一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種通風管?通風塊降溫隔熱的復合路基結構，包括鋪設在天然地表上的路基填土，其特征在于：所述路基填土中交錯堆放通風塊層；所述通風塊層的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設與外界相通的通風管，該通風管的一端或兩端安裝自動溫控風門；所述通風管的上方鋪設有保溫材料。本實用新型通過對流換熱結構的創(chuàng)新，使得路基的換熱過程改變?yōu)槔浼镜膯蜗驌Q熱過程，換熱層的功率、降溫效能成倍提高，調(diào)控工程效果顯著改善。在大幅提高凍土路基穩(wěn)定性的同時，突出解決凍土高速公路修筑難題，確保凍土工程的長期安全和穩(wěn)定。
【專利說明】
一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構
技術領域
[0001]本實用新型涉及凍土工程技術領域，尤其涉及一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構。
【背景技術】
[0002]凍土是指具有負溫和含冰的土體和巖石，我國多年凍土分布面積約215萬平方公里，約占國土面積的22%，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等地區(qū)。隨著國家經(jīng)濟建設的不斷加快，在這些特殊地區(qū)不斷興建各種交通設施，如青藏公路、青藏鐵路等國家重大項目。但是由于凍土中冰以及未凍水的存在，并且其對溫度極為敏感，而道路工程施工以及全球變暖等原因會引起凍土溫度的上升，使得路基產(chǎn)生融沉病害，嚴重危害多年凍土區(qū)道路的穩(wěn)定性。因此如何維護多年凍土區(qū)道路路基的穩(wěn)定性，從而因地制宜地采用技術措施，以達到正確進行路基施工顯得尤為重要。
[0003]為解決好凍土問題，確保多年凍土區(qū)道路的安全穩(wěn)定，多年來科研人員提出了主動冷卻路基，保護凍土的總思路，并依據(jù)這一思路設計出了一系列降溫措施。目前最常見的為塊碎石層路基、通風管路基等，這些措施主要是利用寒季路基中下高上低的邊界溫差驅(qū)動的自然對流效應來達到降低凍土溫度和保護凍土的目的。但其中還存在不少問題，如塊碎石層路基還存在著內(nèi)部自然孔隙率達不到對流換熱要求，造成內(nèi)部對流換熱效能不均一，影響降溫效果；而單獨使用通風管降溫，由于在通風管尾部空氣流動減緩，造成了降溫效果整體的減弱，且無法阻止熱量通過通風管之間的路基填土傳入下部凍土。所以塊碎石層、通風管路基等現(xiàn)有措施仍I日不能從根本上滿足需要。
[0004]《一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱復合路在寬幅道路中的應用》(賴遠明，董元宏，張明義.中國，201010133544.7)對通風路基做出了改進。雖然能夠起一定的保冷、隔熱作用，但是尚存在諸多不足。首先，青藏高原荒漠化的自然環(huán)境，經(jīng)常性的風沙條件，會使得自然界的風沙通過通風管上的孔洞進入塊石層中，在不斷積累過程中，逐步導致整個換熱層效能的喪失;其次，由于現(xiàn)場條件、施工條件的限制，往往導致塊石層的自然孔隙率達不到對流換熱要求，導致?lián)Q熱效能的下降，難以達到降溫要求;第三，最為關鍵的是，通風管管口的不封閉，以及透壁通風管與塊石層的強烈換熱機制，會使得暖季熱量快速進入換熱層中，引起整體路基溫度的快速升高，由此，不僅不會起到降溫作用，反而可能會引起路基溫度的升高，從而導致路基內(nèi)部凍融作用的加劇，可能會造成次生路基凍融病害的產(chǎn)生。
[0005]《強化通風隔熱路基》(李國玉，李寧，牛富俊.中國，200710017288.3)雖然在通風管口安裝了自動溫控系統(tǒng)，但是由于整體結構設計的缺陷，導致整體結構強度下降、以及塊石層降溫效果的減弱。首先，通風管上的孔洞會造成通風管力學強度降低，極易損壞;其次，由于通風管置于最底部，在暖季，由于暖空氣的比重較輕，可以通過管壁的孔洞進入路基內(nèi)部，并在塊石層中上升、對流和換熱，快速升高路基的整體溫度，同時，由于通風管更加靠近路基的底部，其溫度變化對路基整體溫度影響更為快捷;第三，由于冬季冷空氣的比重較大，在通風管中的冷空氣難以通過管壁的孔洞進入上部塊石層中，難以進行對流和換熱，從而難以有效達到冷卻路基的效果。因此，該種技術難以有效發(fā)揮調(diào)控路基地溫的目的。
[0006]因此，面對在多年凍土區(qū)修筑各級公路的實際工程需要，面對地溫整體、均勻、有效調(diào)控的特殊要求，不斷進行技術創(chuàng)新、進步，是解決工程難題的關鍵途徑。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種確保凍土路基長期穩(wěn)定性的通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構。
[0008]為解決上述問題，本實用新型所述的一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，包括鋪設在天然地表上的路基填土，其特征在于:所述路基填土中交錯堆放通風塊層；所述通風塊層的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設與外界相通的通風管，該通風管的一端或兩端安裝自動溫控風門；所述通風管的上方鋪設有保溫材料。
[0009]所述通風管直徑為0.3?0.8 m，相鄰管軸線間距為I?5倍管徑，通風管軸心距離地表高度為0.5?1.5m。
[00?0] 所述通風塊層的厚度為0.3?1.5m，且兩側通過厚度為0.5m?2.0m的土層封閉于所述路基填土之中。
[0011 ] 所述通風塊層中的通風塊是指邊長或直徑為0.2-0.5m、壁厚為10?30cm且中部具有空心通道的正方體或圓柱體混凝土空心塊。
[0012]所述保溫材料的厚度為10?50cm，其埋設高度距所述通風管頂部0.0?1.0m。
[0013]所述自動溫控風門的溫度控制范圍為-5°05°C。
[0014]本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0015]1、對流換熱結構的根本改變、換熱功率的成倍提高。
[0016]以往塊石層中塊石的大小混雜、無序堆放，造成塊石層中的對流換熱通道大小不一、路徑曲折、塊石層頂?shù)酌骐y以進行直接對流換熱，使得換熱效能大打折扣。而本實用新型通過預制通風塊形狀的改進、層內(nèi)通風塊相互關系和結構的調(diào)整，使得其內(nèi)部對流換熱通道大小均一、路徑通暢，可以直接進行空心塊層頂面、底面的對流換熱，由于空氣自然對流速度、流量的增加，以及換熱界面的根本改變，都使得空心塊層的換熱功率大幅、成倍增加。
[0017]2、換熱過程的根本改變。
[0018]本實用新型改變以往相關技術只是注重結構改變，忽略冷季、暖季路基對流換熱過程對路基整體調(diào)控效能的影響，通過通風管溫控風門根據(jù)環(huán)境變化，冷季自動開啟、暖季自動關閉的方式，有效調(diào)控路基的整體換熱過程。由此將以往技術整體路基冷季、暖季雙向換熱的過程，根本改變?yōu)槔浼镜膯蜗驌Q熱過程，通過有效阻止暖季熱量的侵入，使得冬季的冷能最大程度不斷蓄積到路基的內(nèi)部。
[0019]3、降溫效能的成倍提高、調(diào)控效果的顯著改善。
[0020]首先，在降溫效能提高方面，⑴本實用新型由于對流換熱結構、工作條件的根本改變，使得空心塊換熱功率成倍提高，為整體降溫效能提供關鍵基礎;⑵本實用新型對路基整體換熱過程的根本改變，從方向上控制了路基整體地溫的變化。因此，通過對這兩個關鍵、重要環(huán)節(jié)的根本改變，使得本實用新型的降溫效能成倍提高;其次，在地溫調(diào)控效果方面，本實用新型由于空心塊特有的流暢的空氣流動通道，使得整體地溫可以快速達到整體降溫、均勻降溫的效果，由此使得地溫的變化過程平整、均勻，較好達到高等級公路地溫調(diào)控的整體降溫、均勻降溫的要求。
[0021]4、凍土路基穩(wěn)定性的大幅提尚。
[0022]首先，由于凍土基礎的大幅降溫使得凍土強度成倍提高，致使路基荷載能力、控制路基變形能力大幅提高;其次，由于本實用新型對地溫場的平穩(wěn)性、對稱性的降溫特性，能有效避免地溫場不均勻可能導致的次生病害，進一步增加路基的穩(wěn)定性;第三，由于地溫的顯著降低，使得暖季(TC線的融化深度大幅減少，從而極大消除由于凍脹、融沉問題所形成的工程病害。
[0023]5、突出解決高速公路修筑難題。
[0024]由于凍土高速公路強度的需求成倍提高，工程標準要求的更加嚴格，都對凍土工程調(diào)控技術提出更高要求。而現(xiàn)有技術難以滿足工程修筑的技術要求，特別是高速公路全幅修筑、整體修筑，路面超寬條件下的技術要求。本實用新型由于特有的內(nèi)部結構和換熱方式、突出的地溫調(diào)控效能、優(yōu)異的工程降溫效果，在完全滿足工程實際要求的同時，也可以完全應對未來氣候環(huán)境升溫和凍土退化所造成的不利影響，由此保證凍土工程的長期安全和穩(wěn)定。
[0025]因此，本實用新型可有效地降低公路路基下部凍土溫度，抬升凍土上限，確保凍土路基的長期穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0026]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0027]圖1為本實用新型的橫斷面示意圖。
[0028]圖2為本實用新型的縱斷面示意圖。
[0029]圖3為本實用新型一種通風塊示意圖。
[0030]圖4為本實用新型另一種通風塊示意圖。
[0031]圖5為現(xiàn)有技術施工的路基地溫結果。
[0032]圖6為運用本實用新型技術施工的路基地溫結果。
[0033]圖中:1一路基填土 2—保溫材料3—通風管4一通風塊層5—天然地表6一自動溫控風11。
【具體實施方式】
[0034]如圖1?2所示，一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，包括鋪設在天然地表5上的路基填土 I。路基填土 I中交錯堆放通風塊層4;通風塊層4的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設與外界相通的通風管3，該通風管3的一端或兩端安裝自動溫控風門6;通風管3的上方鋪設有保溫材料2。
[0035]其中:
[0036]通風管3直徑為0.3?0.8 m，相鄰管軸線間距為I?5倍管徑，通風管3軸心距離地表高度為0.5~1.5m。
[0037]通風塊層4的厚度為0.3?1.5m，且兩側通過厚度為0.5m~2.0m的土層封閉于路基填土I之中。通風塊層4中的通風塊是指邊長或直徑為0.2?0.5m、壁厚為10~30cm且中部具有空心通道的正方體或圓柱體混凝土空心塊(參見圖3、圖4)。
[0038]保溫材料2是指聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一種或者幾種組合，其厚度為10?50cm，其埋設高度距通風管3頂部0.0-1.0 m。
[0039]自動溫控風門6的溫度控制范圍為-5°05°C。可根據(jù)環(huán)境氣溫和時間變化，自動開啟或關閉。高于控制溫度風門關閉，低于控制溫度風門開啟。
[0040]本實用新型工作原理:
[0041]這種設有保溫材料、通風塊以及含有自動溫控風門的通風管路基從對流和熱傳導兩方面進行綜合調(diào)控，其工作過程為:
[0042]冬季低溫環(huán)境條件下，通風管3的自動溫控風門6自動打開，路基與外界通過通風管3進行對流換熱，對通風管3周圍的土體進行降溫。與此同時，路基中的通風塊因為存在寬敞、規(guī)則、有序的空氣流動通道，在路基上下溫差的驅(qū)動下，空心塊層內(nèi)存在較大的空氣自然對流，由此導致空心塊層頂面、底面的直接對流換熱，這樣不斷將熱量傳導至通風管3壁面，大幅提升整體通風管-通風塊層的換熱效能，實現(xiàn)了對路基進行整體、均勻、高效降溫的目的。暖季高溫環(huán)境條件下，通風管3的自動溫控風門6自動關閉，由此阻止路基與外界的換熱，有效阻止暖季熱量的侵入;其次，由于公路暖季的熱量主要來源于黑色路面的吸熱，保溫材料2有效阻止了上部熱量的下傳。由此最大程度保存了冬季蓄積的冷能、并將凍土溫度維持在較低的水平。
[0043]由此，本實用新型通過強化通風管3和通風塊的復合降溫效能，并利用保溫材料2實現(xiàn)阻熱蓄冷功能，實現(xiàn)了對路基下部凍土進行整體、平面式降溫，提高了凍土上限，防止凍土路基發(fā)生路面不均勻沉降類災害問題。
[0044]本實用新型具體應用實例1:
[0045]⑴在壓實的天然地表5上填筑路基填土I，首先在路基填土I內(nèi)距天然地表520cm處規(guī)則有序堆放厚度為0.6m的通風塊層4，通風塊層4是由尺寸為0.3m的中部具有空心通道的正方體混凝土空心塊組成，其次在通風塊層4上部設置與路基走向垂直的水平通風管3，通風管3的直徑為0.6 m，相鄰通風管3中心軸線之間的間距為2 m。
[0046]⑵在通風管3的兩端管口安裝自動溫控風門6，自動溫控風門開關的臨界溫度值為(TC。
[0047]⑶在相鄰通風管3之間鋪通風塊層4，該層厚度為0.6m，位置與通風管3平齊。
[0048]⑷在通風管3上部水平鋪設10cm厚的XPS保溫板2。
[0049]為驗證本實用新型路基結構的調(diào)控效能，結合上述路基結構，在高溫凍土區(qū)環(huán)境條件下對本實用新型路基結構與已有技術(通風管保溫材料復合路基)進行了數(shù)值仿真計算及對比。由計算結果可見，本實用新型較以往技術具有突出先進性。其中:
[0050]⑴有效提升凍土地基的持力強度，確保公路凍土路基的長期穩(wěn)定性。凍土路基的沉降變形與凍土上限有關，通過圖6可以看出，本實用新型的(TC的最大融化深度基本位于通風塊層的底部，路基底部基本沒有土體的凍融過程;其次，與圖5相比，(TC溫度線頂面的寬度得到有效加寬，與此對應，路基關鍵部位應力地溫場得到根本改變，路基荷載作用全部為凍土層所承擔，有效增加了路基承載力，使得凍土地區(qū)公路施工所要求的整體、均勻溫度場得以有效實現(xiàn)。
[0051]⑵更為突出的降溫效能。通過對比圖5、圖6，可以看到，通過本實用新型的應用，路基下部(TC等值線顯著高于已有的復合溫控路基結構，在公路路基內(nèi)部顯著抬升了凍土上限，并有效地降低了路基下部凍土的溫度，如圖5中所示，使用本實用新型路基結構之后，路基下部出現(xiàn)了大面積的-2°C的區(qū)域，這些低溫區(qū)域更有利于保護路基的力學穩(wěn)定性，并且可以持續(xù)降低路基溫度。
[0052]⑶有效改善凍土路基地溫場分布。通過改變以往調(diào)控措施的降溫方式，從根本上解決凍土地區(qū)公路的修筑難題。從圖5、圖6中可以看出，與已有技術的沿通風管線性降溫方式完全不同，本實用新型對路基下部土體呈整體、均勻、對稱式降溫，(TC等值線相比已有的復合溫控路基結構更加平滑，且相對于路基更加對稱，這將消除路基由于地溫場不平整引起的路面不均勻變形，達到凍土路基平整性的標準。
[0053]⑷可以應對未來各種不利影響。本實用新型各項技術指標大幅提升，通過模擬計算，完全可以滿足未來青藏高原等凍土地區(qū)不斷變化的自然環(huán)境對工程建設所造成的不利影響，確保路基的長期穩(wěn)定。
【主權項】
1.一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，包括鋪設在天然地表(5)上的路基填土(1)，其特征在于:所述路基填土(I)中交錯堆放通風塊層(4);所述通風塊層(4)的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設與外界相通的通風管(3)，該通風管(3)的一端或兩端安裝自動溫控風門(6);所述通風管(3)的上方鋪設有保溫材料(2)。2.如權利要求1所述的一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，其特征在于:所述通風管(3)直徑為0.3?0.8 m，相鄰管軸線間距為I?5倍管徑，通風管(3)軸心距離地表高度為0.5?1.5m。3.如權利要求1所述的一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，其特征在于:所述通風塊層(4)的厚度為0.3?1.5m，且兩側通過厚度為0.5m~2.0m的土層封閉于所述路基填土 (I)之中。4.如權利要求1所述的一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，其特征在于:所述通風塊層(4)中的通風塊是指邊長或直徑為0.2-0.5m、壁厚為10?30cm且中部具有空心通道的正方體或圓柱體混凝土空心塊。5.如權利要求1所述的一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，其特征在于:所述保溫材料(2)的厚度為10?50cm，其埋設高度距所述通風管(3)頂部0.0?1.0 m。6.如權利要求1所述的一種通風管-通風塊降溫隔熱的復合路基結構，其特征在于:所述自動溫控風門(6)的溫度控制范圍為-5 0C?5 0C。
【文檔編號】E01C3/06GK205557223SQ201620205160
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】王新斌, 俞祁浩, 袁昌
【申請人】中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所