一种用于季节性冻土地区路基结构的温湿度控制系统的制作方法

本实用新型属于冻土研究领域，具体涉及一种用于季节性冻土地区路基结构的温湿度控制系统。

背景技术：

在高寒区公路、铁路建设中，往往路基基础存在季节性冻土，由于季节性冻土特殊的物理性质，在冻融作用之下，对路基造成破坏甚至变形，对公路、铁路的运营造成巨大的安全隐患。尤其是川西高原在气候特征上属于亚寒带季风气候区与高原大陆性气候的交揉区，气候温和多寒，亦多降雨，在雨季来临时，路基内会蓄积大量的水分，雨季结束后很快进入冻结期，这时想要阻止冻胀将需要非常多的热量，进而及时的排掉或蒸发掉路基里面的水分显得非常重要，必须采取有效措施解决该地区冻土冻融产生的灾害。

CN201010217612.8的实用新型专利提供一种防治季节性冻土地区道路病害的路基结构，路基填筑时在地基土原地面路基底面宽度范围内全断面铺设一层复合防排水板，在复合防排水板上填筑下路堤填土至道路最大冻深标高，再次沿路基全断面铺设最大冻深处复合防排水板，继续填筑上路堤基土至设计路堤标高，在路基上路床顶面全断面铺设立体土工格栅，在道路最大冻深处、路堤底部原地面全断面铺设复合防排水板，在路床顶面沿路基横断面方向铺设立体土工格栅，下路堤填土与地基土之间铺设的基底复合防排水板的复合土工膜向上，虑水土工布向下。降低了路基湿度、提高了路基整体刚度，降低了季节性冻土地区道路冻害。但该实用新型只是降低路基湿度，无法对温度进行控制，在冻融作用下仍然有冻害产生。

CN201710813729.4的实用新型提供一种防治季节性冻土路基冻胀灾害的加热系统及其安装方法，加热系统包括加热装置、温控装置和供电装置，加热装置安装在路基中；加热装置包括热棒、加热管，加热管内布置有发热丝，加热管安装在热棒的下端，发热丝环绕在所述热棒的蒸发段；路基中，以及热棒的冷凝段和/或加热管安装有温度测量装置，温度测量装置与温控装置连接；温控装置还分别连接发热丝和供电装置，供电装置用于给发热丝供电。充分发挥热棒的高效导热性，利用发热丝发热对热棒蒸发段进行加热，使得工质蒸发并在冷凝段与土体换热，提高土体温度，防治土体冻结。但该实用新型没有考虑夏季太阳能光伏供电过剩，而冬季不足的影响，且未提到水分对路基的影响，夏季热棒冷凝段停止工作，该装置停止工作。

因而，仍然存在季节性冻土出现反复冻融，无法长期处于较为稳定的物理状态的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于季节性冻土地区路基结构的温湿度控制系统，控制和消除路基季节性冻害的产生，确保路基稳定，有效抑制路基的变形。

本实用新型采取的技术方案是：

一种用于季节性冻土地区路基结构的温湿度控制系统，包括设置于路基下部的防排水系统、路基中部的加热装置和路基上部的隔热层；所述防排水系统包括设置于路基底部的基底复合排水板，在该基底复合排水板侧边设有排水边沟，在基底复合排水板上方的冻结线处设有人字形复合排水板。

进一步的，所述人字形复合排水板的三维土工网芯朝上，复合土工膜朝下，人字形坡的坡率为3％；所述基底复合排水板的复合土工膜具有隔水功能，方向朝上，三维土工网芯朝下。

进一步的，所述加热装置与路基一侧的供电装置和温湿度控制器相连，所述温湿度控制器通过信号线与供电装置相连；加热装置由发热丝和加热管组成，供电装置由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池、直流负载组成，所述温湿度控制器通过信号线与设置在路基内的温湿度传感器相连，根据温湿度传感器返回的温度和湿度值，控制加热装置是否通电加热以调节温度和湿度。

进一步的，所述发热丝是由纳米合金材料制成的，加热管为镀锌钢管，所述发热丝螺旋环绕在加热管内侧，以提高加热效果。

进一步的，所述隔热层由聚苯乙烯泡沫塑料制成，厚0.05m，设置于路面之下的路床中。

本实用新型的有益效果：

本实用新型充分发挥发热丝高效发热和加热管的高效导热性，有利于路基土中液态水的蒸发，结合防排水结构以及可以长期为加热装置供电的太阳能电池，保证路基土长期处于低含水率状态，防治土体冻结，有效抑制路基的变形。

具体表现为：(1)本实用新型的发热丝在直流低压条件下即时发热温度最高可达360℃，不易断线、可浸水；发热丝电阻值均一，万米以上维持均一的电阻值；可在安全电压7-24v下发热，可匹配太阳能板电压；采用纳米技术生产的发热丝，可比现有的发热丝节电90％。(2)在路基上部设置的隔热层，能有效保持加热温度不外逸。(3)通过在路基底部铺设基底复合排水板，当季节性冻土地区路基在冬季气温降低时，冻结水(包括液态冻结水和气态冻结水)在温度梯度作用下从地基土向温度较低的路基方向迁移，此时，基底复合排水板的复合土工膜能够有效的隔断水分迁移通道，阻止地基土水分进入路基，此处的地基是路基下层衔接天然土的夹层，而由地基中向上迁移的水分会在复合土工膜下积聚并由高导水率的三维土工网芯渗透排出到路基两侧的排水边沟里；而通过设置人字形复合排水板，在路基土冻结过程中，其复合土工膜能有效阻止下路堤水分向上路堤和路床中迁移；同时最大冻深处集聚的水分能从人字形复合防排水板的三维土工网芯及时有效排出，降低路基的湿度。

附图说明

图1为本实用新型横断面结构示意图；

图2为加热装置结构图；

图中：1.路面、2.路床、3.隔热层、4.路基、5.温湿度传感器、6.加热装置、7.人字形复合排水板、8.基底复合排水板、9.信号线、10.温湿度控制器、11.供电装置、12.排水边沟、13.发热丝、14.加热管。

具体实施方式

如图1所示，一种用于季节性冻土地区路基结构的温湿度控制系统，包括设置于路基4下部的防排水系统、路基中部的加热装置6和路基上部的隔热层3；

所述防排水系统包括设置于路基4底部的基底复合排水板8，在该基底复合排水板8侧边设有排水边沟12，在基底复合排水板8上方的冻结线处设有人字形复合排水板7；所述人字形复合排水板7的三维土工网芯朝上，复合土工膜朝下，人字形坡的坡率为3％；所述基底复合排水板8的复合土工膜具有隔水功能，方向朝上，三维土工网芯朝下。

所述加热装置6与路基4一侧的供电装置11和温湿度控制器10相连，所述温湿度控制器10通过信号线9与供电装置11相连；加热装置6由发热丝13和加热管14组成，所述发热丝13是由纳米合金材料制成的，加热管14为镀锌钢管，所述发热丝13螺旋环绕在加热管14内侧，以提高加热效果(见图2)。

所述供电装置11由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池、直流负载组成；所述温湿度控制器10通过信号线9与设置在路基4内的温湿度传感器5相连，当温湿度传感器5返回的温度低于设定值2℃或者湿度值即含水量高于20％时，温湿度控制器10控制加热装置6通电加热以调节温度和湿度。

所述隔热层3由聚苯乙烯泡沫塑料制成，厚0.05m，设置于路面1之下的路床2中。

本实用新型温湿度控制系统的安装方法，包括以下步骤：

(1)铺设防排水复合板：在路基4底部铺设基底复合排水板8，将其具有隔水能力的复合土工膜朝上、三维土工网芯朝下，在基底复合排水板8上方、路基内冻结线处铺设人字形复合排水板7，其复合土工膜朝下，三维土工网芯朝上；

(2)埋设温湿度传感器：在路基4纵向上1/4和3/4深度各埋设一组温湿度传感器5，沿道路前进方向，相邻温湿度传感器5之间的距离为15～25m；

(3)铺设加热装置：在路基1/2深度处铺设水平加热管14和电缆，加热管采用回形管路设置，相邻加热管之间的距离为2～2.5m，在加热管内预制有发热丝13；

(4)铺设隔热层：在路基顶面以下0.35m处铺设0.05m厚的聚苯乙烯泡沫塑料板，作为隔热保温材料；

(5)架设装置及接线：供电装置11和温湿度控制器10被假设在路基一侧，之后，通过电缆将供电装置与温湿度控制器相连，再将温湿度控制器10通过电缆与加热装置6相连；同时，温湿度控制器再通过信号传输线分别与加热装置以及温湿度传感器相连。

室内试验表明，当外界温度大于0度且能为路基内提供充足的补给水时(补给水两种来源途径分别为地下水和雨水入渗)，含水率和温度成正相关；相反在外界温度大于0度且隔断补给水时，温度越高含水率降低的越快；因此采用防排水复合板隔断地下水供给以及路基内水分过量时能及时有效排除并通过路基中设置的加热系统以加热方式蒸发水分，可以保持路基的含水率长时间保持在较低水平，对冻土区路基的稳定至关重要。