一种对式供热防冻胀融沉路基及其施工方法

本发明涉及路基防冻胀融沉，特别是涉及一种对式供热防冻胀融沉路基及其施工方法。

背景技术：

1、季节性冻土是受季节性的影响，冬季冻结，夏季全部融化，呈周期性冻结，融化的土，因其成周期性的冻结融化，对路基的稳定性影响较大。冻胀是在夏秋地面水下渗或下水位升高的基础上，在冬季负温的作用下，发生水分迁移，使路基上层水分增多，并冻结成冰而形成。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。原位冻胀，是指土体没有外界水源补给，属于封闭系统的冻结,土体内部水分发生迁移而重分布，冻结后上层土层含水率较冻结前显著增加，下部土层含水率较冻结前减少，土体总含水率维持不变。分凝冻结，是指受外界温度梯度影响，水在土体内发生迁移产生分凝，如果在开放系统中，未冻区的水分由于可以得到外界补给，水分可以不断的向冻结锋面迁移，土体冻结锋面吸收外界补给水分冻结形成冰聚合体，则导致土体冻胀量急剧增大。原位水分冻结引起的冻胀量十分微小，从工程角度可以忽略不计，所以土体冻胀主要指水分迁移引起的分凝冻胀。

2、我国冻土分布广阔，多年冻土区面积215万平方公里，季节冻土区是513.7万平方公里，两者之和约占国土面积的75%。而且由于冻土特别是季节性冻土会产生冻胀，融沉以及造成路面翻浆和冻土路基的养护等一系列的路基工程问题，所以关于季节性冻土的研究一直是学术界的一个热点问题。

3、新疆北疆地区处天山山脉以北，地貌形态以洪积扇、山前平原、低山丘陵、河谷和冲积平原为主，岩土以细粒土、砂卵砾石、砂土、粉土、少量淤积粘土为主。气候夏季炎热，冬季严寒，境内有终年不化的天山、阿尔泰山的雪岭冰川。极端最冷温度-52℃最冷月平均气温-10℃～-26℃，负气温指数-600～-1300c.d。北疆地区的生活区及工程区海拔400～2000m左右，属季节性冻土区，由此因冻结、融化导致的路基冻胀、融沉等工程病害相对较严重。

4、现有的防冻胀路基一种方案是将热管的放热段插入至路基内部，吸热段位于路基外部，设置聚光罩将太阳光聚焦在热管的吸热段，直接对热管进行加热，再将热量传递至路基内部，缺点是无法将热量存储至夜间使用，而且太阳光直接照射热管，部分热量被热管吸收，另外还有一部分能量在被热管表面反射而无法被吸收，影响路基的加热效果。另一种方案是在以上方案的基础上设置储热单元将太阳能热量进行存储以备夜间使用，但储热单元位于路基外部，需另设场地和容器对存放储热材料，储热单元自身在储热的过程中，无论采用何种隔热手段都会造成热量损失，并且也并没有解决太阳能吸收不完全的问题。

5、因此，如何能创设一种新的对式供热防冻胀融沉路基及其施工方法，实属当前重要研发课题之一。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种对式供热防冻胀融沉路基，使其解决以下技术问题：

2、1、通过对路基内部上方加热的同时将水分及时排出，有效提高防冻胀效果；

3、2、在路基下方的风积沙层内设置蓄热沟，延长储热时间，降低对场地和容器的要求；

4、3、配合地源热泵系统使用，弥补单一形式获取热能的局限性；

5、4、在靠近路基下方处设置通风层对冻土进行散热防止融沉；

6、5、对式供热系统设有埋置于路基内部的集热器，以解决太阳能热量储热时间短，对储热设备和场地要求高，热损失严重的问题；

7、6、集热器设置吸热腔，使太阳光经多次反射后热量被充分吸收，从而解决太阳能吸收不完全的问题；

8、7、综合提高了太阳能利用率，解决传统路基防冻胀效果不理想的问题。

9、为解决上述技术问题，本发明提供一种对式供热防冻胀融沉路基，包括盲沟、透水管、风积沙层、第一防淤层、卵石层、第二防淤层、通风层、换土层、半刚性结构层、土工布排水层、防冻隔温层、防水层和路面层；所述路基通过对式供热系统进行加热防冻；

10、所述通风层为嵌筑在卵石层内的混凝土结构，通风层内部开设有贯通于路基两侧边坡的通风流道，用于对路基下层通风降温；

11、所述对式供热系统包括聚光器、集热器、传热棒、送热管和送热装置；

12、所述送热管布置成封闭的环形管线埋置在半刚性结构层内，送热管内填充有流体介质，送热管的上方和下方铺设延伸至边坡外的土工布，作为土工布排水层，用于加热后将水分排出；

13、所述集热器为中空壳体，内壁设置有保温层，保温层内填充隔热保温材料，集热器内部空间填充有储热材料，集热器的一侧侧向设置有吸热腔，吸热腔为开口朝外的盲腔，吸热腔的开口处设有将吸热器内部密封的透明材料，集热器内部空间填充有储热材料，储热材料将吸热腔的外壁包裹在内；

14、所述集热器对称埋置于半刚性结构层中，吸热腔的开口位于路基两侧边坡，并位于聚光器的焦点线上；

15、所述传热棒的一端插入至集热器内部的储热材料中，另一端插入至送热管中。

16、作为本发明的一种改进，所述聚光器为对称设置在路基两侧的两排曲面反光板，用于反射太阳光。

17、进一步地，所述吸热腔的外壁与储热材料的传热面积裕度范围在1.2到1.5，吸热腔开口处的透明材料具有真空夹层。

18、进一步地，所述集热器和吸热腔之间通过螺栓连接，在连接处集热器和吸热腔的壁面均涂有隔热涂层，并在连接孔的周围垫有玻璃钢垫板，螺栓与螺栓孔之间套有隔热衬套。

19、进一步地，所述送热装置对称设置在位于路基两侧的送热管上；

20、送热装置包括连接杆、活塞、单向风门和加速流道；

21、送热装置通过法兰盘安装在管路中，送热装置的内部设置有相互连通的竖直腔室和水平腔室，竖直腔室和水平腔室之间呈倒t形布置；

22、竖直腔室内设有连接杆和活塞，活塞与竖直腔室的内壁之间滑动密封，连接杆与活塞固定连接并伸出竖直腔室外部；

23、水平腔室与竖直腔室相接处设有两个单向风门，位于出口侧的水平腔室内设置加速流道，加速流道的内部结构满足特斯拉流道特性；

24、所述连接杆在外部机构的驱动下带动活塞直线运动，在活塞向上运动时，位于水平腔室进口处的单向风门开启，蒸汽进入至腔室内部，在活塞向下运动时，位于水平腔室出口的单向风门开启，蒸汽进入加速流道内加速后向外输送。

25、进一步地，所述一种对式供热防冻胀融沉路基还包括蓄热沟，所述蓄热沟为设置于风积沙层内部的深沟，蓄热沟的侧壁与底面均铺设有塑料膜，蓄热沟的顶部设置有将蓄热沟密封的盖板，蓄热沟内填充储热材料，储热材料中插入传热棒，传热棒的另一端插入至送热管内。

26、进一步地，所述述一种对式供热防冻胀融沉路基还包括地源热泵系统，所述地源热泵系统包括热泵机组、第一换热管和第二换热管，所述第一换热管为深埋至地下的循环管路，第二换换热管为置入蓄热沟内的循环管路，第一换热管与第二换热管相互独立且各自连通至热泵机组，所述第一换热管吸热地下热量，并在热泵机组内部与第二换热管换热，第二换热管再将热量传递至储热材料内储存。

27、进一步地，所述通风层两端设置有防尘网，通风层内部的通风流道倾斜设置，倾斜角度为0～30°，通风层内部的通风流道包括主流道和支流道，主流道为直道，支流道为弯道，主流道和支流道之间构成特斯拉阀流道结构，用于加速空气流通。

28、此外，本发明还提供一种施工方法，用于对上述一种对式供热防冻胀融沉路基进行施工，具体步骤包括：

29、s1、施工前准备

30、根据设计路线设中心桩，放线路基坡脚、边沟位置及占地界，在占地边界内距坡脚2～3米处开挖临时排水沟，清除地表杂物，准备基坑开挖；

31、s2、基坑开挖和盲沟施工

32、在路基沿线向下开挖形成基坑，基坑靠近两侧的位置施工盲沟，盲沟内铺透水管，透水管外周填筑碎石；

33、s3、风积沙层回填

34、盲沟内碎石侧壁整平，基坑基底压实，回填风积沙；

35、s4、第一防淤层、卵石层、通风层和第二防淤层施工

36、风积沙层上方铺设第一防淤层的土工布，铺设后填筑卵石层，卵石层填筑至预定高度后，在已填筑的卵石层上浇筑多个混凝土构件，并在相邻的混凝土构件之间以及混凝土构件的上方继续填筑卵石，直至设计高度后压实，形成通风层嵌筑在卵石层内部的结构；

37、s5、换土层填筑；

38、s6、半刚性结构层施工

39、在半刚性结构层内填筑煤渣至预定高度后，埋置集热器和送热管，并在送热管上方和下方铺设延伸至边坡外的土工布作为土工布排水层，然后继续填筑煤渣至设计高度，最后碾压整平；

40、s7、防冻隔温层、防水层和路面层依次施工。

41、进一步地，上述施工方法的步骤s3中，风积沙层回填至预定高度后，在层内布置蓄热沟的预制构件，并在蓄热沟内壁铺塑料膜，填充储热材料，蓄热沟顶部安装盖板，盖板安装后继续向蓄热沟的周围和顶部回填风积沙并压实。

42、采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

43、1、太阳光经过聚焦后进入吸热腔，并在吸热腔内部多次折射后，热量被充分吸收，相比传统方案中太阳光聚焦后直接加热热管或者导热工质而言，对太阳能的吸收率更高；

44、2、储热材料填充在集热器的内部，而集热器则整体埋置于路基中，在储热过程中即使有部分热量向外扩散，也会被路基所吸收，不至于全部被浪费；

45、3、不需要另设场地和容器放置储热材料，对施工路段所在区域的空间要求低；

46、4、在靠近路基的上方设置半刚性结构层，层内埋置集热器和送热管，并在送热管的上方和下方各铺设延伸至边坡外的土工布，在送热管对路基内部加热的同时，利用土工布织物的毛细作用将水分排出，提高防冻胀效果；

47、4、在路基底部基坑回填的风积沙层内设置封闭的蓄热沟，蓄热沟内壁和底面铺设塑料膜与外围的风积沙隔热，并设置专用的盖板将蓄热沟封闭，蓄热沟内可大量填充储热材料，与集热器共同实现热量的长时间存储；

48、5、设置有地源热泵系统，配合蓄热沟和对视防冻胀供热系统使用，以应对极端恶劣天气下太阳能获取不足的问题，弥补了热量获取形式单一性和局限性的问题；

49、6、在靠近路基的下方设置通风层，利用特斯拉阀流道特性，加速通风层内空气流通，进而提高对路基下方冻土的散热效果，避免发生融沉；

50、7、通风层的两端设置防尘网，并将通风层倾斜0～30°设置，由于路基阴坡、阳坡太阳辐射与坡面温度的不同，导致起路基左、右两侧坡面地温差异，可在通风层的两端形成压力差，迫使冷空气在通风层内流动并加速，达到对路基降温的目的；

51、8、卵石层内的石块孔隙可以在路基左、右两侧不同位置之间产生一定的对流换热过程，且通风层位于中部卵石层中，使得对流换热效应增强，以此来平衡路基的地温差异。