CN101818471A - 一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用。路基结构是由透壁通风管、块碎石层、土工布、保温层和路基填土构成，块碎石层铺筑在夯实的天然地表上；在块碎石层顶部埋入透壁通风管；然后在块碎石层上依次铺设土工布，保温层与路基填土。本发明利用透壁通风管来降低块石层顶部的温度，增加块石层上下边界的温差，加强块碎石层在冷季的自然对流，提高了路基冷季的冷能吸入量，并结合保温层的隔热保温特性，有效控制了暖季的吸热量，大幅提高了一个冻融周期内路基的净放热量，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

一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用

技术领域

本发明涉及一种路基结构形式，尤其是一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基的结构形式，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，其性质极其复杂且对温度极为敏感。道路工程施工以及全球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。

在多年冻土区修建道路工程，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道路路基的稳定性。为解决好冻土问题，确保多年冻土区道路的安全稳定，相关科研人员提出了主动冷却地基，保护冻土的总思路，并依据这一思路设计出了一系列降温措施。块碎石层作为其中较为高效的一种已被应用于青藏铁路工程中。该措施利用寒季下高上低的边界温差驱动的自然对流效应来发挥降低冻土温度和保护冻土的作用。

青藏铁路的建成及顺利通车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已进入国家规划。现有的多年冻土区路基型式大部分适用于路基幅面较窄、路面形式采用吸热量较小的砂砾路面等情况。宽幅高等级道路的路基幅面宽度增大，且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，宽幅高等级公路所采用的沥青路面的温度比普通公路所采用的砂砾路面及铁路路面高出2～3℃，这将更容易造成路面的下陷、坍塌。基于上述考虑，亟需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。如果在宽幅高等级道路中使用块碎石层，那么块碎石层变宽，它内部，尤其中部的自然对流降温作用将被削弱，难以保证有效的降温作用。如果在宽幅高等级道路中使用通风管，那么通风管长度大大增加，其内部的空气流动减缓，将削弱其降温效果的发挥，且无法阻止热量通过通风管之间的路基填土传入下部冻土。加上全球变暖的影响，块碎石层、通风管等现有单一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。如果将这些工程措施应用于宽幅高等级道路，路基稳定性将难以得到保证。为使现有的冻土保护技术能够应用于宽幅高等级道路，就需要对它们进行强化或者优化组合。李国玉等(李国玉，李宁，牛富俊，等.强化通风隔热路基：中国，200710017288.3[P].2007-08-08.)提出了一种强化通风隔热路基，将块碎石层置于透壁通风管之上，置于块碎石层之下的透壁通风管在冷季降低了块碎石层下边界的温度，削弱了块碎石层的自然对流降温效应；而在暖季透壁通风管又会将外界较热的空气带入路基，增加吸热量，所以这种路基不利于大幅增加路基的净放热量，难以发挥高效的降温作用。张明义等(张明义，赖远明，董元宏.通风混凝土板与块碎石层聚冷路基：中国，200520079311.8[P].2006-11-08.)对此做了改进，通过在块碎石层顶部铺设纵向通风的混凝土板来加强块碎石层的对流降温效应。但是，较厚的混凝土板一定程度上阻碍了冷季外界冷空气与块碎石层顶部发生热量交换，不利于快速充分地利用外界冷能。因此，我们需要寻求新的高效的适用于多年冻土区宽幅高等级道路的冻土保护措施。

发明内容

为了有效降低多年冻土区高等级道路路基的温度，维护路基的长期稳定，本发明的目的在于提供一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基。该路基结构通过对透壁通风管和块碎石层的降温作用进行优化组合，相互取长补短，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。

本发明的另一目的旨在提供一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用，由透壁通风管、块碎石层、土工布、保温层和路基填土构成。在夯实的天然地表上铺筑块碎石层；带透壁孔眼的透壁通风管沿路基横向埋入块碎石层的顶部；透壁通风管的外径为30～80cm，管壁厚度为2～10cm，管壁上透壁孔眼的孔径为3～10cm，开孔率为10％～40％，管与管间净间距为1～5倍的管外径，块碎石层上铺设土工布，块碎石层的厚度为≤3.0m，块碎石层的粒径为10cm～50cm，在土工布上面依次铺设保温层和铺筑路堤填土。

本发明的优点与产生的有益效果是：

1、降温效果十分明显。本发明专利通过将透壁通风管和块碎石层的降温作用进行优化加强，相互取长补短；再与保温层的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，有效限制暖季的吸热量，大幅提高了路基在一个冻融周期内的净放热量，从而更加有效地降低路基下伏冻土的温度。因此，这种路基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。

2、便于施工。块碎石可就近取材，透壁通风管可预制后直接运往现场安装。路基铺筑工序简单，施工简便。

3、本发明专利无需任何外部动力设施，无污染，保护生态环境。块碎石取材方便，成本低廉；透壁通风管可预制，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。

4、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：即增设透壁通风管的块石层路基和增设了普通通风管的块石层路基相比，增设了透壁通风管的路基比增设普通通风管的路基温度低1～2℃，从而产生稳定可靠的工程效果。

附图说明

图1是本发明横断面图。

图2是本发明纵断面图。

图3是最低气温时普通通风管-块石层复合路基中间断面的等温线图。

图4是最低气温时透壁通风管-块石层复合路基中间断面的等温线图。

图5是两组复合路基中心线底部温度随时间的变化曲线，其中：a曲线为透壁通风管-块石层复合路基，b曲线为普通通风管-块石层复合路基。

图6是两组复合路基底部填土中心处的周期平均温度曲线，其中：c曲线为透壁通风管-块石层复合路基，d曲线为普通通风管-块石层复合路基。

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1，一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用。路堤填土的顶宽为23.0m。路基由透壁通风管1、块碎石层2、土工布3、保温层4和路基填土5构成；在夯实的天然地表6上铺筑块碎石层2；带透壁孔眼7的透壁通风管1沿路基横向埋入块碎石层2的顶部。透壁通风管1的外径为50cm，管壁厚度为5cm，管壁上透壁孔眼7的孔径为10cm，开孔率为20％，管与管间净间距为150cm，块碎石层2的厚度为1.2m，块碎石层的粒径为10cm～30cm，在块碎石层2上铺设土工布3，再在土工布上面依次铺设EPS保温层4和铺筑路堤填土5。

其工作过程可描述为：在冷季，青藏高原风速较大，外界较冷的空气流经通风管时，一方面通过通风管管壁的热传导；更为主要的一方面，空气可经通风管管壁上的透壁孔眼直接进入块碎石层的顶部。这二者的共同结果是快速有效地降低了块碎石层顶部的温度。而相关研究已经表明，决定块碎石层内自然对流强度的一个主要因素就是其上下边界的温差。可见，降低块碎石层顶部的温度有助于提高其上下边界的温差，增加其内空气密度梯度，从而加强其内部的自然对流强度。直接结果是加强了块碎石层的降温效果，向路基及下伏冻土输入了大量“冷能”。在暖季，由于此时青藏高原的风速较小，透壁通风管内的空气流动微弱；而块碎石层内空气温度上部高于下部，空气密度上部小于下部，因此块碎石层内部无自然对流产生，内部空气基本处于静止状态。尽管外界的热量依然会经由透壁通风管进入路基。但是块碎石层内导热系数很小的空气能够阻隔外界热量的侵入；此外，保温层也能够阻隔外部热量从路基顶面传入路基内部。综合上述，在一个冻融周期内，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。

为验证透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基应用于宽幅高等级道路的有效性，本发明专利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模型试验厅内进行了模型试验。试验路基模型的几何尺寸为实际路基的1/15。模型试验的路堤填土的顶宽为2.0m。路基由透壁通风管、块碎石层、土工布、保温层和路基填土构成；在夯实的填土上铺筑块碎石层；带透壁孔眼的透壁通风管沿路基横向埋入块碎石层的顶部。透壁通风管的外径为10cm，管壁厚度为0.1cm，管壁上透壁孔眼的孔径为2cm，开孔率为20％，管与管间净间距为30cm，块碎石层的厚度为1.2m，块碎石层的粒径为10cm～30cm，在块碎石层上铺设土工布，再在土工布上面依次铺设EPS保温层和铺筑路堤填土。

普通通风管-块石层降温隔热复合路基模型的尺寸数据与透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基相同。

试验中的一个冻融周期为实际冻融周期的1/24。

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8.00m×1.84m×2.70m，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℃，试验模型箱内的风速为2.80m/s，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～8π、8π～10π等共5个周期，一个周期为15天。

在相同的试验条件下，本发明——透壁通风管-块石层降温隔热复合路基与普通通风管-块石层降温隔热复合路基进行了对比试验。

试验结果如图3～图5所示。

图3和图4分别是最低气温时两组复合路基中间断面的等温线图。从图3和图4中可以看出，最低气温时，两组路基内均产生自然对流，如图中箭头所示。但对流强度有所不同，图4内等温线弯曲程度较图3的弯曲程度大，它表明在最低气温时，透壁通风管-块石层复合路基自然对流强度较普通通风管-块石层复合路基明显的要强。以图中-7.0℃等温线为例，在普通通风管复合路基内，它尚处在路基中上部位置；而在透壁通风管复合路基内，则下降到了路基中下部。由此可以看出，由于透壁通风管的作用，块石层上边界处的温度被大幅降低，增加了块石层上下温差，因此大幅增强了块石层内部的自然对流强度。

图5为两组复合路基中心线底部温度随时间的变化曲线。由图5可以看出透壁通风管-块石层复合路基的a曲线相对于普通通风管-块石层复合路基的b曲线的优越降温效果。从试验开始起，透壁通风管-块石层复合路基的a曲线的温度始终低于普通通风管-块石层复合路基的b曲线，且透壁通风管-块石层复合路基的a曲线的降温速率高于普通通风管-块石层复合路基的b曲线。a、b曲线的最大温差达6.43℃。可见，透壁通风管-块石层复合路基的a曲线的降温效果远优于普通通风管-块石层复合路基的b曲线。

图6为两组复合路基底部填土中心处的周期平均温度曲线。由图6可以更为明显地看出透壁通风管-块石层复合路基的c曲线相对于普通通风管-块石层复合路基的d曲线的优越降温效果。第1个试验周期时，透壁通风管-块石层复合路基的c曲线的周期平均温度已降至-0.24℃；而普通通风管-块石层复合路基的d曲线的周期平均温度已达3.02℃。第2个试验周期时，透壁通风管-块石层复合路基的c曲线的周期平均温度已降至-3.53℃；而普通通风管-块石层复合路基的d曲线的周期平均温度高达-0.30℃。第5个试验周期时，透壁通风管-块石层复合路基的c曲线的周期平均温度为-4.05℃，比普通通风管-块石层复合路基的d曲线的-1.36℃低2.69℃。

以上对比试验的结果充分表明了透壁通风管具有对块石层内自然对流的显著加强作用，以及透壁通风管-块石层复合路基的相对于普通通风管-块石层复合路基的显著降温效果。试验证实了透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基应用于宽幅道路中，能高效地降低自身及下伏冻土温度、确保冻土路基的长期稳定性将产生良好效果。

Claims (2)

1.一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基，是由透壁通风管(1)、块碎石层(2)、土工布(3)、保温层(4)和路基填土(5)构成；其特征是在夯实的天然地表(6)上铺筑块碎石层(2)；带透壁孔眼(7)的透壁通风管(1)沿路基横向埋入块碎石层(2)的顶部；透壁通风管(1)的外径为30～80cm，管壁厚度为2～10cm，孔眼(7)的孔径为3～10cm，开孔率为10％～40％，管与管间净间距为1～5倍的管外径，块碎石层上铺设土工布(3)，块碎石层(2)的厚度为≤3.0m，块碎石层的粒径为10cm～50cm，在土工布上面依次铺设保温层(4)和铺筑路堤填土(5)。

2.权利要求1所述的一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用。

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