一种分布式太阳能高原铁路冻土地基加固装置及工作方法与流程

本发明属于太阳能光电利用领域，具体涉及一种分布式太阳能高原铁路冻土地基加固装置及工作方法。

背景技术：

青藏高原苍茫广袤，横亘西南，其面积约占我国领土面积的四分之一，具有极其重要的战略地位。随着我国综合国力的不断提升，人民物质和精神生活水平的不断提高，西藏与内地、与周边地区的联系正日益紧密，2006年青藏铁路通车，2014年拉日铁路通车，2018年川藏铁路成雅段通车，然而青藏高原作为世界中低纬度唯一的高海拔大面积的多年冻土分布区，其自然地质条件极为复杂，青藏地区的高原冻土具有与高纬度、低海拔地区冻土不同的特点，例如：地温高、厚度薄等，随着全球温室效应的进一步加剧，正变得越来越脆弱。

据不完全统计，青藏高原铁路路基病害超过80%都是由于路基所处地段地基的冻土热融沉陷和冷冻膨胀所致，而铁路路基的任何形变都会给铁路运输带来巨大的隐患，而现行的稳定冻土地基的措施有：选择合适的路基高度、构筑片石通风路基、放置热管、铺设隔热层和通风管、以桥代路和人工冻结土壤等，多为间接的、地上的、被动的和局部的举措。

通过引入新能源、新材料和新技术可以来改变这一被动局面：青藏高原丰富的太阳能和通行列车自身的重量，是造成铁路地基形变的重要因素，通过将太阳能和重力势能“变废为宝”的转换为电能，可以为加固装置提供清洁化的能量来源；通过具备记忆效应和超弹性的形状记忆合金以及随外加电压变化而产生软硬变化的电流变液材质，可以为加固装置提供智能化的材料供给；利用智能化材料嵌入地下，经纬交织，将整条铁路的地基互连互通，可以为加固装置提供网络化的结构支撑，从而实现了从直接的、地下的、主动的和整体的视角，去解决高原冻土退化给铁路地基带来的不利影响，为一条条通往世界屋脊的天路地基，夯实加固。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种分布式太阳能高原铁路冻土地基加固装置及工作方法，利用太阳能电池片和压电块获取电能，电流变液地下枕梁受电固化，形状记忆合金弹簧吸热收缩，两者经纬交织，构成网状结构，同时为大面积高原铁路冻土地基增加强度、降低温度和平缓形变，从而起到加固作用。

技术方案：本发明所述的一种分布式太阳能高原铁路冻土地基加固装置，包括太阳能电池片、压电块、支架、混凝土枕木、铁路路基、多年冻土层、电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧；所述太阳能电池片通过支架固定安装在铁路路基的南向坡面上，所述压电块固定安装在混凝土枕木的底部，所述电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧放置于多年冻土层中，所述形状记忆合金弹簧与其相邻两侧的电流变液地下枕梁固定连接，所述压电块和太阳能电池片分别与电流变液地下枕梁的内外层电连接。

进一步的，所述南向坡面上的太阳能电池片的表面需覆盖有高透明的保护性材料，太阳能电池片为不连续放置，间断处需留置兽道；支架为板状结构，板面上留有蜂窝状细小通风孔。

进一步的，所述每根混凝土枕木下，对称放置多个压电块，多个压电块之间相互串联，压电块应具有高压电常数和高机械耦合系数。

进一步的，所述电流变液地下枕梁与其上的混凝土枕木一一对应，摆放方位与混凝土枕木平行，形状记忆合金弹簧摆放方位与混凝土枕木垂直，众多电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧构成经纬网状结构。

进一步的，所述电流变液地下枕梁的长度应大于铁路路基的宽度，并相对铁路路基的中心呈对称放置，电流变液地下枕梁的宽度由中部向两侧逐渐对称缩小。

进一步的，所述电流变液地下枕梁为扁平状结构，其末端为根状结构，电流变液地下枕梁分内外两层，内外两层均填充有电流变液材质，所述电流变液材质均具备低使用电压、高屈服强度和不污染土壤的特点；其中，外层电流变液材质为大惯性的电流变液材质，其液固态之间相互相变的速度慢；内层电流变液材质为小惯性的电流变液材质，其液固态之间相互相变的速度快。所述电流变液地下枕梁的内外层填充的电流变液材质均由外壳密封包裹，所述外壳均具备绝缘、隔热、耐拉拽和有良好弹性的特点。

进一步的，所述形状记忆合金弹簧由中部向两端逐渐对称变细，与其相邻两侧电流变液地下枕梁的外壳固定连接。

进一步的，所述形状记忆合金弹簧的高温相变记忆温度，小于加固装置所处的多年冻土层近10年以来的月平均温度变化区间的最低值5℃以上。

进一步的，所述太阳能电池片和压电块对电流变液地下枕梁的供电方式均为直流电直接供应，所述太阳能电池片与电流变液地下枕梁外层电流变液材质之间的电连接为：太阳能电池片的正极接外层电流变液材质中心，外层电流变液材质两侧末端均接太阳能电池片的负极；压电块与电流变液地下枕梁内层电流变液材质之间的电连接为：压电块的正极接内层电流变液材质中心，内层电流变液材质两侧末端均接压电块的负极。

一种分布式太阳能高原铁路冻土地基加固装置工作方法，利用太阳能电池片和行驶列车产生的压电效应获取电能，根据电流变液材质受电固化的特点，有内外两层结构的电流变液地下枕梁的综合硬度，可做到与长时间的季节变化、短时间的天气变化以及行驶列车自身的位置变化对冻土地基的影响，智能匹配；根据形状记忆合金材质的形状记忆和超弹性特点，形状记忆合金弹簧在从低温相马氏体向高温相奥氏体转变的过程中，从冻土地基中吸收热量，长度收缩，在与其两侧相连的电流变液地下枕梁之间，形状记忆合金弹簧始终保持拉拽绷紧的状态；形状记忆合金弹簧在高温相奥氏体时所呈现的超弹性，能够承载吸收冻土地基中发生的频繁无序的热融冻胀，甚至是与其相连的电流变液地下枕梁移位所产生的应力；电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧的组合，使得整个加固装置在工作时，能够做到坚硬与柔韧兼而有之；而沿铁路绵延分布的大量电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧所构成的网状结构，则对整条铁路不同地段的冻土地基之间的联系进行了加强，将冻土地基受到的不利影响进行了分散，对冻土地基的稳定性进行了提高，从而实现了对整条铁路冻土地基进行了加固。

有益效果：本发明在地面上通过在铁路路基侧面分布放置太阳能电池片和在混凝土枕木下面分布放置压电块来获取电能；在地面下通过将电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧经纬交织，形成了增加冻土强度、降低冻土温度和平缓冻土形变的坚韧网状支撑结构，从而实现加固高原铁路冻土地基的效果。

具体来说，因青藏高原冬春季节多强风沙，故太阳能电池片的表面须覆盖有高透明的保护性材料，在不影响太阳能电池片接收太阳辐射的同时，起到保护作用；同时，由于动物迁徙区域与铁路行经区域会发生重叠，故太阳能电池片为不连续放置，间断处需留置兽道，方便动物快速穿过；此外，支架为板状结构，板面上留有蜂窝状细小通风孔，为铁路路基与外部环境的热量交换留有充分空间，同时即使发生动物不慎踏入支架处，其被板状支架卡住的几率，也会大大低于条形支架。

每根混凝土枕木下对称放置多个压电块，在可以获取较之单个压电块，更多电能的同时，使得这些压电块与混凝土枕木之间的相互作用力是对称的，而均衡的受力利于混凝土枕木的形态稳定；同时，为获取更显著的压电效应和更大的压电输出电压，压电块应具有高压电常数和高机械耦合系数，并将多个压电块之间的电连接方式设置为串联连接。

太阳能电池片对电流变液地下枕梁的外层直接供电，压电块对电流变液地下枕梁的内层直接供电，内外两层填充的电流变液材质，均具备在低电压供给的条件下，即可获得高屈服强度的特点，以获得足够的支撑能力，同时均须为不污染土壤的安全材质；包裹内外两层电流变液材质的外壳须具备绝缘、隔热、耐拉拽和有良好弹性的特点，即电流变液地下枕梁的内外两层均须保持热电两方面的独立性，即在热电两方面不受其外部环境的影响，不与外部环境进行能量交换，同时在电流变液材质相变发生从而引发体积变化时以及受到形状记忆合金弹簧的拉拽时，均能保持外壳不破裂。

受电的电流变液地下枕梁的外层由于相变惯性大，大到某个季节，小到某个时段，均能保持较为稳定的硬度，为主要承重构件；受电的电流变液地下枕梁的内层由于相变惯性小，可以快速感应行驶而过的列车重量，即时进一步增强整个电流变液地下枕梁的硬度，实现根据有无列车区别对待，为次要承重构件；形状记忆合金弹簧处于低温相马氏体时的长度，等于相邻两根电流变液地下枕梁间的间距；形状记忆合金弹簧处于高温相奥氏体时的长度，小于相邻两根电流变液地下枕梁间的间距；形状记忆合金弹簧由低温相马氏体向高温相奥氏体转变的记忆温度，设置为小于加固装置所处的多年冻土层近10年以来的月平均温度变化区间的最低值5℃以上；在低温相马氏体向高温相奥氏体转变的过程中，形状记忆合金弹簧持续吸收多年冻土层中的热量，为冻土降温，防止热融，同时自身长度收缩，对其相邻两侧的电流变液地下枕梁形成持续拉力，为电流变液地下枕梁间的连接构件；以铁路延伸方向为经线方向，则形状记忆合金弹簧为依照经线方向排列，电流变液地下枕梁为依照纬线方向排列，两者经纬交织，构成网状结构，埋于多年冻土层中；从整体来看，众多电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧构成大型地下网络，随着铁路的延伸，绵延对称排列于铁路路基两侧；从局部来看，单根电流变液地下枕梁和单根形状记忆合金弹簧均相对于自身中心呈对称结构，即中间粗，两端逐渐缩小的类纺锤形态，受力平均，结构稳定，同时电流变液地下枕梁的扁平状结构，也可以使得电流变液地下枕梁可以向其下更大面积的冻土分散压力；每根电流变液地下枕梁末端的根状结构，相对于此根电流变液地下枕梁所处纬线方向亦呈对称分布，并向外围放射性延伸，形成局部小型地下网络；此外，压电块和太阳能电池片分别与电流变液地下枕梁内外层之间的电连接亦为对称连接；众多对称性构造的应用，连同对称的大小型地下网络共同支撑起高原铁路冻土地基，使其坚韧稳固，从而保证冻土之上的列车能够安全通行。

附图说明

图1为本发明加固装置地上部分侧视结构图；

图2为本发明加固装置地下部分俯视结构图；

图3为本发明单根电流变液地下枕梁俯视结构图；

图4为本发明单根电流变液地下枕梁横截面侧视结构图；

图5为本发明单根电流变液地下枕梁末端根状结构图；

图6为本发明单根形状记忆合金弹簧结构图；

图7为本发明压电块和太阳能电池片与电流变液地下枕梁内外层之间的电连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-7所示，一种分布式太阳能高原铁路冻土地基加固装置，包括太阳能电池片1、压电块2、支架3、混凝土枕木4、铁路路基5、多年冻土层6、电流变液地下枕梁7和形状记忆合金弹簧8。

青藏地区平均海拔在4000米以上，空气稀薄，纬度与湖北相近，是我国太阳能资源最丰富的地区，存在大面积的高温冻土区，约有一半的多年冻土层温度在零下1℃以内；太阳能电池片1通过支架3固定安装在铁路路基5的南向坡面上，在获取大量清洁电能的同时，为铁路路基5的南向坡面遮阳，防止铁路南向阳坡和北向阴坡，由于接收太阳辐射量的差异而造成南向阳坡出现裂缝。

压电块2应具有高压电常数和高机械耦合系数，混凝土枕木4下对称放置的压电块2和铁路路基5南向坡面放置的太阳能电池片1的数量多少及面积大小，可结合现场多年冻土层6的情况，区别设置：在冻土发育不良和冻土退化明显的区域，可放置较多数量的压电块2和较大面积的太阳能电池片1；在冻土发育良好和冻土退化轻微的区域，可放置较少数量的压电块2和较小面积的太阳能电池片1；当行驶的列车由远及近的接近压电块2时，压电块2不断由小及大的形变，由于压电效应，持续产生电能，电能的多少与压电块2和列车之间的距离高度相关，压电块2和列车之间的距离远，形变轻微，产生的电能少，压电块2和列车之间的距离近，形变显著，产生的电能多；反之，当行驶的列车由近及远的远离压电块2时，情况亦然。

电流变液地下枕梁7一一对应的平行于地上混凝土枕木4，承受其上通行而过的列车以及整个铁路路基5的重压，其作用类似于现代混凝土建筑中的受力钢筋；电流变液地下枕梁7间的形状记忆合金弹簧8垂直于地上混凝土枕木4，并将众多电流变液地下枕梁7相连成网，将由上而下传递的重压分散至整个地下网络，其作用类似于现代混凝土建筑中的分散钢筋，同时由于形状记忆合金弹簧8自身的弹性，亦可吸收形状记忆合金弹簧8所处区域附近，频繁无序的热融冻胀所产生的应力；由于电流变液和形状记忆材质的智能性，由电流变液地下枕梁7和形状记忆合金弹簧8构成的地下网络其工作时又有别于传统的钢筋结构：

①电流变液地下枕梁7内部填充的电流变液材质，处于液态相的时候硬度低，处于固态相的时候硬度高，并且硬度随着加载其上的电压增大而变大；此外不同成分混合而成的电流变液材质，具有不同的相变惯性，即液态相和固态相之间相互转变的速度有快有慢；通过在电流变液地下枕梁7外层填充大惯性的电流变液材质，从季节上来看，在夏季，太阳辐射最为强烈，冻土热融最为明显，此时太阳能电池片1获得的电能也最多，将其直送至电流变液地下枕梁7的外层，可以使得在冻土最为脆弱的季节获得来自电流变液地下枕梁7最坚硬的支撑，与此相反，在冬季，太阳辐射最为薄弱，冻土热融最为轻微，此时太阳能电池获得的电能也最少，电流变液地下枕梁7的硬度也随之有所下降，综上可见，从长时间跨度的季节上来看，电流变液地下枕梁7的外层硬度，可以做到智能化的与不同季节对冻土的热融影响，相匹配。

此外，从某一天来看，太阳辐射昼夜有别，白天存在太阳辐射，此时太阳能电池片1获得的电能，可以使得电流变液地下枕梁7的外层变硬，对白天吸热后有所软化的冻土予以支撑；夜间不存在太阳辐射，电流变液地下枕梁7中大惯性相变的外层材质硬度缓慢下降，但仍具有可观硬度，仍可实现在没有电能获得的夜间，对吸热软化不明显，甚至硬化的冻土予以支撑。而能获得太阳辐射的晴天（气温高，太阳辐射好，冻土吸热软化明显）和不能获得太阳辐射的阴天和雨雪天（气温低，无太阳辐射，冻土吸热软化不明显，甚至硬化）的情形则与上述昼夜变化的情形相类似。综上可见，从短时间跨度的某一天来看，电流变液地下枕梁7的外层硬度，亦可做到智能化的与短时天气条件对冻土的热融影响，相匹配。

除此之外，电流变液地下枕梁7内层填充与外层不同的小惯性的电流变液材质，其作用类似于现代混凝土建筑中的加强钢筋，当列车行驶通过时，地基上的重压会进一步增加，列车越靠近电流变液地下枕梁7的正上方，多年冻土层6中的电流变液地下枕梁7所受重压则越大，而此时放置于混凝土枕木4下的压电块2的形变也变得越来越大，其由于压电效应释放出的电能也随之越多，这些电能被直送至电流变液地下枕梁7的内层，电流变液地下枕梁7的内层迅速变得坚硬，即时对列车通行时的电流变液地下枕梁7的硬度进一步加强，并且电流变液地下枕梁7内层的硬度也可以实现智能化的与通行列车的距离相匹配，即距离越近，形变越大，电能越多，硬度越强，反之亦然。

最后，在电流变液地下枕梁7的末端还设置了局部根状小型网络，其作用类似于现代混凝土建筑中的放射钢筋，正是由于这种根状结构，使得由电流变液地下枕梁7中心受力段传递而来的压力，可以向远离铁路路基5正下方的多年冻土层6的区域放射性分散，并且由于这种根状结构，还使得电流变液地下枕梁7的末端与多年冻土层6的接触面积大大增加，使得电流变液地下枕梁7附近的多年冻土单位面积上的压力大大降低，就好像在厚厚积雪里行走时所用的踏雪板一样，将人体重量通过长长的踏雪板，向人脚掌四周区域分散压力。

②形状记忆合金弹簧8具有不同于普通建筑工程用材的智能性，即形状记忆和超弹性；对形状记忆合金弹簧8的长度进行形状“编程”，使其记住在高温相奥氏体时的长度应小于相邻两根电流变液地下枕梁7间的间距，同时在形状记忆合金弹簧8处于低温相马氏体时，将其拉伸，重新塑形，使其长度等于相邻两根电流变液地下枕梁7间的间距，再将其与相邻两侧纬线方向的电流变液地下枕梁7固定连接；由于高温相变记忆温度为小于加固装置所处的多年冻土层6近10年以来的月平均温度变化区间的最低值5℃以上，所以放置于多年冻土层6中的形状记忆合金弹簧8在由低温相马氏体向高温相奥氏体转变的过程中，可以自动持续吸热，降低其附近区域的冻土温度，并持续保持收缩紧绷状态，紧紧相连两侧的电流变液地下枕梁7，经纬交织，牢不可分；此外，形状记忆合金弹簧8在高温相奥氏体时所呈现出的超弹性，可以承载吸收其附近区域的冻土，频繁无序的热融冻胀，甚至是与其相连的电流变液地下枕梁7移位所产生的应力，而自身不至于失效，甚至断裂；从而使得电流变液地下枕梁7和形状记忆合金弹簧8构成的大型地下网络，坚硬与柔韧兼而有之。

本发明采用太阳能电池片、压电块、支架、混凝土枕木、铁路路基、多年冻土层、电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧，通过太阳能电池片和压电块分布式的安装在铁路路基侧面和混凝土枕木下面，获取了清洁的电能；通过电流变液地下枕梁的双层结构和末端根状结构，以及电流变液地下枕梁受电固化特性和形状记忆合金弹簧的形状记忆和超弹性，实现了类似于现代混凝土建筑中的受力钢筋、加强钢筋、放射钢筋和分布钢筋的效用，支撑起列车与铁路路基的重压，降低冻土温度，并能与不同气象条件智能匹配；通过将众多电流变液地下枕梁和形状记忆合金弹簧经纬交织构成网状结构，将整条高原铁路的冻土地基连成一片，分散压力，共同抵御冻土热融冻胀带来的不利影响，从而实现了对高原铁路冻土地基进行加固的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。