【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于膨胀土渠道防冻胀，尤其涉及一种土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法及系统。
技术介绍
1、我国幅员辽阔，但水资源短缺且时空分布不均，修建调水工程是实现国家水资源优化配置的重大战略举措，其中，渠道作为调水工程的主要输水建筑物在水资源高效调配中起到关键作用。此外，我国是世界第三冻土大国，季节性冻土区约占我国53.5％的国土面积，而输水渠道工程在我国季节性冻土地区广泛分布，作为典型的长距离线性工程，大量的输水渠道工程不可避免地穿越了有“拦路虎”之称的膨胀土地段。因此，季冻区膨胀土渠道的冻害问题成为影响季冻区膨胀土渠道正常运行及长效服役性能的关键。
2、渠道的冻胀破坏是土质、温度以及水分共同作用的结果，具体而言，渠道发生冻胀一般需要满足以下三个条件：①土体为冻胀敏感性土质；②土体含水量超过起始冻胀含水量(特别是发生外界水分迁移)；③土体温度达到冻结的负温。为解决寒区渠道的冻害问题，目前常用的防冻胀措施主要包括以下三种：其一，渠基土料换填，一般而言，当渠基土为冻胀敏感性土时，采用风积砂、砂砾石等非冻胀性土对渠基土进行换填可以有效地减小土体的冻胀，但是该方法的工程量和投资巨大，并且近年来一些工程实践发现非冻胀性土因水汽迁移也会出现冻胀现象；其二，隔热保温，目前渠道防冻胀常用的保温材料有发泡聚苯乙烯保温板、挤塑聚苯乙烯保温板和聚氨酯保温板，上述材料均是高分子材料，存在明显的耐久性问题，从而使得运行期的维修更换成本居高不下；其三，化学改性，石灰是工程中较为优秀的膨胀土化学改性剂，这是由于石灰的低渗性对膨胀土良好
3、因此，寻找一种防冻胀效果好、工程量小、经济性好、耐久性强、实用性广的膨胀土渠道防冻胀技术及其优化设计方法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法及系统，该方法综合利用单个土工袋的加筋约束作用、土工袋组合体的水分阻滞作用以及纳米二氧化硅气凝胶低导热特性共同防治冻胀。采用的技术方案如下：
2、一种土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法，包括以下步骤：
3、步骤1、现场环境调查，调查因素包括：施工条件、土体冻胀程度以及成本预算；
4、步骤2、根据施工条件的可行性、渠道的冻胀程度以及成本预算，选取纳米二氧化硅气凝胶的形式；
5、步骤3、进行室内试验联合优化算法确定毡毯式纳米二氧化硅气凝胶最佳厚度或粉体式纳米二氧化硅气凝胶最佳掺量；其中，优化算法确定粉体式纳米二氧化硅气凝胶最佳掺量的具体步骤包括：
6、步骤31、取回施工现场土体进行室内试验，测定其基本物性参数，包括干密度和含水率；
7、步骤32、根据现场实测含水率配制膨胀土，并将不同掺量的粉体式纳米二氧化硅气凝胶与之混掺，随后压实至与现场相同的干密度；
8、步骤33、测定不同掺量的土-纳米二氧化硅气凝胶混合物的导热系数；
9、步骤34、选取室内试验测定的土-纳米二氧化硅气凝胶混合物的导热系数作为已知量，根据土-纳米二氧化硅气凝胶混合物热导率降低程度最优原理，建立第一目标函数：
10、
11、m-纳米二氧化硅气凝胶的掺量；
12、γi-不同掺量的土-纳米二氧化硅气凝胶混合物导热系数值；
13、-不同掺量的土-纳米二氧化硅气凝胶混合物设计最优导热系数值；
14、n-膨胀土与不同掺量的纳米二氧化硅气凝胶进行混合制得试样组数；
15、步骤35、选取室内试验测试纳米二氧化硅气凝胶的实验耗费经济值作为已知量，根据纳米二氧化硅气凝胶经济最优原理，建立式第二目标函数：
16、
17、ai-不同掺量的纳米二氧化硅气凝胶与膨胀土混合后实验耗费经济值；
18、-不同掺量的纳米二氧化硅气凝胶与膨胀土混合后设计最优耗费经济值；
19、步骤36、基于已建立的两个目标函数进行线性组合，通过赋予每个目标函数一个权重系数，建立适应度函数：
20、
21、
22、a、b分别为两个目标函数的权重系数；
23、步骤37、适应度函数的值即是粉体式纳米二氧化硅气凝胶的最佳掺量；
24、步骤4、根据测定的冻结深度确定土工袋处理层深度，随后根据选定的纳米二氧化硅气凝胶形式、最佳厚度或最佳掺量预制施工材料；
25、步骤5、膨胀土渠道表层土工袋铺设及碾压；
26、步骤6、在过水断面土工袋处理层表面覆盖砂垫层找平并浇筑混凝土衬砌；非过水断面土工袋处理层表面覆盖生态草袋并采取绿化植草措施。
27、优选地，纳米二氧化硅气凝胶的形式包括毡毯式纳米二氧化硅气凝胶、粉体式纳米二氧化硅气凝胶。
28、优选地，步骤4中，当采用粉体式纳米二氧化硅气凝胶时，预制施工材料的方法包括：
29、将粉体式纳米二氧化硅气凝胶掺入膨胀土中形成膨胀土-纳米二氧化硅气凝胶混合物，随后将其装入土工袋；
30、当采用毡毯式纳米二氧化硅气凝胶时，预制施工材料的方法包括：将毡毯式纳米二氧化硅气凝胶与土工袋预先缝合为一个整体，形成一种毯-袋组合体结构，使用时直接将现场膨胀土开挖装袋。
31、一种土工袋-二氧化硅气凝胶系统，包括：土工袋和二氧化硅气凝胶；其中，
32、所述二氧化硅气凝胶，为毡毯式纳米二氧化硅气凝胶或粉体式纳米二氧化硅气凝胶；
33、当二氧化硅气凝胶为粉体式纳米二氧化硅气凝胶时，土工袋用于承装粉体式纳米二氧化硅气凝胶和膨胀土的混合物；
34、当二氧化硅气凝胶为毡毯式纳米二氧化硅气凝胶时，二氧化硅气凝胶缝合于土工袋的内侧面，土工袋用于承装膨胀土。
35、与现有技术相比，本专利技术的优点为：
36、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
37、1、本专利技术采用土工袋联合纳米二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀，其中，采用的纳米二氧化硅气凝胶是一种超级隔热材料，不但可以有效地阻止空气冷能向下传递，同时也可以避免土体下部热能的向上散失，从而减缓了处理区以下土体温度降低速率，从根本上解决了土体发生冻胀的直接因素--温度的影响。
38、2、本专利技术采用土工袋联合纳米二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀，其中，与传统的聚乙烯板等表面铺设的高分子保温材料相比，采用的土工袋-纳米二氧化硅气凝胶组合体埋设在渠道土体内部，可以有效地避免紫外线等外部环境对其使用寿命的影响，延长了使用年限的同时降低了运行期的维修成本。
39、3、本专利技术采用土工袋联合纳米二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀，其中，采用的土工袋单元体可以对冻胀土体产生加筋约束作用，从而本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法，其特征在于，纳米二氧化硅气凝胶的形式包括毡毯式纳米二氧化硅气凝胶、粉体式纳米二氧化硅气凝胶。
3.根据权利要求2所述的土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法，其特征在于，步骤4中，当采用粉体式纳米二氧化硅气凝胶时，预制施工材料的方法包括：
4.一种土工袋-二氧化硅气凝胶系统，其特征在于，包括：土工袋和二氧化硅气凝胶；其中，
【技术特征摘要】
1.一种土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的土工袋-二氧化硅气凝胶防治膨胀土渠道冻胀方法，其特征在于，纳米二氧化硅气凝胶的形式包括毡毯式纳米二氧化硅气凝胶、粉体式纳米二氧化硅气凝胶。
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇龙，张勇敢，鲁洋，刘斯宏，方斌昕，田金博，张思钰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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