一种冻土路基降温用的预制块以及冻土路基复合结构的制作方法

本实用新型涉及冻土工程领域，尤其涉及一种冻土路基降温用的预制块以及冻土路基复合结构。

背景技术：

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，我国多年冻土（保存时间到达2年至数百万年以上）面积占到国土面积的21.5%，属世界第三冻土大国，而高海拔多年冻土面积则位居世界之最。

我国建设的青藏铁路、青藏公路，以及将要进行的青藏高速公路、新藏公路、新藏铁路、南水北调西线工程都面临高温（即温度接近0℃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与多年冻土的相互作用，保证路基和基础长期年稳定、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。

冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。因此，我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路、青藏公路等国家重大工程，在以“冷却路基”科学思想的指导下，针对各种调控路基温度场的工程措施开展了系统的科学实践，提出了诸如通风管-混凝土空心块复合路基、通风管-块石复合路基等调控效果较为优秀的复合路基结构。通风管和空心块层/块石层构成复合路基的路堤温度调控层，通风管置于空心块层/块石层的上部，由此改变空心块层/块石层顶面的热边界条件，从而使空心块层/块石层起到路堤内部整体单向导热的作用。

但是，（1）为保证调控效果和结构稳定性，上述这种结构对空心块/块石的现场顺序堆放精度要求高，且堆放过程繁琐复杂，费时费力，（2）并且由于通风管与空心块/块石为相互独立的部件，两者的稳定结合也是一大难点，比如：通风管-块石复合路基中，由于块石粒径较大（一般为20~30cm），在已经铺筑的块石层中埋设通风管十分困难或者难以铺设；（3）此外，在换热效果上，块石层中块石的大小混杂、无序堆放，造成块石层中的对流换热通道大小不一、路径曲折、块石层顶底面难以进行直接对流换热，使得换热效能大打折扣。

总之，这些致命缺陷的存在完全限制了上述两种复合路基在实际工程中的有效应用。因此，面对在多年冻土区修筑高速公路的实际工程需要，面对地温整体、均匀、有效调控的特殊要求，不断进行技术创新、进步，是解决工程难题的关键途径。而本申请正是针对这种工程实际迫切需要而进行。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种冻土路基降温用的预制块以及冻土路基复合结构，以克服现有复合路基结构在实际工程应用中的致命缺陷，为有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种冻土路基降温用的预制块，该预制块为一体化结构，包括：

位于预制块上部或者中上部的通风通道；

分别位于所述通风通道左右两侧的对流换热空间I和对流换热空间II；

以及位于所述通风通道下方的对流换热空间III；

其中，所述通风通道和上述三个对流换热空间均在所述预制块的厚度方向上贯通，并且四者的中心轴相互平行；

使用时，将多个所述预制块沿其厚度方向依序拼装成列，然后多列并排拼装形成路堤温度调控层，并且使位于所述路堤温度调控层两端的所述通风通道能够与外界环境相通、位于两端的三个对流换热空间均与外界环境隔绝。

优选的，所述三个对流换热空间的空间相互独立。

优选的，所述三个对流换热空间的空间相互连通。

优选的，所述预制块的左右两侧壁均为实壁。

优选的，所述预制块的左右两侧壁均为透壁，或者多列并排时相邻预制块之间相对的侧壁均为透壁。

优选的，拼装后形成的所述长条形通风通道的一端或者两端设有自动温控风门，所述自动温控风门能够根据环境温度变化进行开闭操作。

相应的，本实用新型还提供了一种冻土路基复合结构，包括从下到上依次设置的天然地表、路基填土I、路堤温度调控层以及位于最上层的路基填土II，其特征在于，所述路堤温度调控层由上述任意一项所述的冻土路基降温用的预制块构成，并且多个预制块沿其厚度方向依序拼装后形成的长条形通风通道垂直路基走向。

优选的，设在所述路堤温度调控层与所述路基填土II之间的保温材料。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、根本解决调控措施关键难题

本申请中单个预制块为一体化设计，多个预制块沿其厚度方向依序拼装后能够使整体通风通道和整体对流换热空间直接一次成型，方便快速，既有效解决了现有技术中通风管与空心块/块石难以稳定结合的问题，又解决了现有技术中空心块/块石循序堆放过程繁琐复杂的问题。可见，本申请有效扫除了现有复合路基在实际工程应用中的致命缺陷，为有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。

2、实现冻土道路工程一体化、快速施工的目标

由于本申请预制块结构简单、一体成型，可以通过制砖机等机械，快速成型、大量生产，同时，在道路施工过程中只需顺序排放，自然形成所需特殊调控结构，因此，完全可以随着道路施工过程一体化、快速施工。

3、对流换热结构的根本改变、换热功率的成倍提高

以往块石层中块石的大小混杂、无序堆放，造成块石层中的对流换热通道大小不一、路径曲折、块石层顶底面难以进行直接对流换热，使得换热效能大打折扣。而本申请通过通风通道与对流换热空间的一体化结合强化了通风管强迫对流和对流换热空间自然对流的复合降温效能，并且最大程度保证了自然对流换热效能的发挥，即也最大程度发挥温度调控层的单向导热作用，从而都使得温度调控层的换热功率和降温效能大幅提高或者成倍提高，进而实现对冻土路基温度场的高效降温。

4、冻土路基稳定性的大幅提高

基于第3点可以得到，通过本申请路堤温度调控层的调控，能够使得冻土基础大幅降温，这样冻土强度会成倍提高，进而大幅提高路基荷载能力和控制路基变形能力；同时，地温的显著降低能够使得暖季0℃线的融化深度大幅减少，从而极大消除由于冻胀、融沉问题所形成的工程病害。另外，本申请具有对地温场的平稳性、对称性的降温特性，能有效避免地温场不均匀可能导致的路基纵向开裂并随路面水分快速下渗过程导致的系列次生病害，进一步增加了路基的稳定性。

5、突出解决高速公路修筑难题

由于冻土高速公路强度的需求成倍提高，工程标准要求的更加严格，都对冻土工程调控技术提出更高要求。而现有技术难以满足工程修筑的技术要求，特别是高速公路全幅修筑、整体修筑，路面超宽条件下的技术要求。本申请由于特有的内部结构和换热方式、突出的地温调控效能、优异的工程降温效果，在完全满足工程实际要求的同时，也可以完全应对未来气候环境升温和冻土退化所造成的不利影响，由此保证冻土工程的长期安全和稳定。

附图说明

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。

图1为本实用新型冻土路基降温用的预制块的一种结构示意图。

图2为本实用新型冻土路基降温用的预制块的另一种结构示意图。

图3为本实用新型冻土路基复合结构的横断面示意图。

图4为本实用新型冻土路基复合结构的纵断面示意图。

图5为现有技术施以应用后的路基地温结果。

图6为本实用新型施以应用后的路基地温结果。

图中：1—通风通道，2—对流换热空间I，3—对流换热空间II，4—对流换热空间III，5—天然地表，6—路基填土I，7—路堤温度调控层，8—自动温控风门，9—保温材料，10—路基填土II。

具体实施方式

参考图1~4，本实用新型实施例提供了一种冻土路基降温用的预制块，其为一体化结构，具体包括位于预制块上部或者中上部的通风通道1、分别位于通风通道1左右两侧的对流换热空间I2和对流换热空间II3以及位于通风通道1下方的对流换热空间III4。其中，通风通道1和上述三个对流换热空间均在预制块的厚度方向上贯通，并且四者的中心轴相互平行。

实际应用中，上述通风通道1形状可以为椭圆（含圆形）、长方形（含正方形）、或其它几何形状。预制块可以采用混凝土、钢纤维混凝土、钢筋混凝土制成。

使用时，在路堤修筑过程中将多个预制块沿其厚度方向依序拼装成列，然后多列并排拼装形成路堤温度调控层。

其中，通风通道1顺序拼接形成长度较长的整体通风通道，位于路堤温度调控层两端的通风通道1通过延长管与外界对流换热。

位于通风通道1左右两侧和下方的三个对流换热空间各自顺序拼接形成长度较长的内部对流换热空间，其可进行自然对流换热过程；位于路堤温度调控层两端的各对流换热空间在路堤填土填筑过程中自然封闭并与外界环境隔绝。

进一步地，可以在拼装后形成的长条形通风通道的一端或者两端设有自动温控风门8，自动温控风门8能够根据环境温度变化进行开闭操作，温度控制范围为-5℃~5℃，具体地：环境温度低于设定温度时，自动开启风门，促进路堤与外界的换热过程；反之，关闭风门，阻挡外界热量进入路基内部。

至于分别位于通风通道1左右侧、下方的对流换热空间I2、对流换热空间II3和对流换热空间III4，它们的空间可以相互独立，比如图1示出的全实壁式预制块，也可以相互连通，比如图2示出的全透壁式预制块，换句话说，落实到实体结构上就是对流换热空间III4左右两边的侧壁是否为透壁。相较相互独立，相互连通的结构使得每列的对流换热空间整体化，对流换热效果更均匀些。

同时，预制块左右两边的侧壁可以均为实壁，比如图1示出的全实壁式预制块，也可以均为透壁，比如图2示出的全透壁式预制块。从上述预制块在冻土路基中的使用方式来看，可以理解的是，预制块左右两边的侧壁是否透壁影响到的是多列并排时相邻预制块之间的对流换热空间是否连通，进而影响整个路堤温度调控层的对流换热空间的整体性和对流换热效果的均匀性。实际上，在应用中做到多列并排时相邻预制块之间相对的侧壁均为透壁即可。

在实际应用过程中，我们可以结合现场实际需求与上述内容对预制块的结构类型进行选取，比如图1示出的全实壁式预制块，它的三个对流换热空间相互独立且相邻预制块之间对流换热空间也相互独立，这种结构制作简单、力学稳定性好，但费材料、降温效果略差；再比如图2示出的全透壁式预制块，它的三个对流换热空间相互连通且相邻预制块之间对流换热空间也相互连通，以此能够使得整个路堤温度调控层的对流换热空间的整体性和对流换热效果的均匀性最大化，这种结构降温效果最佳、节省材料，但制作工艺可以稍许复杂些。

基于上述实施例公开的冻土路基降温用的预制块，本申请另一实施例提供一种冻土路基复合结构，包括从下到上依次设置的天然地表5、路基填土I6、路堤温度调控层7以及位于最上层的路基填土II10，其中，路堤温度调控层7为上述实施例中任意一项预制块形成的路堤温度调控层，同时，为保证对地温场降温的平稳性和对称性，多个预制块沿其厚度方向依序拼装后形成的长条形通风通道垂直路基走向。

进一步地，可以在路堤温度调控层7与路基填土II10之间的保温材料9，这是由于公路路堤的热量主要来源于路面的吸热以及下传，为阻挡该部分热量对调控效果的影响，采用保温材料9来提高综合温度调控效果。

具体地，在路堤修筑过程中，（1）在路基填土I6填筑达到一定高度（0m ~ 2m）时，将其整平压实，在其顶面开始顺序放置路堤温度调控层7，路堤温度调控层7两端通过厚度为0.5m~2.0m的土层封闭于路基填土I6之中，为确保通风通道1与外界相通，路基断面两端的预制块的通风通道1在预制时可以向外突出0.5~2.5m。（2）路堤温度调控层7两端的整体通风通道端口处安装自动温控风门8，并在路堤温度调控层7的顶面直接铺设保温材料9。

其中，保温材料9可以采用聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合，其厚度为10~50cm，其埋设高度距路堤温度调控层7顶部0.0~0.5 m。

综上，冻土路基复合结构从对流和热传导两方面对路基温度场进行综合调控的工作过程为：

冬季低温环境条件下，自动温控风门8在环境温度低于设定温度时，自动打开，路基与外界通过整体通风通道进行空气的对流换热。随着整体通风通道周壁的降温，对流换热空间内的空气开始发生较大程度的空气自然对流过程，并使对流换热空间底面进行直接对流换热。由此，不断快速将热量传导至整体通风通道底面，以此实现底面整体、均匀、快速降温目的。

暖季高温环境条件下，自动温控风门8自动关闭，由此阻止路基与外界的换热，有效阻止暖季热量的侵入；其次，由于公路暖季的热量主要来源于黑色路面的吸热，保温材料9有效阻止了上部热量的下传。同时，受路基传热过程影响，对流换热空间内部的空气温度场呈上部温度高、下部低的温度状况，即上部空气密度低、下部空气密度高，空气处于静止隔热状况。整体的传热过程为空气、预制块壁面的复合热传导过程，由于空气的导热系数很低，仅为0.027W/(m2K)，且占比较大，因此，整个路堤温度调控层7处于较好的隔热状态。

正是在冷、暖不同季节变化过程中，通过路堤温度调控层7换热、隔热作用的变换，整体起到了单向导热、不断降低路基温度场的作用。由此最大程度保存了冬季蓄积的冷能、并将冻土温度维持在较低的水平。

可见，本申请通过通风通道1与对流换热空间的一体化结合强化了整体通风通道的强迫对流和对流换热空间的自然对流的复合降温效能，并利用保温材料9实现阻热蓄冷功能，实现了对路基下部冻土进行整体、平面式降温，提高了冻土上限，防止冻土路基发生路面不均匀沉降类灾害问题。

为验证本申请预制块以及使用该预制块的冻土路基复合结构的调控效能，结合上述冻土路基复合结构，在高温冻土区环境条件下对本申请路基与已有技术（独立通风管+保温材料复合路基）进行了数值仿真计算及对比。由计算结果可见，本申请较以往技术具有突出先进性。其中：

（1）本申请有效提升冻土地基的持力强度，确保公路冻土路基的长期稳定性。冻土路基的沉降变形与冻土上限有关，通过图6可以看出，本申请的0℃的最大融化深度基本位于路堤温度调控层7的底部，路基底部基本没有土体的冻融过程；其次，与图5相比，0℃温度线顶面的宽度得到有效加宽，与此对应，路基关键部位应力地温场得到根本改变，路基荷载作用全部为冻土层所承担，有效增加了路基承载力，使得冻土地区公路施工所要求的整体、均匀温度场得以有效实现。

（2）本申请更为突出的降温效能。通过对比图5和图6，可以看到，通过本申请的应用，路基下部0℃等值线显著高于已有的复合温控路基，在公路路基内部显著抬升了冻土上限，并有效地降低了路基下部冻土的温度，如图5中所示，使用本申请路基之后，路基下部出现了大面积的-2℃的区域，这些低温区域更有利于保护路基的力学稳定性，并且可以持续降低路基温度。

（3）本申请有效改善冻土路基地温场分布。通过改变以往调控措施的降温方式，从根本上解决冻土地区公路的修筑难题。从图5、图6中可以看出，与已有技术的沿通风管线性降温方式完全不同，本申请对路基下部土体呈整体、均匀、对称式降温，0℃等值线相比已有的复合温控路基更加平滑，且相对于路基更加对称，这将消除路基由于地温场不平整引起的路面不均匀变形，达到冻土路基平整性的标准。

（4）本申请可以应对未来各种不利影响。本申请各项技术指标大幅提升，通过模拟计算，完全可以满足未来青藏高原等冻土地区不断变化的自然环境对工程建设所造成的不利影响，确保路基的长期稳定。

以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。