CN101481899B - 一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基在宽幅高等级道路中的应用。其结构是由封闭的L型热管、块碎石护坡、保温层和路基填土构成，块碎石护坡铺在路基两侧边坡，直至天然地表；L型热管埋入路基填土中，管内的工质为氨或氮；保温层埋设在路面以下的路基填土中。本发明利用L型热管冷凝段和蒸发段角度在路基中的变化来降低路基中心下土体的温度，并结合块碎石护坡和保温层的优点，提高了路基冷季的冷能吸入量，并有效控制了暖季的吸热量，从而实现对宽幅高等级道路路基下伏土体温度的降低，平衡温度场，提升冻土上限，并且满足高温多年冻土区宽幅高等级道路路基稳定性的特殊要求。

Description

一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用

技术领域

本发明涉及一种道路结构形式，尤其是一种应用于高温多年冻土区宽幅高等级公路的路基结构形式，它可有效地降低高等级公路路基下部冻土温度，抬升冻土上限，确保冻土路基的长期稳定性。

背景技术

冻土是指具有负温和含冰的土体和岩石，按生存时间主要分为多年冻土和季节冻土。我国多年冻土面积约占国土面积的22.4％，是世界第三冻土大国。冻土中由于冰以及未冻水的存在，其性质极复杂且对温度极为敏感。由于道路工程施工以及全球气温变暖，都会引起冻土的升温，给路基带来融沉病害，严重危害多年冻土区道路的稳定性。

青藏铁路的建成及顺利运行带来了良好的经济社会效益。为了促进西藏地区经济社会的进一步发展，加快青藏高原和周边地区的经济建设，在西藏地区修建高等级公路就显得十分必要。西藏地区大部分为多年冻土区，在多年冻土区修建高等级公路一个至为关键的问题——是在全球变暖的大背景下，如何维护多年冻土区宽幅高等级道路路基的稳定性。比如：现有的路基大部分适用于低温冻土区、路基幅面较窄、路面形式采用吸热量较小的砂砾路面等。对于修建于高温冻土区宽幅高等级道路，现有的适用条件和技术都发生了改变。宽幅高等级道路的路基幅面宽度增大、采用吸热量较大的沥青路面，相关研究指出，在相同气温条件下，沥青路面的温度比砂砾路面高出2～3℃，容易造成路面的下陷、坍塌。基于这些考虑，就需要寻求新的措施来保护多年冻土区宽幅高等级道路的下伏多年冻土，确保寒区道路的稳定和畅通。

为了解决好冻土问题，确保多年冻土区道路的安全稳定，孙志忠等(孙志忠，马巍，李东庆.冻土区块石护坡路基调温效果试验研究.岩土力学，2006，27(11)：2001-2004)通过对青藏铁路块石护坡路基的调温效果的分析发现：块碎石护坡路基对下部冻土具有一定的冷却降温作用，但路基中部土体温度明显高于路基坡脚，这种温度场的不均衡将会造成路基的纵向开裂。为充分发挥碎石护坡的冷却降温作用，张明义等(张明义，李双洋，高志华，张淑娟.青藏铁路抛石护坡和保温材料复合路基温度场特征非线性分析.冰川冻土，2007，29(2)：306-314)对块碎石护坡路基进行了改进，利用保温材料的隔热性能，在靠近路基顶部处增设了保温材料。其研究结果发现，由于保温材料减少了自路基顶部导入的净热量，块碎石护坡便可有效消除路基内相对较少的过余热量，充分发挥对流降温作用，从而使下部冻土得到有效保护，确保路基的长期稳定性。然而在当今全球气候变暖的条件下，在多年冻土区，尤其在高温多年冻土区，对于路面温度较高、路基宽度较大的高等级道路而言，路基内储存着更多的热量，以上工程措施的冷却降温效率将不足以降低宽幅高等级道路路基及下伏土体的温度，如果将以上工程措施应用于宽幅高等级道路，其路基稳定性将难以得到保证。

发明内容

为了有效降低多年冻土区高等级道路路基内的温度，维护路基的长期稳定，本发明的目的提供一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基。该路基结构充分利用了热管与块碎石护坡的“热半导体”效应以及保温层的隔热保温特性，采用L型热管，降低高等级道路路基下部冻土温度，抬升多年冻土上限，确保宽幅高等级道路路基的多年稳定。

本发明的另一目的提供一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基在宽幅高等级道路中的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基，由L型热管、块碎石护坡、保温层和路基填土构成，块碎石护坡铺在路基两侧边坡，直至天然地表；L型热管的蒸发段埋入路基填土中，L型热管在路基纵向的间距≤2.0m。管内的工质为氨或氮；冷凝段自块碎石护坡延伸至路基外；保温层埋设在路面以下的路基填土中。

上述的L型热管由蒸发段和冷凝段组成，管外径为5～12cm；热管蒸发段完全埋置位于路基内，冷凝段下半部分位于块碎石护坡内，上半部分位于路基外。

上述的L型热管的蒸发段长度介于1.5m～12.5m之间，冷凝段长度为1.0m～3.0m，蒸发段和冷凝段之间的夹角α为100°～160°。

这种L型热管-块碎石护坡降温隔热复合路基的工作原理：在冷季，路基及其下伏土体温度高于外界气温，L型热管伸向路基中部，埋置管内充装的液态工质——氨或氮，在蒸发段吸收周围的热量后蒸发，形成的蒸汽运移到冷凝段后，将携带的热量释放到外界，同时冷凝为液体，冷凝液在重力作用下沿管内壁回流到蒸发段。这样的蒸发冷凝循环在L型热管内不断地进行，其结果是蒸发段周围土体的温度得到降低。由于L型热管的蒸发段是线性地伸入到路基中心处的，且其长度和角度均可根据需要在路基中进行调整，以达到对路基中心处土体冷却降温的目的。而此时，块碎石护坡内空气温度下部高于上部，内部空气密度上部大于下部，在重力作用下块碎石护坡内的空气发生自然对流，通过这种自然对流将外部“冷能”通过块碎石护坡送入路基土体内，这样就降低了路基边坡及附近土体的温度。在暖季，L型热管由于冷凝段的温度高于蒸发段的温度而停止工作，通过L型热管管壁进入路基的热量很少。此时，块碎石护坡内空气温度上部高于下部，空气密度上部小于下部，内部无空气对流产生，导热系数很小的空气阻隔了外界热量从路基两侧向路基内的传输；同时保温层阻隔了外部热量从路基顶面向路基内部的传入。综合上述，这种路基在冷季大量吸入“冷能”，而在暖季的吸热量很小，因而有着较高的净放热量，能够实现降低下部土体温度，平衡温度场，保护多年冻土的目的。本发明充分利用了L型热管冷凝段和蒸发段角度在路基中的变化来降低路基中心下土体的温度以及块碎石护坡和保温层的工作特点，有效地降低其下部冻土温度，提高冻土上限，防止冻土路基冻胀和融沉病害的发生发挥了良好的效能。

本发明的优点与产生的有益效果是：

1、L型热管埋设在宽幅高等级道路的路基填土中，L型热管的蒸发段长度介于1.5m～12.5m之间，蒸发段和冷凝段之间夹角可以在路基填土内100°～160°范围内任意调整，通过管内的工质循环来释放宽幅高等级道路路基深处的热量，克服了直立式热管固定在路基填土中一定位置的缺陷。

2、降温效果明显。本发明通过将L型热管和块碎石护坡降温作用与保温层隔热保温特性相结合，充分发挥各自的优点，实现冷季大量吸入冷能的同时，暖季的吸热量受到了有效限制，大幅度提高路基的净放热量，从而更加有效地降低路基下伏冻土的温度。因此，两者结合可提升多年冻土的人为上限，保护路基下的多年冻土，避免冻胀和融沉发生，取得很好的效果。

3、根据本发明的结构特点，可以调节路基左右两侧L型热管的角度和碎石护坡的厚度等，来达到调节冻土路基的不均匀温度场的目的，从而避免因不均匀变形而带来的道路裂缝。

4、本发明无需任何外部动力设施，无污染，保护生态环境。并且块碎石取材方便，成本低廉；L型热管可在工厂加工完成后运往现场直接安装，易于施工和维护，对冻土不会产生大的人为扰动，可满足高温、高含冰量多年冻土地区工程稳定性的特殊要求。

5、在应用范围方面，它可以直接应用于高温冻土区、铺设黑色路面的宽幅高等级道路工程中，在相同的试验条件下进行了对比试验：即未布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基与布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基相比，布设了L型热管的复合路基比未布设L型热管的复合路基温度低1～2℃，从而产生稳定可靠的工程效果。

附图说明

图1是本发明断面示意图。

图2是两种复合路基中心线底部温度随时间的变化曲线。

图3是负温结束时试验路基两热管中间断面的等温线图。

图4是负温结束时对照路基中间断面的等温线图。

图5是正温结束时试验路基两热管中间断面的等温线图。

图6是正温结束时对照路基中间断面的等温线图

具体实施方式：

下面结合附图，将对本发明再做进一步的说明。

实施例1

参照附图1，一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基，由L型热管(1)、块碎石护坡(2)、保温层(3)和路基填土(4)构成，将天然地表(5)压实后，填筑路堤填土(4)，并压密夯实，然后安装L型热管(1)，热管(1)与热管(1)在路基纵向的间距为2.0m。L型热管(1)由蒸发段(6)和冷凝段(7)组成，蒸发段长度为2.3m，冷凝段长度为1.1m，蒸发段(6)和冷凝段(7)之间夹角α为135°；管内的工质为氨，管外径为12cm；热管蒸发段(6)完全埋置于路基内，冷凝段(7)下半部分位于块碎石护坡内，上半部分位于路基外。

在路基表面下55cm的路基填土(4)处铺设10cm厚的EPS保温板(3)，

然后完成路基填筑；最后在路基两侧填加块碎石护坡(2)，水平厚度为1.2m，粒径为8～10cm，直至天然地表(5)。

其工作过程可描述为：在冷季，路基及其下伏土体温度高于外界气温，L型热管伸向路基中部倾斜埋置部分管内充装的液态工质，在蒸发段吸收周围的热量后蒸发，形成的蒸汽运移到冷凝段后，将携带的热量释放到外界，同时冷凝为液体，冷凝液在重力作用下沿管内壁回流到蒸发段。这样的蒸发冷凝循环在L型热管内不断地进行，其结果是蒸发段周围土体的温度得到降低。由于L型热管的蒸发段是线性地伸入到路基中心处的，且其长度和角度均可根据需要而调整，以达到理想的对路基中心处土体冷却降温的目的。并且，块碎石护坡内空气温度下部高于上部，空气密度上部大于下部，在重力作用下块碎石护坡内的空气发生自然对流，通过这种自然对流将外部“冷能”通过块碎石护坡送入路基内，这样就降低了路基边坡及附近土体的温度。在暖季，由于L型热管冷凝段的温度高于蒸发段的温度，停止工作；此时，块碎石护坡内空气温度上部高于下部，内部无空气对流产生，导热系数很小的空气阻隔了外界热量从路基两侧向路基内的传输；同时保温板阻隔了外部热量从路基顶面向路基内部的传入。因此，这种路基在冷季大量吸入“冷能”，而在暖季的吸热量很小，达到储藏“冷能”的目的，能够实现降低下部土体温度，保护多年冻土的目的。

实施例2

为验证L型热管-块碎石护坡降温隔热复合路基应用于宽幅高等级道路的有效性，本发明在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室内进行了模型试验。

试验装置由试验箱、温度控制系统、通风系统和数据采集系统组成。试验箱尺寸为8.0m×1.84m×2.7m，箱体由冷库保温板组成；温度控制系统由SANYO双头压缩机组、电脑温控器、氟利昂液体循环管道、蒸发器及温度传感器组成；通风系统由冷风扇、加速风扇、风速调节装置、回流风道等组成；数据采集系统由温度传感器、DT500数采仪和计算机组成。

试验模型箱内的空气平均温度为-4.0℃，气温周期较差为24℃，并设置浴霸灯泡来模拟太阳辐射，模型试验共进行了0～2π、2π～4π、4π～6π、6π～8π4个周期，一个周期为15天。

在相同的试验条件下进行了对比试验：第一组为试验路基，即L型热管-块碎石护坡降温隔热复合路基；第二组为对照路基，即没有布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基。

试验结果如图2～图6所示。

由图2可见，即未布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基(对照路基)与布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基相比，在路基中心线底部，试验路基的温度始终远低于未布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基，两组路基始终保持着较大的温差，到第四周期结束时，布设了L型热管的复合路基比未布设L型热管的复合路基温度低1.2℃左右。综上所述，布设L型热管的块碎石护坡降温隔热复合路基中心处土体在碎石护坡的冷却效果影响范围之外，温度差异显然是伸入到路基深处的L型热管的冷却降温作用所致。

比较图3和图4可以看出，在环境温度第4个周期负温结束时，即路基土体冻结程度最大时，在对照路基(见图4)内，在碎石护坡的降温作用下，靠近边坡约1.5m左右范围内的路基土体被降低到-1℃以下的低温；但其影响范围有限，路基中心区域的大部分土体的温度仍处于1℃的高温。在L型热管试验路基(见图3)内，所有土体已全部处于冻结状态，路基中心处的土体温度被降低到了-0.5℃左右，与对照路基相比，低了1.5℃，这说明了L型热管对于降低路基中心区域土体温度的良好作用。从图5和图6可以看出，在环境温度第4个周期正温结束时，即路基土体融化程度最大时，对照路基(见图6)内，路基中心区域内仍然存在范围较大的高温土体，土体最高温度为0.5℃；冻结土体的范围缩至很小，可见单纯地由碎石护坡在负温期储存的冷能不足以抵抗正温期侵入路基的热量。但是，在L型热管试验路基内(见图5)，大部分土体处于冻结状态，最高温度为-0.5℃，比对照路基低1℃。说明L型热管与碎石护坡结合，其共同为路基储存的冷能足以抵抗正温期侵入路基的热量，确保宽幅高等级道路的稳定。由此可见，将L型热管与块碎石护坡按本发明所示方式有效地结合，能够达到降低路基及下伏土体温度的目的。

以上对比试验结果充分表明了L型热管在降低路基中心处土体温度的作用，以及L型热管-块碎石护坡降温隔热复合路基有效降低自身及下伏冻土温度的良好效能。

Claims (1)

1.一种热管-块碎石护坡降温隔热复合路基，由封闭的L型热管(1)、块碎石护坡(2)、保温层(3)和路基填土(4)构成，块碎石护坡(2)铺在路基两侧边坡，直至天然地表(5)；其特征是L型热管(1)埋入路基填土(4)中，L型热管(1)在路基纵向的间距≤2.0m，管内的工质为氨或氮；L型热管(1)由蒸发段(6)和冷凝段(7)组成，管外径为5～12cm；蒸发段(6)长度介于1.5m～12.5m之间，完全埋置位于路基内；冷凝段(7)长度介于1.0m～3.0m，上半部分位于路基外，下半部分位于块碎石护坡内，蒸发段(6)和冷凝段(7)之间夹角α为100°～160°，保温层(3)埋设在路面以下的路基填土(4)中；所述的复合路基应用在宽幅道路中。

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