本發(fā)明涉及凍土工程技術(shù)領域，尤其涉及一種適用于凍土區(qū)道路工程的復合蓄冷路基。

背景技術(shù)：

凍土是溫度不高于0℃的含有冰的巖土體，按凍結(jié)期的長短可以分為瞬時凍土、季節(jié)凍土和多年凍土。隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，多年凍土區(qū)的工程建設逐漸增多，尤其是道路工程。道路工程的建設將顯著改變下伏多年凍土的熱狀態(tài)，導致凍土溫度升高、承載力降低，進而可能引起路基的沉降。因此，凍土問題已經(jīng)成為了多年凍土區(qū)道路工程建設成功與否的關鍵問題。

在青藏鐵路的研究中，為了確保路基的長期穩(wěn)定性，研究人員提出了主動冷卻路基的思路，并以該思路為核心開展了大量的主動冷卻路基結(jié)構(gòu)研究，并發(fā)現(xiàn)部分路基結(jié)構(gòu)對于提高路基穩(wěn)定性具有良好的應用效果。然而，在高溫高含冰量凍土區(qū)，目前已有路基結(jié)構(gòu)均存在降溫效能不足的問題。同時，公路的瀝青路面吸熱強度顯著高于鐵路路面，相關研究表明，在多年凍土區(qū)，瀝青路面強烈的吸熱作用會引起下部多年凍土的持續(xù)退化，以及多年凍土上限下降、高含冰量凍土融化等，進而引起公路路基的沉降、塌陷等一系列的工程問題，在未來氣候持續(xù)變暖的條件下該問題將更為突出。

目前，青藏高速公路的建設已經(jīng)提上日程，由于高速公路的路面寬度相比青藏公路有了大幅增加，路基吸熱強度也將成倍增加。為了保證青藏高速公路修筑后的穩(wěn)定性，高溫高含冰量凍土區(qū)路段必須采用合理的主動冷卻調(diào)控措施。然而，由于路堤幅面大幅度增大，導致目前已有調(diào)控措施的應用效果將進一步降低。為此，研究人員嘗試對已有的調(diào)控措施進行組合，以期提高工程措施的調(diào)控效能，但是由于設計結(jié)構(gòu)的不足，難以滿足工程實際需要。如：《一種透壁通風管-塊碎石降溫隔熱復合路基在寬幅道路中的應用》（賴遠明，董元宏，張明義：中國，201010133544.7[p].2010.09.01）提出了一種透壁通風管-塊碎石復合路基，將透壁通風管置于塊碎石層之上，其在冷季的降溫效率不足；而在暖季，該種結(jié)構(gòu)的透壁孔將大量熱量傳入塊石層，降低了塊石層的蓄冷效果。《復合溫控通風路基》（俞祁浩，程國棟，牛富俊等：中國，200410002135.8[p].2004.12.22）提出了一種自動溫控通風管-保溫板復合路基結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)中通風管降溫過程具有顯著的不均勻性，對控制路基的不均勻沉降是不利的?！稄娀L隔熱路基》（李國玉，李寧，牛富俊等：中國，200710017288[p].2007.08.08）提出了一種自控透壁通風管-塊碎石-保溫材料的強化通風隔熱路基，但該結(jié)構(gòu)中通風管下的墊層較薄，通風管口在冷季易被雪和風沙等填堵，導致冷季降溫大幅降低；另外，碎塊石層在暖季會起到良好的隔熱作用，其上部放置的保溫材料對于增強路基的隔熱效果意義較小，但卻顯著降低了路基冷季的降溫效果；此外，雖然透壁通風管已經(jīng)在部分工程中得到了試驗，但并未有文獻表明該措施相比普通通風管具有顯著優(yōu)勢，而該措施卻會引起工程造價的大幅提高。

此外，目前在凍土工程中常用的熱管措施在道路工程中的應用也存在問題。由于該措施的降溫過程具有顯著的不均勻性，已有應用經(jīng)驗表明該措施在道路工程的應用已引起路基裂縫的發(fā)育，如圖1~2為典型的熱管作用下裂縫的發(fā)育情況（熱管路基發(fā)育的裂縫（俞祁浩，樊凱，錢進，郭磊，游艷輝，我國多年凍土區(qū)高速公路修筑關鍵問題研究，中國科學:技術(shù)科學，2014，44（4）:425~432））?；诟咚俟穼τ诼坊某两盗考傲芽p的嚴格要求，該類公路對于路基的整體、均勻降溫具有特殊的要求。因此，目前已有的方法尚無法滿足凍土區(qū)高速公路的建設要求，需要尋求更為高效、合理的凍土路基保護措施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種有效降低凍土地溫、提高凍土穩(wěn)定性的適用于凍土區(qū)道路工程的復合蓄冷路基。

為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種適用于凍土區(qū)道路工程的復合蓄冷路基，包括上部路堤填土、下部路堤填土及布設于所述上部路堤填土與所述下部路堤填土之間且垂直于道路走向的通風管，其特征在于：所述通風管的一端或兩端安裝風門；相鄰所述通風管之間鋪設空心塊層，且該通風管及所述空心塊上鋪設有塊碎石層；所述塊碎石層上設有土工布，該土工布上鋪設所述上部路堤填土。

所述通風管的管徑為30~60cm，管壁厚度為3~6cm，管中心距離天然地表表面高度為0.5~2.0m。

相鄰所述通風管的間距為所述通風管管徑的1~3倍。

所述空心塊層的厚度與所述通風管直徑相一致，空心塊由邊長6~30cm、壁厚2~6cm的混凝土預制空心的立方體或長方體構(gòu)成。

所述塊碎石層的粒徑為10~40cm、鋪設厚度為1~2m。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、創(chuàng)新工程措施調(diào)控機制。

首先是路堤內(nèi)的層面聯(lián)動、降溫機制。在冷季降溫過程中，通風管管間空心塊層內(nèi)的大孔隙率使得通風管間對流換熱效應大幅增強，有效形成通風管——空心塊層面聯(lián)動、降溫機制，是實現(xiàn)路基整體、均勻降溫的根本機制；其次是自我平衡機制。在暖季，由于路基陰坡、陽坡太陽輻射和坡面溫度的不同，會引起路堤橫剖面內(nèi)，路基左、右兩側(cè)地溫一定的差異性，由于塊石層及空心塊的大空隙條件的存在，可以在路堤橫斷面的塊石、空心塊層內(nèi)，在路堤左、右側(cè)不同部位之間產(chǎn)生一定的對流換熱過程，由此平衡路堤的地溫差異，產(chǎn)生路基的地溫自我平衡機制；最后，本發(fā)明為路基的蓄冷機制。在升溫過程中，由于溫度自動感應、控制風門的及時關閉，通風管內(nèi)、空心塊及塊石層中垂向?qū)α鲹Q熱過程的停止，導熱性能大幅降低，有效儲存路基內(nèi)部冬季聚集的冷能，由此循環(huán)有效達到不斷降低凍土溫度的目的。

2、有效解決高等級公路路基整體、均勻調(diào)控地溫的關鍵技術(shù)難題。

首先，由于上述層面聯(lián)動、降溫機制的形成，由此造成降溫過程的路堤整體層面的同步、均勻降溫，并形成0℃地溫等值線、整體地溫場的平整、對稱的有利形態(tài)。其次，在上述自我平衡機制下，有效緩解暖季路基地溫差異性，進一步保證地溫場均勻性。由此，通過兩者的綜合，有效解決高等級公路整體、均勻地溫調(diào)控的難題。

3、顯著提升路基的降溫效能。

正是由于本發(fā)明上述降溫、平衡、蓄冷三重機制的存在、疊加，在有效保證路基整體、均勻降溫的同時，也使得降溫效能大幅提高。

4、有效增加路基穩(wěn)定性。

雖然已有措施在很大程度有效降低路基的地溫，但隨著季節(jié)的變化和路基在一定深度范圍內(nèi)發(fā)生的凍融過程，不可避免會造成在一定程度上出現(xiàn)路基凍脹、融沉，并對路基穩(wěn)定性造成一定的影響。由于塊石層屬于柔性、自我應力平衡基礎，本發(fā)明鋪設的塊石層可以在很大程度緩解凍融作用導致的不利影響。因此，本發(fā)明的塊石層具有調(diào)溫、調(diào)變形雙重作用。由此，大幅降低路基潛在次生路基工程病害的發(fā)生概率，提高路基的穩(wěn)定性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1為典型的熱管作用下裂縫的發(fā)育情況a。

圖2為典型的熱管作用下裂縫的發(fā)育情況b。

圖3為本發(fā)明的橫斷面圖。

圖4為本發(fā)明的縱斷面圖。

圖5為使用本發(fā)明后通風管位置路基橫剖面凍土上限和其他兩種措施的對比。

圖6為使用本發(fā)明后路基中心位置縱剖面凍土上限和其他兩種措施的對比。

圖中：1—通風管2—風門3—塊碎石層4—空心塊層5—土工布6—上部路堤填土7—下部路堤填土8—天然地表。

具體實施方式

如圖3、圖4所示，一種適用于凍土區(qū)道路工程的復合蓄冷路基，包括上部路堤填土6、下部路堤填土7及布設于上部路堤填土6與下部路堤填土7之間且垂直于道路走向的通風管1。通風管1的一端或兩端安裝風門2；相鄰通風管1之間鋪設空心塊層4，且該通風管1及空心塊層4上鋪設有塊碎石層3；塊碎石層3上設有土工布5，該土工布5上鋪設上部路堤填土6。

其中：通風管1的管徑為30~60cm，管壁厚度為3~6cm，管中心距離天然地表8表面高度為0.5~2.0m。

相鄰通風管1的間距為通風管1管徑的1~3倍。

空心塊層4的厚度與通風管1直徑相一致，空心塊由邊長6~30cm、壁厚2~6cm的混凝土預制空心的立方體或長方體構(gòu)成。

塊碎石層3的粒徑為10~40cm、鋪設厚度為1~2m。

本發(fā)明工作機理：

在冷季，通風管1自控風門2自動打開，外界冷空氣進入通風管1，快速降低周圍路堤土體溫度，路基內(nèi)熱量大量釋放；同時，由于管壁溫度非常低，且周圍空心塊層4內(nèi)空隙較大，因而在空心塊層4內(nèi)形成強烈的對流換熱作用下，增大管間土體的降溫幅度，提高路基降溫過程的整體性。在暖季，通風管1自控風門2自動關閉，阻止外界熱量進入管內(nèi)，大幅減小路基的吸熱量；同時，由于溫度上高下低的特性，塊碎石層3及空心塊內(nèi)不存在對流換熱作用，其自身的熱傳導性能較差，因而在暖季起到阻止熱量向路基傳遞的作用，塊碎石層3頂部土工布5的應用可以保證層內(nèi)空隙在較長時間段內(nèi)不發(fā)生顯著降低，保證路基這種單向?qū)嵝阅艿拈L期有效性。

本發(fā)明具體應用實例1：

⑴在夯實的天然地表8填筑下部路堤填土7并夯實，填土高出原天然地表0.5~2.0m。

⑵在夯實的下部路堤填土7上布設垂直于道路走向的預制的帶自控風門2的通風管1，通風管1直徑為30~60cm，管壁厚度為3~6cm，管間距為管徑的1~3倍。

⑶在通風管1之間隨意堆放預制的混凝土空心塊，混凝土空心塊為立方體或長方體，邊長為6~30cm，壁厚為2~6cm。

⑷在通風管1及空心塊層4上部堆放塊碎石層3，塊碎石粒徑為10~40cm，碎塊石層厚度1~2m，然后進行振動密實。

⑸在塊碎石層3上布設一層土工布5，然后填筑上部路堤填土6并夯實。

為了驗證本發(fā)明的應用效能，并與已有技術(shù)的應用效能進行對比，進行了不同工程措施應用效能的數(shù)值模擬分析，并對計算得到的不同工況下的凍土上限分布進行了對比，如圖5~6。其中圖5表示通風管中心位置橫剖面上的凍土上限分布，圖6表示路基中心位置縱剖面上的凍土上限分布，圖中“已有技術(shù)1”為申請?zhí)枮?00710017288的技術(shù)，“已有技術(shù)2”為申請?zhí)枮?01010133544.7的技術(shù)?？梢钥吹?，本發(fā)明相對目前已有技術(shù)具有顯著應用優(yōu)勢，能夠大幅降低凍土天然地表溫度，并保證降溫過程的整體性、均勻性。其中：

①效能提高方面：

相比目前已有的兩種相近技術(shù)，本發(fā)明在冷季的降溫效率大幅提高，暖季的隔熱性能也有所增強，因此，本發(fā)明的使用使得路基的年際降溫效能相比目前已有技術(shù)顯著提高。圖5為路基通風管位置橫剖面上凍土上限（即0℃等溫線）分布，由圖中可以看到，目前已有兩種相近技術(shù)僅僅能夠抬升路中至陰坡下部凍土上限，且抬升幅度有限；而在陽坡附近，路基下部凍土上限位置甚至低于天然凍土上限，陰陽坡效應顯著。本發(fā)明可以大幅提高路基的降溫效率，陰坡凍土上限相對其他兩種技術(shù)有小幅抬升。同時，本發(fā)明可以顯著抬升陽坡下部的凍土上限，使得0℃等溫線到達天然地表附近且沿路基橫剖面基本保持水平，在很大程度上消除了路基的陰陽坡效應。

②降溫整體性方面：

圖6為路基中心位置縱剖面上凍土上限（即0℃等溫線）分布，由圖中可以看到，本發(fā)明的應用使得凍土上限位置相對目前已有技術(shù)有了顯著抬升，且其更為顯著的優(yōu)點在于：管下及管間凍土上限位置相差很小，路基降溫過程的整體性非常顯著，而其它技術(shù)，尤其是已有技術(shù)1中凍土上限埋深沿路基走向的起伏較大，路基降溫的整體性很差。

由于凍土的力學強度受到溫度的影響顯著，溫度升高甚至融化會引起凍土力學強度的大幅降低。因此，若通風管間土體凍土上限埋深大于管下土體，管間土體的力學強度會顯著降低，同時，該位置可能形成匯水區(qū)域，在上部車輛動荷載長期作用下可能會引起路面的波浪起伏、裂縫的發(fā)育、甚至是道路翻漿。由于高速公路對路面平整度和裂縫均有嚴格要求，因此目前已有技術(shù)無法滿足未來高速公路的建設需求。本發(fā)明的應用增強了路基在冷季的降溫幅度，大幅提升了路基降溫的整體性；同時，路基在暖季的隔熱性能得到增強。通過本發(fā)明的使用，不但可以有效提高路基的降溫效率，還能夠大幅提高路基溫度場的整體性、均勻性，對于減小路面可能的波浪起伏和裂縫發(fā)育具有顯著優(yōu)勢。