针对路基冻胀的热管式太阳光热装置及路基防冻胀方法与流程

本发明属于路基工程建设与维护技术领域，尤其涉及一种针对路基冻胀的热管式太阳光热装置及路基防冻胀方法。

背景技术：

季节性冻土区地表土体的一个重要特征是由于温度的季节性正、负交替变化而引起的冬冻春融现象。土体的冬冻春融现象实质上是土中水的固液相变过程，由于水在固相和液相时的密度不同，相同质量的水在固相时的体积比液相时大9％，土体在负温状态下随之出现膨胀现象。因此，在一些降水多、地下水丰富、土质密实和季节性温度差异大的地区，伴随地表一定深度范围内土体温度的季节性变化，还会出现地表的冻胀隆起和融化沉陷现象。当在上述地区进行工程建设时，由于地基冻胀融沉的自然属性，上部建筑物或构筑物会随之产生变形稳定性问题，甚至出现破坏现象。而且，就建筑物和构筑物本体而言，由于建筑材料的耐久性、孔隙性、蓄水性原因，其在自然环境的影响下，温度正、负变化的过程也会引起各类冻害。

道路工程是基础设施完善程度的重要标志之一。其中，路基、桥梁和隧道是道路工程的三大重要组成部分。在季节性冻土区，与桥梁和隧道相比，路基具有一些独有的特殊性，第一，路基直接填筑在地表之上，相比桥梁更容易受到恶劣地层条件的影响，包括地下水、地基承载力等因素；第二，路基直接暴露在自然环境之中，相比隧道更容易受到恶劣自然环境条件的影响，包括大气降水、大气温度、太阳辐射等因素；第三，路基本体是由级配土体填筑而成的散体材料，由于土的孔隙性、多相性和自然变异性，更容易出现水分、温度的大幅度波动，以及材料的变形和伤损现象。概括言之，由于路基本体和环境条件的特殊性，寒区路基工程普遍面临冻胀的威胁。

由于道路工程通行条件的重要性，路基的平顺性要求高，寒区路基的冻胀变形问题就显得非常重要。相应地，针对寒区路基冻胀病害，在路基建设和管养领域研究与采用了多类多种冻胀防治措施，包括：

(1)地基处理和填料土质改良，具体有地基换填、填料改良土等。

(2)填料和地基水分控制，具体有防、排、隔水结构。

(3)填料和地基温度控制，具体有保温隔层、保温护坡等保温材料结构型式。

上述措施主要在建设阶段进行实施，主要目的是预防冻胀的出现和降低冻胀变形量。局限性在于，一方面，不能严格控制冻胀现象的发生；另一方面，当路基出现冻胀现象时，缺乏快速消除冻胀的应急抢险措施。

对于高速铁路的无砟轨道，由于采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代了有砟轨道中的粗粒碎石道床，虽然长期稳定性好，但却使得无砟轨道适应下部结构沉降变形的能力大为下降，而且养护维修难度大。尤其当无砟轨道发生冻胀现象时，由于整体性好，反而不能像有砟轨道一样通过调整道床道砟高度来平衡路基的冻胀变形，所以急需一种更为有效和便捷的防冻胀措施。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种针对路基冻胀的热管式太阳光热装置，以解决现有技术中路基防冻胀措施效果不够理想的问题。

为解决上述技术问题，本发明的第一实施例提供了一种针对路基冻胀的热管式太阳光热装置，包括用于将太阳能转化为热能的太阳能真空集热组件、用于传递热量的散热组件和用于促进热量由所述太阳能真空集热组件向所述散热组件传递热量的液芯型热管组件；

所述太阳能真空集热组件包括光热转化管，所述光热转化管外套有光透射管，所述光热转化管的轴线和所述光透射管的轴线重合，所述光热转化管和所述光透射管之间为真空腔，所述光热转化管和所述光透射管的两端密封连接，所述光热转化管的两端分别连接第一接头和第二接头，所述第一接头上设有端盖使所述光热转化管的一端形成密封；

所述散热组件包括散热管，所述散热管的一端连接所述第二接头与所述光热转化管导通，所述散热管的另一端设有锥形导向帽，所述光热转化管的内部和所述散热管的内部填充有第一传热介质，所述散热管的外壁设有散热翅片；

所述液芯型热管组件包括第一管壳和第二管壳，所述第一管壳位于所述光热转化管的内部，所述第二管壳通过支架固定在所述散热管的内部，所述第一管壳的一端和所述第二管壳的一端通过密封件连接，所述第一管壳和所述第二管壳内部导通，所述第一管壳的另一端密封，所述第二管壳的另一端密封，所述第一管壳和所述第二管壳内部灌注有第二传热介质。

进一步地，所述第一管壳的内壁和所述第二管壳的内壁设有吸液芯。

进一步地，所述吸液芯通过钢丝网紧贴在所述第一管壳的内壁和所述第二管壳的内壁。

进一步地，所述光热转化管为外壁镀有太阳能选择性吸收膜的金属管。

进一步地，光透射管为外壁镀有增透膜的玻璃管。

进一步地，所述第一接头和所述第二接头均为变形补偿器，所述变形补偿器包括能够在轴向发生相对运动的内套筒和外套筒，所述内套筒和所述光热转化管连接，所述外套筒和所述光透射管连接。

进一步地，所述第一管壳和第二管壳的内部导通空间为负压环境。

进一步地，所述真空腔内设有蒸散型吸气剂。

进一步地，所述散热管的一端通过异径型螺纹连接器与所述第二接头连接，所述异径型螺纹连接器设有两个内径不同的螺纹管道，所述散热管的一端连接所述异径型螺纹连接器的一个螺纹管道，所述第二接头连接所述异径型螺纹连接器的另一个螺纹管道。

本发明的第二实施例提供了一种路基防冻胀方法，包括：

确定季节性冻土区存在冻胀病害路基的最大冻结深度；

计算防治冻胀路基所需的供热量和热负荷；

确定针对路基冻胀的热管式太阳光热装置的供热容量；

确定针对路基冻胀的热管式太阳光热装置的几何型式和布设方案；

制作针对路基冻胀的热管式太阳光热装置；

对路基进行钻孔，安装针对路基冻胀的热管式太阳光热装置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)相比既有的路基填料土质改良、水分控制和被动保温等防冻胀措施，本装置可以从路基体温度这一角度入手，更为积极地调控路基的温度变化。尤其是，可以在全年中有太阳辐射的条件下，时刻地搜集、转化与传递热量，相比路基在天然条件下的热量收支状态，可以主动地提高路基的热输入量，由此提高路基全年的平均温度水平。一方面，利用夏季的高辐射量条件，大幅度地增加热输入量，由此提高路基在入冬时的温度水平，提高抗冻胀能力。另一方面，在冬季太阳辐射条件良好的条件下，也可以实时地输入热量，补偿路基的过度热量损失，由此综合地将路基温度保持在冰点温度以上，即可消除冻胀现象。相比既有防冻胀措施，本装置可以更进一步地防治冻胀发生。

(2)本装置的防冻胀效果来源为太阳能，太阳能是分布最为广泛、储量最为丰富的一类可再生热能。存在冻胀病害的路基一般位于北部纬度高和海拔高的地区，在这些地区恰恰是太阳能分布较为丰富的地区，因此太阳能面向路基冻胀问题具有区域分布上的资源性条件。同时，路基工程一般位于地势相对平坦的位置，太阳照射条件良好，便于取用。

(3)本装置可以自主地实现太阳辐射能的光热转化、热量储存和路基供热等一系列工作程序，自成一体化、自驱化的完整供热装置。尤其是，装置实用化程度高，人为操控需求低，可以长时间的无人值守，适合应用在环境恶劣、人工值守不便的长距离路基工程中。

(4)本装置部件组成与型式简洁，一方面，装置结构紧凑，整体强度高，稳定性好，适合应用于路基震动工况。另一方面，功能部件为立式柱状，布设位置、间距、角度及几何尺寸等设计方案可以灵活调整。尤其是，便于以长距离连续分布的点式布设方案，适合应用于路基分散式和大深度的冻胀分布特征。

(5)本装置采用的液芯型热管组件内部填充具有气液两相循环功能的第二传热介质，结合静态热传导的第一传热介质，可以高效快速地将太阳能真空集热组件搜集的太阳热能传递至路基散热组件。装置供热功能启动速度快，具有固定的供热启动温度和单向传热性能，供热功能和防冻胀效果更优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的针对路基冻胀的热管式太阳光热装置的结构示意图；

图2是图1中a-a横截面的结构示意图；

图3是图1中b-b横截面的结构示意图；

图4是图1中c-c横截面的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的路基防冻胀方法的流程图。

图中：1、端盖；2、第一接头；3、蒸散型吸气剂；4、真空尾嘴；5、光透射管；6、真空腔；7、光热转化管；8、第一管壳；9、异径型螺纹连接器；10、散热翅片；11、散热管；12、支架；13、锥形导向帽；14、第二管壳；15、第二接头；16、增透膜；17、选择性吸收膜；18、第一传热介质；19、第二传热介质；20、钢丝网；21、吸液芯。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，针对路基冻胀的热管式太阳光热装置包括用于将太阳能转化为热能的太阳能真空集热组件、用于传递热量的散热组件和用于促进热量由太阳能真空集热组件向散热组件传递热量的液芯型热管组件；太阳能真空集热组件包括光热转化管7，光热转化管7外套有光透射管5，光热转化管7的轴线和光透射管5的轴线重合，光热转化管7和光透射管5之间为真空腔6，光热转化管7和光透射管5的两端密封连接，光热转化管7的两端分别连接第一接头2和第二接头15，第一接头2上设有端盖1使光热转化管7的一端形成密封；散热组件包括散热管11，散热管11的一端连接第二接头15与光热转化管7导通，散热管11的另一端设有锥形导向帽13，光热转化管7的内部和散热管11的内部填充有第一传热介质18，散热管11的外壁设有散热翅片10；液芯型热管组件包括第一管壳8和第二管壳14，第一管壳8位于光热转化管7的内部，第二管壳14通过支架12固定在散热管11的内部，第一管壳8的一端和第二管壳14的一端通过密封件连接，第一管壳8和第二管壳14内部导通，第一管壳8的另一端密封，第二管壳14的另一端密封，第一管壳8和第二管壳14内部灌注有第二传热介质19。

使用时，将散热组件插入到预设点的地下，太阳能真空集热组件中的光热转化管7利用太阳能产生热量，并通过第一传热介质18将热量传递到散热组件，散热组件将热量发散到土体，使装置周围的土体升温。同时，光热转化管7产生热量，通过第一传热介质18将热量传递到第一管壳8，然后通过第二传热介质19将热量传递到第二管壳14，第二管壳14通过第一传热介质18传递到散热组件，使装置周围土体升温。

本发明的一个实施例中，光热转化管7为外壁镀有选择性吸收膜17的金属管，光热转化管7能够吸收太阳能产生热量，金属管外壁镀有选择性吸收膜17能够增强吸收太阳能的能力，提高产热的效率。

本发明的一个实施例中，光透射管5为外壁镀有增透膜16的玻璃管，玻璃管为硼硅玻璃制作而成，增透膜16通过光的干涉原理来增加透射光，增大光热转化管7的太阳辐射能搜集量。

本发明的一个实施例中，第一接头2和第二接头15均为变形补偿器，变形补偿器包括能够在轴向发生相对运动的内套筒和外套筒，内套筒和光热转化管7连接，外套筒和光透射管5连接。由于光热转化管7为金属材质，光透射管5为玻璃材质，金属材质的温度膨胀系数比玻璃材质要大；同时，光热转化管7的工作温度要高于光透射管5，因此光热转化管7的热膨胀变形要大于光透射管5的热膨胀变形。为保证两者间协调工作而不致相互影响而变形破坏，因此采用套筒式变形补偿器进行密封连接，以保证太阳能真空集热组件内部介质不泄漏。

套筒式变形补偿器的内套筒采用自压式密封结构，可以随着光热转化管7的伸缩在光透射管5内自由滑动，并始终保持光热转化管7和光透射管5之间的空间处于密封状态。

光热转化管7和光透射管5之间的密封空间为高真空度的真空腔6，作用为降低光热转化管7产生的热量向周围环境散失，进而提高太阳能真空集热组件的集热效率。

本发明的一个实施例中，第一管壳8和第二管壳14的内部导通空间为具有某一固定真空度的负压环境。第二传热介质19只有在太阳能真空集热组件的集热温度达到某一固定值以上时才会气化，进而进行气、液两相循环传热，以保证太阳能真空集热组件向路基散热组件的单向热量传递方向，防止出现逆向热流而引起路基热量损失的不利现象。

本发明的一个实施例中，光透射管5上设有真空尾嘴4，用于将真空腔6抽吸到设计真空度后进行密封。真空腔6内设有蒸散型吸气剂3，例如将蒸散型吸气剂3贴在套筒式变形补偿器的壁面上，蒸散型吸气剂3用于吸收真空腔6内释放出的微量气体，以保持真空度。

本发明的一个实施例中，第一接头2上设有端盖1使光热转化管7的一端形成密封，端盖1是一个带内螺纹的端头密封盖，采用不锈钢或黄铜材料制成，用于开启和密封光热转化管7的内部空间。

本发明的一个实施例中，锥形导向帽13为一个锥形的实心金属体，采用碳钢材质，具有强度高和刚性大的优点。散热翅片10为圆环状的金属片，采用铝材质制作而成。

本发明的一个实施例中，散热管11的一端通过异径型螺纹连接器9与第二接头15连接，异径型螺纹连接器9设有两个内径不同的螺纹管道，散热管11的一端连接异径型螺纹连接器9的一个螺纹管道，第二接头15连接异径型螺纹连接器9的另一个螺纹管道。由此将光热转化管7和散热管11的内部空间连接为一个连通的整体。异径型螺纹连接器9采用合金钢材质，具有强度高和延性好的优点。

本发明的一个实施例中，第一传热介质18可以采用导热油。

本发明的一个实施例中，第一管壳8和第二管壳14为具有一定直径和长度的金属圆管，采用铜、铝或不锈钢材质。第二传热介质19为低沸点、易挥发的化学液体。密封件用于隔开第一管壳8和第二管壳14的冷、热气流，保证热量的高效传递。

本发明的一个实施例中，第一管壳8的内壁和第二管壳14的内壁设有吸液芯21，吸液芯21通过钢丝网20紧贴在第一管壳8的内壁和第二管壳14的内壁。

吸液芯21为毛细多孔材料，作用为通过毛细力作用将第二管壳14中的液态的第二传热介质19输送回第一管壳8中。

支架12用于将液芯型热管组件牢固地固定在光热转化管7和散热管11内部的连通空间内，并浸入所述高温导热油中来传递热量。

如图5所示，本发明的实施例提供了一种路基防冻胀方法，包括：

步骤s501，确定季节性冻土区存在冻胀病害路基的最大冻结深度。

在冻胀病害位置布设温度监测孔和变形监测孔，通过长期监测数据确定冻结锋面在路基中的移动规律，并确定冻结锋面的最大深度，即冻胀病害的最大发育深度。

步骤s502，计算防治冻胀路基所需的供热量和热负荷。

首先测定冻胀地层填料的体积热容量和土中水的冰点温度，然后根据冻胀发生时的最低温度，基于热储量理论计算冻胀期间路基由实际温度提升至冰点温度以上时所需的供热量，由此计算冻胀期间冻胀地层在每延米长度上的热负荷。

步骤s503，确定针对路基冻胀的热管式太阳光热装置的供热容量。

根据区域太阳能流密度的季节性变化规律和太阳能光热转化效率，综合确定热管式太阳光热装置的最大和平均供热温度及其对应的有效供热半径。

步骤s504，确定针对路基冻胀的热管式太阳光热装置的几何型式和布设方案。

根据路基热负荷水平和热管式太阳光热装置的有效供热半径，确定热管式太阳光热装置在路基横断面上的布设位置，包括路基肩部、路基边坡中部或者路基坡脚处，以及在路基纵向上的布设间距，布设间距的取值范围为2.0～4.0m。再根据路基热负荷水平和装置布设间距，确定装置所需提供的供热量，据此确定装置的几何尺寸，包括光热转化管的管径和长度，即集热面积，以及散热管的管径和长度，即散热面积，管径的取值范围为110～150mm。同时，装置几何尺寸和布设间距要协调至两者几何尺寸不过大。

步骤s505，制作针对路基冻胀的热管式太阳光热装置。

步骤s506，对路基进行钻孔，安装针对路基冻胀的热管式太阳光热装置。

采用钻机在冻胀路段内施工，钻挖设计倾斜度和长度的孔洞，钻孔偏斜率小于0.5％，钻进过程中随时采用陀螺测斜仪控制和检测钻孔质量；采用吊机将装置吊装入预先钻挖好的孔洞内，然后采用高导热材料将装置与孔洞之间的缝隙回填密实；装置安装完成并现场检查无误后，投入运行。

本发明的优点为：

(1)相比既有的路基填料土质改良、水分控制和被动保温等防冻胀措施，本装置可以从路基体温度这一角度入手，更为积极地调控路基的温度变化。尤其是，可以在全年中有太阳辐射的条件下，时刻地搜集、转化与传递热量，相比路基在天然条件下的热量收支状态，可以主动地提高路基的热输入量，由此提高路基全年的平均温度水平。一方面，利用夏季的高辐射量条件，大幅度地增加热输入量，由此提高路基在入冬时的温度水平，提高抗冻胀能力。另一方面，在冬季太阳辐射条件良好的条件下，也可以实时地输入热量，补偿路基的过度热量损失，由此综合地将路基温度保持在冰点温度以上，即可消除冻胀现象。相比既有防冻胀措施，本装置可以更进一步地防治冻胀发生。

(2)本装置的防冻胀效果来源为太阳能，太阳能是分布最为广泛、储量最为丰富的一类可再生热能。存在冻胀病害的路基一般位于北部纬度高和海拔高的地区，在这些地区恰恰是太阳能分布较为丰富的地区，因此太阳能面向路基冻胀问题具有区域分布上的资源性条件。同时，路基工程一般位于地势相对平坦的位置，太阳照射条件良好，便于取用。

(3)本装置可以自主地实现太阳辐射能的光热转化、热量储存和路基供热等一系列工作程序，自成一体化、自驱化的完整供热装置。尤其是，装置实用化程度高，人为操控需求低，可以长时间的无人值守，适合应用在环境恶劣、人工值守不便的长距离路基工程中。

(4)本装置部件组成与型式简洁，一方面，装置结构紧凑，整体强度高，稳定性好，适合应用于路基震动工况。另一方面，功能部件为立式柱状，布设位置、间距、角度及几何尺寸等设计方案可以灵活调整。尤其是，便于以长距离连续分布的点式布设方案，适合应用于路基分散式和大深度的冻胀分布特征。

(5)本装置采用的液芯型热管组件内部填充具有气液两相循环功能的第二传热介质，结合静态热传导的第一传热介质，可以高效快速地将太阳能真空集热组件搜集的太阳热能传递至路基散热组件。装置供热功能启动速度快，具有固定的供热启动温度和单向传热性能，供热功能和防冻胀效果更优。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。