专利名称：多年冻土地区铁路防冻害路堤结构设计的制作方法
技术领域：
本实用新型属铁路道路工程技术领域，具体涉及一种多年冻土地区铁路防冻害结构设计。
背景技术：
多年冻土地区铁路路基由于受路堤修筑和使用中路堤对冻土基础放热而引起冻土顶板下降，造成基础融降。因此，在多年冻土路基施工中以保护多年冻土设计原则修建铁路路基是寒区工程中最常采用的方法。目前多年冻土地区主动冷却地基方法有抛石通风路堤、热桩和遮阳棚等几种，上述几种方法一般有控温效果和热稳定性较差、建设投资过大或者难以维护等缺陷，不适合于大规模的铁路建设当中，只可用于特殊路段的冻土路基处理。
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种控温效果好，建设投资省，维护方便的多年冻土地区铁路防冻害路堤结构设计，以改善因道路施工对天然地基的扰动程度，使多年冻土基础破坏性融沉降低到最小，提高路堤的热力稳定性，起到保护多年冻土层的作用。
本实用新型提出的多年冻土地区铁路防冻害路堤结构，自上而下依次由道渣层1、路基填料层2、聚苯乙烯薄膜阻热层3、预制件水箱4和管口可闭合的预制通风管5组成。其中，道渣层1处在路堤最上层，其上面铺设铁路枕木；道渣层下面路基填料层2可以分成两层，上层为不透水填土层，下层为透水填土层，该透水层填充于预制件水箱4上部的斗槽内，两层土体之间为聚苯乙烯薄膜阻热层3；预制水箱4置于路堤填料2与下部土层之间，横截面形状为与路堤外形一致的梯形，其上部为斗槽，可填筑透水填土层，下面为储水箱，设有进水管和排水管；路堤最下部为预制件通风管5，沿路基纵向通风管之间相隔排列，通风管两端管口安装有排阀，可以同时开启或闭合。其结构见图1和图2所示。
本实用新型路堤结构中，设置的道渣层和填料层是铁路道路建设工艺和设计中，路堤所必须的构造部分，两层材料在热传输方面具有双向热阻作用，及具有阻止热流进入土体又阻止热流从土体向外散失的双重作用。
本实用新型路堤结构中设置的预制水箱具有部分热半导体的功能，冬季水箱内水体冻结向外放热，夏季水箱水体融化开始向外吸热。水箱上部布置有聚苯乙烯薄膜阻热层，可以阻断上部水分渗入和阻止部分热流向下传输，水箱上部形状为斗槽形，可填充有孔隙透水填土。水箱底部安装自来水管和阀门，通过它们来调节储水箱水量，水箱内水的体积不能超过水箱容积的90％，避免水体在冬季冻结时胀裂预制水箱。由于水箱的形状是扁平的，横向的冻胀应力不大，水箱的强度因素只须考虑其承载能力。为提高水箱中水的热容量和降低水的冻结温度，可以在水中加入少量的盐份。预制水箱和下部通风管之间还可敷设一层密实填土层13，以使两者间的受力均匀。
本实用新型路堤结构中，最下部为沿纵向等间隔排列的预制通风管，每根通风管管口两端安装有阀门14，采用连杆15等方式将等间隔排列的预制通风管的一侧端口的阀门连接在一起，利用与道班扳道相同方法可以同时开启或关闭阀门。预制通风管之间为填土，相邻预制通风管间距约为通风管直径的2~2.5倍。通风管底部为路堤基础。
本实用新型的路堤结构中，道渣层1和路基填料层2的厚度与通常的铁路路堤要求相同，预制件水箱的高度与路基填料层2的高度相近，两者之比一般为1∶0.8-1.2∶1，其中预制件水箱4上层的斗槽高度一般与下层的储水箱高度相近，预制件通风管5的高度(外直径)一般为预制件水箱4的下层储水箱高度的1.3-1.6倍；聚苯乙烯隔热层3的厚度一般为2-6cm(包括填土层)。
本实用新型的工作过程如下本实用新型路堤结构设计可以减低多年冻土因为人为活动造成的对路基冻土的扰动程度。根据实际采用的路堤断面不同几何参数，通过计算可以明确给出，本路堤结构可以减小因人为活动产生的多年冻土融化盘的作用。本路堤断面设置在夏季利用固态或液态水体的相变吸热和水的热容量升温吸热，同时，利用预制通风管排阀闭合，使通风管成为隔热体，此两种措施共同起到阻止夏季热流通过路堤进入路基的作用；在冬季预制水箱内水体冻结放热和预制通风管排阀开启，使通风管成为路堤与低温环境之间的热平衡体，通过这两种措施将冷量储存在路堤中，减低路堤对基础多年冻土的扰动。
本实用新型的工作原理本实用新型利用水箱内水体相变过程的吸、放热过程和可开闭通风管的隔热通风作用，以及聚苯乙烯材料的隔水和热绝缘性质，将多年冻土地区铁路路堤在夏季阻止热通量向路基基础传输，冬季利用同样的原理将冷量储存在铁路路堤内，达到降低路堤存在对下伏多年冻土基础的扰动，维持多年冻土环境的稳定性。
本实用新型在解决热流在路堤中的热传导时基本起到热半导体的作用，主要表现为预制水箱的水体在冬、夏两季冻结和融化交替发生，引起路堤内产生单向的热流进程，夏季阻止热流进入多年冻土路基层，冬季时冷量被储存在路堤内。夏季过逾热量也可以被预制水箱上部的聚苯乙烯阻热层部分阻挡；同时，夏季通风管是封闭的，其隔热效果也很显著。总之，在夏季上部热流只有少量通过路堤传入多年冻土基础，整个路堤的导热作用与自然地面接近。冬季时预制水箱水体降温到冰点冻结，将冷量储存起来。此时，聚苯乙烯阻热层对蓄积冷量作用不大。通风管处于开启状态，管内空气与大气连通。通风管内空气与大气处于热平衡状态，两者温度接近相等，保证多年冻土上部温度和自然地面相同。
图1为本实用新型路堤结构的横断面图示。
图2为本实用新型路堤结构的纵剖面图示。
图3为本实用新型路堤结构中的预制件水箱横截面结构图示。
图中标号1为道渣层，2为路基填料层，3为聚苯乙烯阻热层，4为预制件水箱，5为预制件通风管，6为枕木，7为铁轨，8为素土夯实，9为水箱进水管，10为水箱排水管，11为水箱上层的透水填料层，12为水箱下层的储水箱，13为密实填土层，14为阀门，15为连动杆。
具体实施方式
考虑一个高程为8m，坡度为1∶1.5的有路拱、边坡对称的单线铁路路堤，铁路等级按照青藏铁路设计要求设为I级，轨道类型为重型。路堤断面常规几何参数按“铁路路基设计规范”(TBJ1-85)中规定值采用为路轨宽度2.1m，高0.15m；路肩宽0.5m；道床厚度0.5m，路基面宽度6.9m。本实用新型中各层的厚度分别为非透水土层3.0m，不透水土层2.21m，水箱蓄水高度0.9m，通风管直径为1.2m。通风管沿纵向排列的管心距等于两倍管直径，即管心距2.4m。
权利要求1.一种多年冻土地区铁路防冻害路堤结构，其特征在于自上而下依次由道渣层(1)、路基填料层(2)、聚苯乙烯薄膜阻热层(3)、预制件水箱(4)和管口可闭合的预制通风管(5)组成；其中，路基填料层(2)分为两层，上层为不透水填土层，下层为透水填土层，下层填充于预制件水箱的上部斗槽内；预制件水箱(3)的横截面为梯形，其上部为填充透水填土层的斗槽(11)，下面为储水箱(12)，两侧分别设有进水管(9)和排水管(10)；预制件通风管(5)沿路基纵向相隔排列，通风管(5)两端设有阀门(13)。
2.根据权利要求1所述的铁路防冻害路堤结构，其特征在于道渣层(1)和路基填料层(2)的厚度与通常的铁路路堤要求相同，预制件水箱(4)的高度与路基填料层(2)的高度之比为1∶0.8-1.2∶1，预制件通风管(5)的高度为预制件水箱(4)的下层储水箱高度的1.3-1.6倍；聚苯乙烯阻热层(3)的厚度为2-6cm。
3.根据权利要求1所述的铁路防冻害路堤结构，其特征在于相邻两预制件通风管(5)间距为通风管直径的2-2.5倍，通风管之间为填土。
4.根据权利要求1所述的铁路防冻害路堤结构，其特征在于预制件通风管(5)的一端阀门(13)由连杆连接，以便使阀门(13)同时开启或关闭。
5.根据权利要求1所述的铁路防冻害路堤结构，其特征在于所述储水箱(12)内储水量不超过储水箱容积的90％。
专利摘要本实用新型为一种多年冻土地区铁路防冻害路堤结构设计。从上至下由道渣、路基填料、聚苯乙烯薄膜阻热层、预制件水箱和两端可闭合的预制通风管组成；冬季负温环境下利用预制水箱中水体相变及其高热容量将冷量蓄积在路堤内，在路堤中形成类似于人工冻土热性能的固态冰体。同时，两端开启的通风管与大气之间处于热平衡状态，两者间温差很小；夏季正温条件下固态和液态水体吸收路堤上方热流、封闭预制通风管和聚苯乙烯阻热层降低热流向基础传输。本路堤结构施工简便，隔热效果显著和路堤后期维护成本较低等优点，能有效地预防铁路路堤对多年冻土顶板的扰动，满足多年冻土地区铁路施工对路基冻土稳定性的要求。
文档编号E02D17/18GK2755178SQ20042002344
公开日2006年2月1日 申请日期2004年6月4日 优先权日2004年6月4日
发明者李南生, 许强, 胡巍玮 申请人:同济大学