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块石

块石(block stone)指的是符合工程要求的岩石,经开采并加工而成的形状大致方正的石块。块石分有多种类型,主要有花岗石块石、砂石块石等。

块石指的是符合工程要求的岩石,经开采选择所得的形状不规则的、边长一般不小于15厘米的石块。 块石分许多种,高速路护坡,河道渠道护堤片石:是把大块的石头利用工具分解成大体成长方体的小块石,大致有长为30厘米、宽为50厘米、厚为1030厘米,或者是长为30厘米、宽为40厘米、厚度为1030厘米的方块。也可以根据你的要求进行加工。此种块石大致要求有一个比较平整的面,长宽误差一般在2厘米左右,厚度一般要求是在多少范围之内,不能指定加工多少厘米,比如厚度为1020厘米。

另外还有毛石:毛石是不成形的石料,处于开采以后的自然状态。它是岩石经爆破后所得形状不规则的石块,形状不规则的称为乱毛石,有两个大致平行面的称为平毛石。 建筑用毛石,一般要求石块中部厚度不小于150mm,长度为300~400mm,质量约为20~30kg,其强度不宜小于10MPa,软化系数不应小于0.75。常用于砌筑基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等,也可配制片石混凝土等。

研究背景

青藏铁路的设计、施工是高原多年冻土地区工程建设的一大挑战。研究表明,多年冻土地区工程建设涉及到多年冻土的工程特性、力学特性与热学特性问题,其固有的特点是冻土条件要发生变化,包括自然环境本身引起的变化和建筑物施工、运行等引起的变化。而建筑在多年冻土地区之上的工程稳定性及耐久性又直接依赖于沿线工程冻土条件的稳定性,所以,多年冻土地区的工程设计首要考虑由于工程的施工、运行造成冻土条件的改变进而影响基础的稳定性,如何减小或在运行过程中弥补这种改变而使其恢复自然成为首选。其中块石护坡是用来减小冻土条件改变的典型措施,Goreing等 [1] 认为块石路堤在气温波动条件下具有热二极管效应自然对流降温效应,其随时间累加而弥补因施工等造成冻土条件的改变,甚至能使其恢复到自然状态。块石路堤、护坡归根到底是一种多孔介质,其热学性质涉及到气固二相热质迁移的流体动力学问题,需要通过平均化过程从微观尺度即孔隙空间内部导向宏观尺度,有关各种参数具有平均化的性质。其热学参数与组成块石路堤、护坡的岩石热学参数、块石粒径和空隙率等密切相关。而有关参数如导热系数又为工程设计必不可少。然而,用于路堤、护坡的块石由于其粒径比较大而难以直接测试导热系数,工程上往往用理论估算值代替,但结合工程实际条件的实验测量似乎更为重要。

实验结果和分析

实验中对 6 ~ 8 cm,4 ~ 6 cm,2 ~ 4 cm 三种粒径的块石试样在不同温度波动下进行了测量,具体条件如表1所示。某一点在一个周期内的最大值减去最小值为一个数据点。通过实验数据拟合热扩散系数采用两种方法:一种是按每个周期的数据拟合,有几个周期即有几个热扩散系数,然后求其平均值,结果如表2;另一种是先求数据的平均值,然后曲线拟合,求出热扩散系数。

结果表明,对于粒径为6~8cm的块石试样,由相同气温波动幅度的2~4号试验所得热扩散系数、导热系数比较接近,与不同气温波动幅度下的1号试验结果相比也具有较好的一致性。另外,在三种不同粒径的块石试样中,6~8 cm粒径试样的最大,2~4 cm 粒径试样次之,4~6 cm 粒径试样的热扩散系数和导热系数较小,可能是不均匀性所造成,对此还需用更多的实验验证。利用实验中已测得的试样孔隙率,并设空气中含水量为2%,取岩石、空气和水的导热系数分别为 2.70、0.024和0.570 Wm -1K -1,则可求得估算值,如表2。最后,实验中块石试样高度实际为50cm 左右,并非半无限体,靠近底部会有边界效应,所以拟合时取的数据点不能太深,研究取的深度约为 34cm,如图1 ,事实上,在块石粒径较大时,其特征体元的尺寸也较大,而本试验所采用的试样筒的直径较小,其均匀性会受到一定限制,对结果精度有一定影响;块石上部分布置用于测量温度的传感器间距稍大也在一定程度上影响了测量精度。温度分布的初始条件对测量结果在前1、2 个周期中也有影响,并且试验中需要采用封闭系统以减小空气流动对测量结果的影响。

研究结论

利用气温波动条件下用于路堤、 护坡的块石内部温度衰减规律来确定其热扩散系数和导热系数是可行的。同一粒径的块石试样在相同气温波动幅度下的测量结果比较接近,不同气温波动幅度下的测量结果也具有较好的一致性。结果表明,粒径较小的块石试样其热扩散系数和导热系数也较小。 [2]

由于冻土中冰的存在决定了寒区工程建设独有的特点,在冻土区道路工程遇到的主要问题是冻胀和融沉,而这正是引起道路破坏最为严重、最为主要的原因之一。采用保护多年冻土路基的方法较多,常用的有抬高路堤高度或者在路堤中铺设保温材料等。它们均只是保护冻土路基的被动消极的方法,在一定程度上对冻土有保护作用,但不足以甚至不可能完全消除冻土路基的融化下沉,特别是在全球气温升高的大趋势和人类工程活动加剧的背景下更是这样。为此,我们在寒区路基建筑中采用了主动积极的保护冻土的方法抛石、 碎块石护坡, 增强路基的稳定性。

碎块石护坡的工作原理

保护冻土的工程措施机理可以从以下四个方面着手考虑:调控辐射、调控对流、调控传导和旱桥。抛石护坡这种措施,兼顾了调控对流和调控传导两方面,是一种典型的主动积极调控地温、保护冻土的措施。

从理论上讲,抛石材料由于其孔隙性大,空气可在其中自由流动或受迫流动。当暖季表面受热后,热空气上升,块石中气体处于热传导状态,且仍能维持较低温度。根据观测结果计算得知:夏季有效导热系数是1.006 W(mK)-1,而冬季有效导热系数是12.271 W(mK)-1,因此,传入地中的热量较少;寒季时,冷空气沿孔隙下渗,块石中气体处于热对流状态,对流换热向下,较多的冷量可以传入地基中。所以块石护道的综合效果是冷量输入大于热量输入。另一方面,抛石堆体内以其较大的空隙和较强的自由对流使得冬夏冷热空气由于空气密度等差异而不断发生冷量交换和热量屏蔽,其结果有利于保护多年冻土。

碎块石护坡措施应用效果分析

由于碎块石护坡措施有诸多优越性,对基底下冻土影响十分明显,通过室内试验,对比现场观测的结果,可以了解碎块石护坡措施对路基底下冻土的影响程度。从整个融深曲线来看,其曲线形式并不是以路基中心线为对称,而是与路堑模型边界呈正相关,道路两边边坡随着高度的减少,冻土融化深度也随之增加。造成这一结果原因在于两边坡土质一样,热传导系数一样,在相同情况下热量下传深度也一样。但是两边坡高度却不同,结果肯定会导致融化曲线随着地表起伏而上下变化,也就是说融化曲线是与路堑模型边界呈正相关性。由于抛石护坡可以从一定程度上抬升冻土上限,可以缓解冻土的融化,所以在边坡较低一侧可以考虑铺设抛石护坡措施。

经过室内实验和风火山现场观测资料结果对比分析,可以得出以下结论:

(1)融化曲线是与路堑边界呈正相关性,导致融化曲线并不是沿路堑中心线对称,同时,由于抛石护坡措施会明显抬升冻土上限,所以可以考虑在边坡高度较低的一侧加抛石护坡,这样可以缓解因上限不对称而出现的灾害事故的发生。

(2)抛石护坡对路基底下多年冻土的降温从室内实验结果看,效果还不错。但从现场观测结果看,由于是单面铺设,它对多年冻土路基中心处的上限抬升不大,并不能达到理想的效果。如果采用双面铺设,可能效果会更明显,从已有的资料分析来看,进一步证明了室内模型试验结果的可靠性。

(3)抛石护坡工艺简单,技术要求不是很高,铺设速度也比较快,经济上也比较节省,适合铺设在快速降温的路段以及低温多年冻土区。建议在需要按保护原则设计的多年冻土地区道路工程设计与施工中,较大范围内多考虑采用该措施。 [3]


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