一种整体均衡降温蓄冷的路基结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，该结构包括在道路路堤中铺设垂直公路走向且与外界相通的通风管。所述通风管的一端或两端安装有自动温控风门；所述通风管的上方铺设有保温材料层Ⅰ；所述路堤的两侧内部埋设保温材料层Ⅱ；所述路堤边坡铺设有大孔隙介质层。本实用新型可以实现冻土高速公路条件下，路基整体降温、均匀和平稳降温的特殊技术要求，有效防控路基次生病害产生。
【专利说明】
一种整体均衡降温蓄冷的路基结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种整体均衡降温蓄冷的路基结构。
【背景技术】
[0002]冻土是一种温度低于(TC且含有冰的土岩，按冻土保持时间的长短可分为季节冻土 (半月至数月)和多年冻土 (一年以上)，我国青藏高原是世界上高海拔低玮度多年冻土分布最为广阔的区域。由于冻土中冰的存在其性质会较融土发生复杂和根本性的改变，而且在多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，更会形成厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，导致冻土和地下冰退化和融化，从而导致各种工程灾害的产生，对各种重大工程建筑稳定性产生重要影响。
[0003]我国兴建的青藏铁路、新藏公路、南水北调西线工程都面临高温(即温度接近(TC的多年冻土)、高含冰量冻土(即体积含冰量基本超过30%的多年冻土)、气候转暖和多年冻土不断退化等诸多难题。如何解决好路基和基础受多年冻土影响所导致的工程病害，保证路基和基础长期稳定、确保工程建筑安全运营也就成为亟待解决的关键科学问题。
[0004]公路与铁路相比冻土问题更为突出。已有研究表明(俞祁浩等.我国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究.中国科学(技术科学)，2014，44(4): 425?432)，在传热方面，由于铁路主要通过路堤填土坡面吸热，且吸收的热量主要集中在路堤填土底面的外侧部位，易于向外散热。但是对于公路，由于黑色路面的强烈吸热，以及沥青路面的隔水、阻止水分蒸发散热的影响，使得相同条件下公路路基的整体吸热强度是铁路的3倍多，且通过路面吸收的热流主要集中于路堤填土底面的中心部位，难以向周围冻土散热。同时，高速公路与普通公路相比，当公路路基宽度增加约I倍时，路堤底面的吸热强度增加0.6倍，由此产生更加明显的“聚热效应”，并导致冻土更加快速的退化。面对更高的技术标准，高速公路与冻土之间的热作用更加显著，在多年冻土区修筑高速公路将会面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。
[0005]通过采取一些较为有效保护多年冻土的工程措施，是解决冻土工程问题、保证冻土工程稳定性，并同时保护脆弱寒区冻土、生态环境和谐统一的唯一途径。在青藏铁路工程实践中，中国科学工作者创新性提出了 “冷却路基”为手段的积极的保护冻土原则，即冷却路基土体，减少传入地基土体的热量，增加地基土体冷储量的方式，通过降低冻土路基温度，达到维持冻土路基长期稳定的目的。并由此系统进行了工程实践，先后对块石路基、U型路基、抛石护坡、空心块护坡、通风管路基、热棒(粧)、遮阳板(棚)等工程措施开展了系统的应用研究，并取得丰硕成果，保证了青藏铁路的长期稳定。
[0006]但由于铁路与公路、高速公路路基结构和条件的不同，导致了路基传热过程、量值特征、热量空间分布等方面的本质差别。面对公路、高速公路路基地温调控更高的技术要求和标准，青藏铁路所获取的成功经验，难以直接在青藏公路以及青藏高速公路中获得应用，或满足工程实践要求。
[0007]已公开的专利“复合温控通风路基”(专利号:ZL200410002135.8)主要针对青藏铁路路基，研究结果显示了该种措施的先进性、有效性(俞祁浩，程国栋，牛富俊.自动温控通风路基的应用效果分析.岩石力学与工程学报，2004，23 (24): 4221 — 4228)。但是，在公路路基强烈吸热条件下，该种设计结构却存在突出工程问题。通过青藏高原青藏高等级试验示范实体试验工程中的应用，由实测资料可见(图1)，虽然该技术实施后，由于暖季通风管的关闭，以及保温材料的隔热作用，有效削弱了暖季传热的影响、保存了冬季储藏的冷能；由此大幅提升了(TC等值线高度，甚至接近原天然地表位置，同时有效降低了冻土温度。但是，由于设置的保温材料仅为通风管顶面的单向设置、单向阻热，路堤坡面侧向的吸热过程的影响显著。整体(TC等值线大幅抬升的同时，由于受到暖季坡面、路基侧向的热侵蚀作用的影响和叠加，导致了路基内部靠近路基边坡位置(TC线陡立、陡坎形态的形成，其落差甚至达到2m以上。而土体的冻胀上升、融化下沉，不仅会引起土体垂向位移的差异，同时也会引起冻结层与融化层土体力学性质和响应的差异，以及路堤体内不同部位之间的应力集中、错动和移动，诱发路基开裂等系列工程病害的产生。正是由于该种原因的存在，在青藏高等级公路试验示范工程中，在该种技术的实体试验工程中，路基发生连续的纵向开裂，路堤开裂宽度约到达2cm，并呈现不断增大的趋势。随着大气降水的进一步侵入，会进一步导致不均匀冻胀、或融沉等次生工程病害的产生，严重影响了冻土路基的长期稳定性。
[0008]另外，专利“对流-通风复合路基”(专利号:200820029281.3)虽然采用了通风管与块石护坡复合方法，但夏季热量能通过通风管、路基表面迅速向路基体内部传递，会导致路基下部冻土温度的升高。专利“基于XPS保温板与通风管的复合路基”(专利号:ZL201420016447.3)虽采用了通风管与保温材料，但同样无法排除夏季热量直接从通风管向路基下部快速传递，使下部冻土温度升高，融化深度加深。特别在多年冻土区修建高速公路条件下，这些措施都难以满足工程需要。
[0009]因此，面对上述问题，如何有效达到对公路、高速公路的地温调控要求，都是现代气候影响下如何保证青藏高速公路长期稳定亟待解决的关键难题。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种有效防控路基次生病害产生的整体均衡降温蓄冷的路基结构。
[0011]为解决上述问题，本实用新型所述的一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，其特征在于:该结构包括在道路路堤中铺设垂直公路走向且与外界相通的通风管;所述通风管的一端或两端安装有自动温控风门；所述通风管的上方铺设有保温材料层I;所述路堤的两侧内部埋设保温材料层π;所述路堤边坡铺设有大孔隙介质层。
[0012]埋设所述保温材料层Π于所述路堤下部的加宽部位，该路堤下部宽度的增加值为0.0?2.0m0
[0013]所述保温材料层I距离所述通风管顶部的高度为O?50cm。
[0014]所述大孔隙介质层与所述路堤坡面平行，其厚度为0.0?1.5m，高度至所述保温材料层I以上10?50cmo
[0015]所述保温材料层I和所述保温材料层Π的厚度均为10~30cm。
[0016]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0017]1、有效达到多年冻土区高速公路地温调控的特殊要求。
[0018]首先，通过综合措施的应用，有效避免暖季坡面热量侵蚀过程的影响，在避免冬季冷能散失的同时，进一步提高该措施的整体降温效能;其次，有效消除暖季(TC等值线陡坎、台阶形态的出现，达到了地温场平顺性、平稳性的目的；第三，(TC等值线上升范围扩大至整个路堤填土对应部位。因此，本实用新型可以实现冻土高速公路条件下，路基整体、均匀和平稳降温的特殊技术要求。
[0019]2、有效避免次生工程病害的产生。
[0020]由于上述(TC等值线、以及整体地温场的极大改善，路堤下部对应冻土基础强度均得到加强;路基不同部位之间的差异性、应力集中现象得到很大缓解;潜在路基内部滑动面得到有效消除。由于这些有利因素综合作用，冻土路基工程稳定性由此得到根本改善。
[0021]3、冻土路基稳定性得到的加强。
[0022]路基土体融化深度的降低，路基开裂等病害的有效防治，避免了大气降水沿裂缝渗入造成路基土体力学性质的改变，有效阻止冻融过程对路基稳定性的影响，由此进一步增加了冻土路基的稳定性。
[0023]4、工程成本和结构的优化、造价的降低。
[0024]本实用新型通过坡面结构的优化，可以节省以往坡面采用工程材料的一半，使得有限的资源得到最大了利用。虽然保温材料适度增加工程投入，但总体占比小。在整体工程投入有所降低的同时，工程性价比得到大幅提升，并取得最佳的工程效果。
[0025]5、保护环境。
[0026]采用本实用新型可以提高基础的稳定性，减少了工程维护和后期工程病害治理的费用，在青藏高原极为脆弱的自然环境条件下间接地起到了对环境的良好保护作用。
【附图说明】
[0027]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0028]图1为青藏高等级公路试验示范实体工程自动温控路基(2014年10月地温监测结果)。
[0029]图2为本实用新型的结构示意图。
[0030]图3为本实用新型与自动温控路基地温监测结果对比图。
[0031]图中一保温材料层1;2—大孔隙介质层;3—保温材料层Π；4一通风管;5 —自动温控风I? ; 6一路堤。
【具体实施方式】
[0032]如图2所示，一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，该结构包括在道路路堤6中铺设垂直公路走向且与外界相通的通风管4。通风管4的一端或两端安装有自动温控风门5;通风管4的上方铺设有保温材料层11;路堤6的两侧内部埋设保温材料层Π 3;路堤6边坡铺设有大孔隙介质层2。
[0033]其中:
[0034]埋设所述保温材料层Π3于路堤6下部的加宽部位，该路堤6下部宽度的增加值为0.0?2.0m0
[0035]保温材料层Il距离通风管4顶部的高度为O?50cm。
[0036]大孔隙介质层2与路堤6坡面平行，其厚度为0.0?1.5m，高度至保温材料层11以上10?50cm。
[0037]保温材料层Il和保温材料层Π3均为聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯中的一种，其厚度均为10~30cmo
[0038]大孔隙介质层2为块石、混凝土块、混凝土空心块中的一种或两种及以上组合。
[0039]自动温控风门5采用申请号为03114640.6，03114641.4的风门，该风门根据外界气温低于或高于设定温度时，自动开启或关闭风门。
[0040]本实用新型效能实现的原理:
[0041]首先，两端或一侧带有自动温控风门5的通风管4在冬季或夜晚外界环境温度较低时，路堤6开始通风，在对流换热效应作用下，迅速降低土体、冻土温度。而在暖季或白天环境温度较高时，自动温控风门5的关闭，有效阻止路堤6的对流换热、热能的侵入或路堤6冷能的丧失;其次，通风管4上部保温材料层11能在较大程度上阻止来自沥青黑色路面传递的热量;第三，高等级公路路堤较高，其宽大路堤边坡的吸热也是路基热量的重要来源，本实用新型的蓄冷坡面降温措施是一种更为高效的坡面调控措施，可以有效阻止坡面的吸热，并降低坡面温度;最后，通过不同方面的综合调控作用，在有效达到均匀、平整降低冻土路基温度目标的同时，也使得整体降温效能进一步提高。
[0042]本实用新型具体应用实例1:
[0043]⑴在分层压实的厚度为1.0m的路基6填土之上，放置直径为40cm的通风管4。
[0044]⑵通风管4两端安装有自动温控风门5，风门设定的开启和关闭的控制温度为(TC。温度高于0°C风门自动关闭，之下风门自动开启。
[0045]⑶通风管4上部铺设30cm厚度的压实填土后，铺设厚度1cm的注塑聚苯乙烯保温材料层11。同时在两侧路堤坡面铺设厚度1cm聚苯乙烯保温材料层Π 3，与通风管4顶部的保温材料层Il形成封闭结构。
[0046]⑷进行路堤6填土填筑、加宽。加宽后路基两侧坡面水平厚度均为50cm。
[0047](5)在坡面铺设大孔隙介质层2，大孔隙介质层2平行坡面、厚度为30cm，超出通风管4顶面保温材料层11的高度为20cmο
[0048](6)路堤6按照常规技术要求完成后续的工程施工。
[0049]为验证该实用新型的效能，结合现场实际情况，在室内对该种新型结构进行了数值仿真计算，并与原有技术(复合温控路基技术)的现场实测资料对比。由结果对比可以看至IJ，本实用新型具有突出的先进性，有效解决冻土工程难题。具体表现在以下方面:
[0050]⑴有效改善原有地温场状况，根本改变路基应力状况，有效解决高速公路修筑难题。
[0051]由图3可以看到，首先，本实用新型的(TC地温曲线(图中“本实用新型”曲线)完全消除已有技术(前述已有“复合温控通风路基”技术，图中“已有技术”曲线)陡立、陡坎现象的出现，(TC地温曲线已经转换为平缓过度;其次，(TC温度线顶面的宽度得到有效加宽，(TC拐点位置也由原来对应的路面位置，外移到靠近坡脚位置。与此对应，路基关键部位应力、地温场得到根本改变，路堤荷载作用全部为冻土层所承担。冻土高速公路所要求的整体、均匀温度场得以有效实现。
[0052]⑵有效消除工程病害发生原因。
[0053]由于冻土持力层部分的增加，路基应力场的断档现象、应力集中现象的消除，在路基应力场方面的消除了路基纵向开裂、不均匀沉降等病害发生原因。由于(TC地温曲线向外的缓慢过度，且延伸至坡脚以外，有效将路基内、及周围的大气降水排除至路基以外，由此从水分方面进一步消除工程病害发生的原因。
[0054]⑶更为突出的降温效能。
[0055]通过本实用新型的应用，路基下部暖季的(TC等值线显著高于已有的复合温控路基结构，在公路路基内部抬升了人为冻土上限约0.2m，并有效地降低了路基下部冻土的温度，如图3中所示，使用整体降温路基结构后，路基下部出现了-1.5°C地温等值线，更低的冻土温度降有利于保证路基的热学和力学稳定性，更好的抵御工程活动和气候变化对工程稳定性的影响。
[0056]⑷可以应对更为恶劣的自然环境、确保路基的长期稳定。
[0057]由于本实用新型各项技术的指标的大幅提升，通过模拟计算，本实用新型完全可以应对未来50年青藏高原环境温度升高2.6°C的变化情况。计算结果显示在未来环境变化条件下，(TC温度等值线，其它温度值冻土温度场基本维持稳定，完全可以确保路基的长期稳定。
【主权项】
1.一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，其特征在于:该结构包括在道路路堤(6)中铺设垂直公路走向且与外界相通的通风管(4);所述通风管(4)的一端或两端安装有自动温控风门(5);所述通风管(4)的上方铺设有保温材料层1(1);所述路堤(6)的两侧内部埋设保温材料层Π (3);所述路堤(6)边坡铺设有大孔隙介质层(2)。2.如权利要求1所述的一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，其特征在于:埋设所述保温材料层Π (3)于所述路堤(6)下部的加宽部位，该路堤(6)下部宽度的增加值为0.0?2.0m。3.如权利要求1所述的一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，其特征在于:所述保温材料层I (I)距离所述通风管(4)顶部的高度为O?50cm。4.如权利要求1所述的一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，其特征在于:所述大孔隙介质层(2)与所述路堤(6)坡面平行，其厚度为0.0?1.5m，高度至所述保温材料层I(I)以上10?50cmo5.如权利要求1所述的一种整体均衡降温蓄冷的路基结构，其特征在于:所述保温材料层I (I)和所述保温材料层Π (3 )的厚度均为1?30cm。
【文档编号】E01C3/06GK205617176SQ201620205073
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】游艳辉, 俞祁浩, 王新斌
【申请人】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所