jù)采集器，定時記錄觀測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)凍脹變形觀測自動化。
【附圖說明】
[0018]圖1為東北地區(qū)長余高速公路凍脹變形觀測圖。
[0019]圖2為東北地區(qū)松原至肇源一級公路凍脹變形觀測圖。
[0020]圖3為各分層土的凍脹自動觀測裝置布置圖。
[0021]圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖5為下錨盤平面圖。
[0023]圖6為下錨盤縱剖圖。
[0024]圖7為上錨盤平面圖。
[0025]圖8為上錨盤縱剖圖。
[0026]圖9為底部塑料管節(jié)立面圖。
[0027]圖10為底部塑料管節(jié)平面圖。
[0028]圖11為底部以上塑料管節(jié)立面圖。
[0029]圖12為底部以上塑料管節(jié)平面圖。
[0030]圖13為橡膠墊片平面圖。
[0031]圖14為塑料環(huán)立面圖。
[0032]圖15為塑料環(huán)平面圖。
[0033]圖中，1-下錨盤，2-測桿位移計，3-底部塑料管節(jié)，4-頂部塑料管節(jié)，5-低溫潤滑月旨，6-防水土工膜包裹層，7-上錨盤，8-通氣管，9-保護鋼管，10-傳輸電纜，11-讀數(shù)儀，12-橡膠墊片，13-塑料環(huán)，14-下連接孔，15-連接螺絲，16-通氣孔。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細的說明。
[0035]本發(fā)明涉及的現(xiàn)場觀測季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路土層凍脹的裝置，所述裝置埋置于季節(jié)性凍土層中，包括圓形片狀的下錨盤I和上錨盤7，下錨盤I和上錨盤7的中心處連接有直立的測桿位移計2，測桿位移計2通過傳輸電纜10與上錨盤7以上填土外設(shè)置的讀數(shù)儀11相