一种防止道路差异沉降的预应力装置及施工方法

技术领域

本发明涉及防止道路沉降装置技术领域，具体涉及一种防止道路差异沉降的预应力装置及施工方法。

背景技术

运营道路在使用过程中，地基、路基等自身固结，常常发生沉降，特别是对于一些软弱路段更容易发生沉降，由于路基材料、地基的不均质性，路面沉降不均匀，经常出现差异沉降。差异沉降对于高速行驶的车辆带来安全隐患，必须要控制差异沉降，增加车辆行驶安全性和舒适性。

不均匀沉降主要是因为新旧路基的固结程度不同造成的，许多公路的交通量已达到饱和状态，对原有的公路进行升级改造势在必行。而公路路基加宽无论是设计还是施工，都是改造工程的关键。公路在经多年的通车后，原有路基(旧路基)沉降已基本完成，若对新旧路基衔接处不做处理，新旧路基的不均匀沉降，必然会致使新旧路基的衔接处发生破坏，严重危害公路的质量。

现有技术中，通常主要采用旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋路堤、土工织物防渗和排水等工程技术措施。上述技术措施均存在施工复杂的问题，另外，如旧路路堤台阶开挖技术，由于是人员在原路基上挖掘坡面，使得原路基上挖掘的各个平台并不一定如设想的状态，所以需要一种能够防止道路差异沉降的装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种防止道路差异沉降的预应力装置及施工方法，能够有效减少新旧路基差异沉降，提高了车辆行驶安全性和舒适性。

本发明的技术方案如下：

在本发明的第一方面，提供了一种防止道路差异沉降的预应力装置，包括设置在外壳内的中空螺纹钢管、预应力模块、承力模块和稳定模块，所述中空螺纹钢管外套设预应力模块和承力模块，中空螺纹钢管的底部连接稳定模块；所述承力模块上设置注浆管，所述注浆管与中空螺纹钢管连通，通过注浆形成承力板；所述预应力模块上设置预应力构件，所述预应力构件的两端设置卡簧，所述卡簧卡设在中空螺纹钢管上，通过上端卡簧张开释放预应力构件的预应力。

在本发明的一些实施方式中，所述注浆管包括多个弧状注浆管连接在中空螺纹钢管上，且在中空螺纹钢管的周向方向上均匀布置，所述注浆管上设置有注浆口。

在本发明的一些实施方式中，所述外壳采用钢制外壳，所述钢制外壳上与注浆管端部相对应的位置设置注浆管通道。

在本发明的一些实施方式中，所述预应力构件套设在中空螺纹钢管的外部，与中空螺纹钢管分离。

在本发明的一些实施方式中，所述预应力构件上端卡簧的两端通过钢索连接，上端卡簧伴随中空螺纹钢管旋转，上端卡簧被钢索牵引张开，预应力构件的预应力进行释放，而下端卡簧继续约束预应力构件。

在本发明的一些实施方式中，所述稳定模块包括推头，所述推头的上端与中空螺纹钢管接触，并由绳索暂时固定，推头的下端设置锚杆。

在本发明的一些实施方式中，所述推头的下端设置成锥形，所述推头的下端上设置多个锚杆，所述锚杆和推头下端之间通过焊点连接。

在本发明的一些实施方式中，所述外壳的底部设置成锥形，所述锚杆端部对应的钢制外壳处设置锚杆通道。

在本发明的一些实施方式中，所述预应力模块和承力模块组成一个构件单元，能够根据所需构件长度设置多个构件单元。

在本发明的第二方面，提供了一种防止道路差异沉降的预应力装置的施工方法，包括以下步骤：

将预应力装置埋入或者压入新旧道路结合处和新道路部分；

旋转中空螺纹钢管，使承力模块中注浆管在土中伸展开来、预应力模块中预应力构件释放预应力以及装置稳定模块锚杆得到延伸；

旋转过程中不断检查中空螺纹钢管顶部的刻度线，当刻度线变化等于承力模块高度时，说明注浆管已经完成最大限度的伸展；

在检查完承力模块的伸展后，通过中空螺纹钢管注浆，一段时间后浆液固化形成承力板，施工过程结束。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明提供的防止道路差异沉降的预应力装置，包括中空螺纹钢管、预应力模块、承力模块和稳定模块，通过预应力模块代替逐渐消失的孔隙水压力传力于上层承力模块支撑住上层土体，防止上层土体沉降。

(2)本发明提供的防止道路差异沉降的预应力装置，将中空螺纹钢管作为整个装置的启动装置，通过旋转，带动承力模块中注浆管的伸展、预应力模块中预应力的释放和稳定模块内锚杆的延伸，以实现将该预应力装置能够稳固的埋入新旧道路结合处和新道路部分或将本装置从新旧道路结合处和新道路路基顶部压入地基中。

(3)本发明提供的防止道路差异沉降的预应力装置，通过在承力模块中设置弧形注浆管，能够在中空螺纹钢管的旋转下将弧形注浆管伸展入土体中进行注浆，使周围的土体结成一个承力板，通过承力板为上层土体提供支撑作用。

(4)本发明提供的防止道路差异沉降的预应力装置，通过在预应力模块中设置预应力构件，并在预应力构件的上下两端设置卡簧，利用上端卡簧的牵引张开使得预应力构件的预应力能到释放，而下端卡簧继续约束预应力构件向下发展，以为整个装置提供良好的预应力，使其能够在发生沉降时向承力板传力。

(5)本发明提供的防止道路差异沉降的预应力装置，设置有稳定模块，包括推头、锚杆和固定板等结构，通过对各个结构之间连接结构的特殊设置，使得当推头下降一段距离后，锚杆和推头顶部在焊点处脆断，锚杆形态恢复，并卡在单向通道里，为装置提供支撑力，确保装置的竖直稳定。

附图说明

图1为本发明的防止道路差异沉降的预应力装置的整体结构示意图；

图2为本发明的预应力模块的结构示意图；

图3为本发明的承力模块的结构示意图；

图4为本发明的稳定模块的结构示意图。

图中：1、中空螺纹钢管；2、预应力模块；201、预应力构件；202、上端卡簧；203、下端卡簧；204、钢索；3、承力模块；301、注浆管；302、注浆口；4、稳定模块；401、绳索；402、挂环；403、推头；404、锚杆；405、焊点；406、固定板；5、外壳；501、注浆管通道；502、推头固定通道；503、锚杆通道。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

不均匀沉降主要是因为新旧路基的固结程度不同造成的。固结是指土体在自重或者外加荷载条件下，孔隙率降低，孔隙水压力消散，有效应力增加的过程。

土体总应力＝有效应力+孔隙水压力

从上述公式可以看出，固结实际上就是孔隙水压力向有效应力转化的过程。有效应力越大，压缩量越大，沉降随之越大。

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种防止道路差异沉降的预应力装置，如图1-4所示，包括设置在外壳5内的中空螺纹钢管1、预应力模块2、承力模块3和稳定模块4，当有沉降发生时，本发明的预应力模块代替逐渐消失的孔隙水压力传力于上层承力模块支撑住上层土体，防止上层土体沉降。

具体的，所述中空螺纹钢管1外套设预应力模块2和承力模块3，中空螺纹钢管1的底部连接稳定模块4；所述承力模块3上设置注浆管301，所述注浆管301与中空螺纹钢管1连通，通过注浆形成承力板；所述预应力模块2上设置预应力构件201，所述预应力构件201的两端设置卡簧，通过上端卡簧202张开释放预应力构件的预应力。

预应力模块的结构如图2所示，包括卡簧、钢索204和预应力构件201，所述预应力构件为中空的圆筒结构，所述预应力构件201套设在中空螺纹钢管1的外部，与中空螺纹钢管1分离，不会随着中空螺纹钢管1的转动而转动；预应力构件201的上部设置有上端卡簧202，预应力构件201的下部设置有下端卡簧203，预应力构件201离下层的承力模块3间隔较短的距离，由下端卡簧203支撑住预应力构件201的重量，并限制其预应力构件201向下发展；预应力构件201的顶部与上层的承力模块3同样预留出较短的距离，避免提前传力。通过两端的卡簧约束预应力，上端卡簧202两端通过钢索204连接到钢制外壳上，伴随中空的螺纹钢管1旋转，上端卡簧202被钢索204牵引张开，预应力构件201的预应力能到释放，而下端卡簧203继续约束预应力构件201，限制预应力构件向下发展。

在本实施例中，上端卡簧202和下端卡簧203卡在中空螺纹钢管1上，并分别与预应力构件201的上端和下端保持较短距离(较短距离是指接近紧贴，但不接触，避免预应力构件提前传力)，通过限制预应力构件201的位移，保证对预应力的控制，避免预应力构件提前接触并传力给承力模块3，因此，卡簧的主要作用是承受轴向力，下端卡簧203主要承受对应预应力装置中预应力构件的重量和预应力，上端卡簧202主要承受预应力。

本实施例中的卡簧约束及释放预应力的原理如下：

在约束预应力的时候，上端卡簧202卡在中空螺纹钢管1上，承受来自预应力构件201的力，并限制其向上发展，同时限制其接触到上层承力模块传导预应力。下端卡簧203承受预应力构件201的重力和预应力，并限制其向下发展。预应力构件两端均无法实现位移，预应力便无法传导到承力模块上，从而约束预应力构件的预应力。

预应力的释放：上端卡簧202和外壳5之间使用钢索204连接，由于中空螺纹钢管1的旋转，上端卡簧202随着其旋转。这个过程中，钢索204对上端卡簧202的卡口施加拉力，使上端卡簧张口角度增大，对轴向力(也就是预应力构件施加的力)的承受能力越来越小，最终承受不住轴向力，使得预应力构件201向上发展，进而释放出预应力构件201的预应力。

承力模块3的结构如图3所示，所述注浆管301包括多个弧状注浆管连接在中空螺纹钢管1上，且在中空螺纹钢管1的周向方向上均匀布置，所述注浆管301上设置有多个注浆口302，所述外壳5采用钢制外壳，所述钢制外壳上与注浆管301端部相对应的位置设置注浆管通道501，当中空螺纹钢管旋转向下移动时，注浆管301随着中空螺纹钢管1的转动而转动，注浆管301会通过注浆管通道501伸出外壳5，通过从中空螺纹钢管1中注入水泥砂浆，经由注浆管301的注浆口302在土体中泵出，把周围的土体结成一个承力板，另外，通过控制承力模块3的高度和注浆管301的弧度可以间接的控制承力板的范围。

稳定模块4的结构如图4所示，所述稳定模块4包括推头403，所述推头403的上端与中空螺纹钢管1接触，并由绳索401暂时固定，具体的，使用绳索401将推头403的上端和中空螺纹钢管1的底部缠绕在一起(并打结)，并填满通道，借助绳索和通道之间的摩擦力暂时限制推头和中空的螺纹钢管的位移。另外，为了避免摩擦力不足以支撑中空螺纹钢管1和推头403重量，将用于缠绕的绳索打结，其两端绷直并固定在挂环上，挂环固定在外壳上提供拉力。

推头的下端设置锚杆404，所述推头的上端设置成圆柱形，安装在壳体的推头固定通道502内，且能够在推头固定通道内上下移动，所述推头403的下端设置成锥形，位于壳体的锥形腔体内，所述推头403的下端上设置多个锚杆404，所述锚杆404和推头403的下端之间通过焊点405连接，起到暂时固定的作用。所述外壳5的底部设置成锥形，所述锚杆404端部对应的钢制外壳5处设置锚杆通道503，所述锚杆通道503所在的壳体位置处设置有固定板406，固定板406位于锚杆通道503的两侧，固定板406起到一个锚杆运动导向的作用。初始状态下，锚杆的自由端(即非焊接端)搭在固定板406上，在推头向下位移的时候，锚杆便沿着固定板406的角度从锚杆通道503伸出。在中空螺纹钢管1的推动下，绳索401断裂，推头403下端不断下降，将下端的锚杆404从锚杆通道503中全部推出，固定板对锚杆404的运动起到定位作用，保证其可以按照固定的锚杆通道503伸出，锚杆404在运动过程存在水平和竖直位移，即锚杆404会产生一定弧度。当下降一段距离后，锚杆和推头顶部在焊点处脆断，锚杆形态恢复，并卡在锚杆通道里，强化周围土体，为装置提供支撑力，确保装置的竖直稳定，此时，固定板406也可以起到增加伸出的锚杆对稳定模块受力面积的作用，并避免锚杆出现应力集中的情况以及装置内部锚杆的互相影响。另外，当锚杆遇到岩石，在推力的作用下，锚杆同样会从焊点的位置脆断，并向上滑动，保证其他锚杆的正常探出。

在本实施例中，所述预应力模块2和承力模块3组成一个构件单元，能够根据所需构件长度设置多个构件单元，以满足不同工程的实际需求。

在本实施例中，中空螺纹钢管1是整个装置的启动装置，通过旋转，带动承力模块中注浆管的伸展、预应力模块中预应力的释放和稳定模块内锚杆的延伸。另外，中空螺纹钢管顶部设有刻度线，用来检测承力模块的伸展情况。

在使用时，将本实施例提供的预应力装置埋入新旧道路结合处和新道路部分或将预应力装置从新旧道路结合处和新道路路基顶部压入地基中；在预应力装置进入地基后，旋转中空螺纹钢管，使承力模块中注浆管在土中伸展开来、预应力模块中预应力构件释放预应力以及稳定模块锚杆得到延伸。旋转过程中不断检查中空螺纹钢管顶部的刻度线，当刻度线变化等于承力模块高度时，说明注浆管已经完成最大限度的伸展；在检查完承力模块的伸展后，通过中空螺纹钢管注浆，一段时间后浆液固化形成承力板，施工过程结束。

当有沉降发生时，预应力装置的预应力模块代替逐渐消失的孔隙水压力传力于上层承力模块支撑住上层土体，防止上层土体沉降。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种防止道路差异沉降的预应力装置的施工方法，包括以下步骤：

将预应力装置埋入或者压入新旧道路结合处和新道路部分；

旋转中空螺纹钢管，使承力模块中注浆管在土中伸展开来、预应力模块中预应力构件释放预应力以及装置稳定模块锚杆得到延伸；

旋转过程中不断检查中空螺纹钢管顶部的刻度线，当刻度线变化等于承力模块高度时，说明注浆管已经完成最大限度的伸展；

在检查完承力模块的伸展后，通过中空螺纹钢管注浆，一段时间后浆液固化形成承力板，施工过程结束。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。