CN102084064B - 一种冻土区公路路基保护方法及路面结构 - Google Patents

一种冻土区公路路基保护方法及路面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冻土区公路路基保护方法及路面结构，该路面结构具有两层或两层以上具有梯度热导率结构的路面层；所述路面层的热导率以层为单位呈从上至下的递减分布，从而使路面形成从路基到空气的单向热导通道，使热量容易从路基散发到空气中，且阻止空气中热量向路基传递，实现对路基下冻土层的降温作用，保持冻土的稳定性，起到保护冻土区公路路基的作用。

Description

一种冻土区公路路基保护方法及路面结构
技术领域
本发明涉及冻土区公路路基保护技术领域，特别涉及一种冻土区公路路基保护方法及路面结构。
背景技术
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰，具有流变性。
青藏公路是世界上首例在高寒冻土区全线铺设沥青路面的公路。沥青路面的“黑面封盖性”导致路面暖季吸收大量太阳辐射并阻碍水分蒸发，同时寒季路基中积聚大量热量无法排出，而冻土对温度极为敏感，反复交替的冻融过程导致公路路基不稳定，使得公路病害频发。
在高原冻土区，公路路基下多年冻土上限的下降，是造成路基不均匀沉陷，威胁公路路基稳定性的主要原因，世界各寒区公路工程均存在类似的情况。为了减少这种情况，在冻土工程中，一般都要对公路路基进行保护，其中主要的保护技术有抬高路基、通风管道、块(碎)石路基、块(碎)石护坡、保温层、热棒、硅藻土护坡和遮阳板技术等。
抬高路基和通风管道技术是冻土保护工程中最常见的工程措施之一。青藏公路科研组在1985-1999年对多年冻土区沥青路面进行了第三期整治改建，路基高度普遍抬高了3m左右，但阴阳面路基温度场之间的差异引发的路基病害也随之表现出来，公路左侧(阳面)出现露肩坍塌和纵向开裂，同时高路基也带来了路基下的融化夹层增厚，路基沉降变形增大，为路基的不稳定带来巨大隐患。在路基、路堤中预设通风管，也取得了一定的效果。这种铺设的通风管是以强迫对流换热为机理的，要高出天然地表一定距离才会有效，因而增大了路堤的边坡面积，易造成路基的阴阳坡效应，从使用情况看，效果不理想。目前国内高原冻土路基中所提出使用的各种改进型通风管有着类似的效果。
块(碎)石路基技术也是冷却地基的一种保护措施。其利用碎石之间的空隙达到通风降温的作用，赖远明等的研究表明(青藏铁路抛石路基的温度特性研究.冰川冻土，2003年03期)抛石路基降温技术与抛石层上下界面的温差、抛石粒径都有一定的相关性，当临界条件难以满足时，抛石层的冷却效果难以发挥，同时由于碎石层较宽(一般为20米)，中间部分的通风效果较差甚至没有，降低了碎石层效果。在高原冻土区，道路下的多年冻土的温度并没有得到降低，有的甚至有升高趋势。孙志忠等在《厚层地下冰段路桥涵关键技术的研究阶段成果报告(白麓河)之子报告：抛石及抛石护坡保温试验工程研究报告，2003》中研究了青藏铁路白麓河试验阶段块(碎)石护坡路基的降温效果，同时指出：块(碎)石护坡路基对路基坡脚处冻土起到较好的冷却降温作用，但路基中部土体温度仍处于相对较高状态，这种温度场的不均衡容易造成路基的不均匀变形，引起道路的纵向开裂，影响交通安全。
另外，工业保温材料技术在高温冻土区也不适用，在低温冻土区长时间运行使用会在路基中形成热量积累，致使多年冻土上限下降。
而热棒技术存在着热质泄露问题，一旦泄露将无法再使用，且其性能取决于气候条件、周围土体的容重和含水量的影响。
硅藻土护坡技术尽管保护多年冻土原理可行，但是由于水分补给不能满足需要，在高原多年冻土地区难以发挥热二极管作用。
遮阳板技术虽然降温显著，是一种可以有效降低路基下多年冻土温度的工程措施，但这种工程措施造价巨大，在青藏高原大风等恶劣环境下容易损坏，维修成本大，无法进行坡面植被，且遮阳板白色反光容易对行车安全造成危害。
因此，从现有的冻土区公路路基保护方法看，还没有一种成本低且具有良好保护效果的保护方法。
发明内容
本发明实施例提供一种冻土区公路路基保护方法，能够有效保护冻土区公路的路基，且施工容易，成本低廉。
本发明实施例提供一种路面结构，能够有效保护冻土区公路的路基，且施工容易，成本低廉。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种冻土区公路路基保护方法，该方法包括：
在路基上铺设两层或两层以上具有梯度热导率结构的路面层；使所述路面层的热导率呈从上至下的递减分布。
优选地，所述路面层为上、中、下三层；所述三层路面层中，热导率以层为单位分布，上层热导率最高，下层热导率最低，中层热导率介于上层与下层之间。
优选地，所述使所述路面层的热导率呈从上至下的递减分布包括：
在上层添加高热导率的微纳米粉体，在下层添加低热导率的微纳米粉体，在中层添加中值热导率的微纳米粉体或不添加微纳米粉体。
优选地，所述使所述路面层的热导率呈从上至下的递减分布包括：
在上层添加高热导率微纳米粉体，在下层添加低热导率微纳米粉体，在中层添加低热导率微纳米粉体，且中层低热导率微纳米粉体的添加量为下层添加量的1/2～1/10。
优选地，所述在路面层中添加微纳米粉体包括：用微纳米粉体替换路面基质混合料中的矿粉。
一种路面结构，该路面结构包括：
两层或两层以上具有梯度热导率结构的路面层；
所述路面层的热导率以层为单位呈从上至下的递减分布。
优选地，所述路面层为上、中、下三层；所述三层路面层中，上层热导率最高，下层热导率最低，中层热导率介于上层与下层之间。
优选地，所述上层含有1％～10％的高热导率微纳米粉体；所述中层含有1％～10％的中值热导率微纳米粉体；所述下层含有5％～40％的低热导率微纳米粉体。
优选地，所述上层含有1％～10％的高热导率微纳米粉体；所述中层不含微纳米粉体，所述下层含有5％～40％的低热导率微纳米粉体。
优选地，所述上层含有1％～10％的高热导率微纳米粉体；所述中层含有1％～10％的低热导率微纳米粉体；所述下层含有5％～40％的低热导率微纳米粉体。
优选地，所述高热导率微纳米粉体包括：石墨或碳化硅中任意一种粉体，或其混合物。
优选地，所述中值热导率微纳米粉体包括：氧化硅、氧化铝、氧化锌中任意一种粉体，或其中任意多种粉体的混合物。
优选地，所述低热导率微纳米粉体包括：云母粉、木纤维、粉煤灰、漂珠、沉珠、玻璃棉、炉渣、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料中任意一种粉体，或其中任意多种粉体的混合物。
优选地，所述高热导率微纳米粉体的粒径为0.5微米～500微米。
优选地，所述低热导率微纳米粉体的粒径为0.25微米～400微米。
优选地，所述中值热导率微纳米粉体的粒径为0.5微米～500微米。
由上述的技术方案可见，本发明的这种冻土区公路路基保护方法和路面结构，形成了一个具有单向导热功能的梯度热导率的路面结构。在冻土区的暖季吸热过程中，辐射热量由高热导率上层传输到中层时，由于中层热导率小于上层，热阻变大，部分热量被重新传输回到上层，返回到空气中，另一部分热量传导到热导率更低的下层时，下层热阻很大，部分热量被重新传回到中层，再由中层传回上层，最后返回到空气中，只有少部分热量通过下层传输到路基，从而阻止路面的热量向路基和路基下部多年冻土传输。在冷季放热过程中，路基和路基下部多年冻土中聚集的热量通过下层和中层到达上层时，由于层间热导率梯度大，层间温差大导致冻土中聚集的热量容易散发到空气中，从而维持冻土的低温。在一个冷暖周期内，冻土总体上呈现出放热状态，不易产生由热量积聚引起的冻土融变，从而达到保护冻土和路基的作用。而且，由于本发明可以采用常规路面施工方式、容易结合常规路面建设、养护和再生技术，还具有施工容易、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的公路路面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明主要是利用热传导原理，使路面层自上至下形成由高变低的梯度热导率结构，从而使路面形成一个从路基到空气的单向热导通道，使热量容易从路基散发到空气中，且阻止空气中热量向路基传递，实现对路基下冻土层的降温作用，从而提高冻土上限，降低融化夹层厚度，保持冻土和路基的稳定性，提高冻土地区公路的运营能力，起到保护冻土区公路和路基的作用。
一般来说，在单层路面中实现热导率梯度分布不太容易实现，在大规模的公路施工中基本不可行，为实现梯度热导率的路面结构，本发明采用了两层或两层以上的多层路面结构，不同的路面层具有不同的热导率，从而实现以层为单位分布的梯度热导率的路面结构。
典型地，可以采用三层路面结构，例如路面层分为上、中、下三层，在三层路面层中，上层热导率最高，下层热导率最低，中层热导率介于上层与下层之间。
其中，高热导率的上层可以通过在上层添加高热导率的微纳米粉体实现，低热导率的下层可以通过在下层添加低热导率的微纳米粉体实现，而中值热导率的中层可以通过在中层添加中值热导率的微纳米粉体，或者在中层添加比下层添加量少的低热导率微纳米粉体(例如中层添加的低热导率的微纳米粉体的量为下层添加量的1/2～1/10)，或者不添加微纳米粉体来实现。
利用上述方法得到的公路路面结构如图1所示：
公路路面层铺设在路基7上，从上至下依次是上层4、中层5、下层6，其中，上层4中分布有高热导率的微纳米粉体1，中层5中分布有中值热导率的微纳米粉体2，下层6中分布有低热导率的微纳米粉体3。
高热导率的微纳米粉体1使得上层1整体上表现出热导率高的特性，低热导率的微纳米粉体3使得下层6整体上表现出热导率低的特性，而中层5则整体上表现出的热导率介于上层4和下层6之间，使路面从上至下形成由高变低的梯度热导率结构。
其中，高热导率的微纳米粉体1可以采用石墨或碳化硅。中值热导率的微纳米粉体2可以采用氧化硅、氧化铝、氧化锌等。低热导率的微纳米粉体3可以采用云母粉、木纤维、粉煤灰、漂珠、沉珠、玻璃棉、炉渣、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等。其中，微纳米粉体可以是用单一成分，或者是不同成分的任意比例混合。
当然，上述不同热导率的微纳米粉体也可以采用任何其他具有相应热导率特性的材料实现，而本发明所举的例子，如石墨和碳化硅是常用的工业原料，而粉煤灰、漂珠、沉珠、玻璃棉、炉渣等属于常见工业废料，木纤维、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等属于有机纤维，采用这些材料作为添加物，其成本较低，且容易获得，有利于环境保护以及资源的循环利用。
在路面层中，不同热导率的微纳米粉体的添加量可以根据导热效果和成本的需要确定，例如上层路面中添加1％～10％的高热导率的微纳米粉体1，粉体粒径可以为0.5微米～500微米。中层路面中添加1％～10％中值热导率的微纳米粉体2，粉体粒径可以为0.5微米～500微米；下层路面中添加5％～40％低热导率的微纳米粉体3，粉体粒径可以为0.25微米～400微米。
或者，上层路面中添加1％～10％的高热导率的微纳米粉体1，粉体粒径可以为0.5微米～500微米。中层路面中不添加微纳米粉体；下层路面中添加5％～40％低热导率的微纳米粉体3，粉体粒径可以为0.25微米～400微米。
又或者，上层路面中添加1％～10％的高热导率的微纳米粉体1，粉体粒径可以为0.5微米～500微米。中层路面中添加1％～10％低热导率的微纳米粉体3，粉体粒径可以为0.25微米～400微米；下层路面中添加5％～40％低热导率的微纳米粉体3，粉体粒径可以为0.25微米～400微米。
粉体添加方式可以是用微纳米粉体置换路面层基质混合料中的矿粉。
当然，粉体颗粒的粒径范围也可以更宽，而本发明采用0.25微米～400微米或0.5微米～500微米的微纳米粉体，具有较好的抗张强度、韧性、延展性和耐久性，同时具有较大的比表面积，除了具有期望的导热率外，还可以使得添加粉体的路面基质混合料的强度更大、机械性能更高，可以有效地改善路面的路用性能。同时由于所需添加的粉体量很少，因此路面的造价很低。
具体施工时，可以首先将路基7压实，然后在路基7上铺设经低热导率粉体3改性的下层6；经压实后，在下层6上再铺设经中值热导率粉体2或低热导率粉体3改性的中层5，或者不添加微纳米粉体的中层5；经压实后，在中层5上铺设经高热导率粉体1改性的上层4，最终，形成具有梯度热导率的路面层结构。
在暖季，当太阳辐射热量由上层4传输到中层5时，由于中层5热导率小于上层4，致使中层5热阻相对较大，因此，即将传入中层5的部分热量将被传递回上层4，并返回到空气中。同理，部分穿过中层5即将进入下层6的热量，将经过中层5和上层4被输运到空气中。仅有极少部分太阳辐射热量能够传输到路基7中。因此，本路面结构具有“绝热”功能，能有效阻止太阳辐射热量向路基及多年冻土内传输。
在寒季，由于本路面层具有“下小上大”的热导率梯度，路基下积蓄的热量在通过下层6到达中层5时，由于下、中层的层间热导率梯度大，即层间温差较大，导致热量容易传输入中层5；同理，这些热量亦将很容易进入上层4，并散发到寒冷的空气中。因此，本路面结构还具有“吸热”功能，能够将路基及路基下聚集的热量充分地向路表空气中释放。
由上述的实施例可见，本发明的这种冻土区公路保护方法和路面结构，使路面形成了一个具有单向导热功能的梯度热导率结构，从而使公路及路基不易因冻土融化而变形破裂，达到很好的公路保护效果。本发明采用的路面添加物本身成本很低，且添加量很少，容易获得，使其造价很低，施工方便。另外，由于采用特殊的路面材料和路面结构实现保护功能，而没有使用其他需维护的设备和构件，使公路施工后的维护量大大减少，维护成本大大降低。
所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种冻土区公路路基保护方法，其特征在于，该方法包括：
在路基上铺设两层或两层以上具有梯度热导率结构的路面层；使所述路面层的热导率呈从上至下的递减分布。
2.如权利要求1所述的冻土区公路路基保护方法，其特征在于，所述路面层为上、中、下三层；所述三层路面层中，热导率以层为单位分布，上层热导率最高，下层热导率最低，中层热导率介于上层与下层之间。
3.如权利要求2所述的冻土区公路路基保护方法，其特征在于，所述使所述路面层的热导率呈从上至下的递减分布包括：
在上层添加高热导率的微纳米粉体，在下层添加低热导率的微纳米粉体，在中层添加中值热导率的微纳米粉体或不添加微纳米粉体。
4.如权利要求2所述的冻土区公路路基保护方法，其特征在于，所述使所述路面层的热导率呈从上至下的递减分布包括：
在上层添加高热导率微纳米粉体，在下层添加低热导率微纳米粉体，在中层添加低热导率微纳米粉体，且中层低热导率微纳米粉体的添加量为下层添加量的1/2～1/10。
5.如权利要求3或4所述的冻土区公路路基保护方法，其特征在于，所述在路面层中添加微纳米粉体包括：
用微纳米粉体替换路面基质混合料中的矿粉。
6.一种路面结构，其特征在于，该路面结构包括：
两层或两层以上具有梯度热导率结构的路面层；
所述路面层的热导率以层为单位呈从上至下的递减分布。
7.如权利要求6所述的路面结构，其特征在于，所述路面层为上、中、下三层；所述三层路面层中，上层热导率最高，下层热导率最低，中层热导率介于上层与下层之间。
8.如权利要求7所述的路面结构，其特征在于，所述上层含有1％～10％的高热导率微纳米粉体；所述中层含有1％～10％的中值热导率微纳米粉体；所述下层含有5％～40％的低热导率微纳米粉体。
9.如权利要求7所述的路面结构，其特征在于，所述上层含有1％～10％的高热导率微纳米粉体；所述中层不含微纳米粉体，所述下层含有5％～40％的低热导率微纳米粉体。
10.如权利要求7所述的路面结构，其特征在于，所述上层含有1％～10％的高热导率微纳米粉体；所述中层含有1％～10％的低热导率微纳米粉体；所述下层含有5％～40％的低热导率微纳米粉体。
11.如权利要求8、9或10所述的路面结构，其特征在于，所述高热导率微纳米粉体包括：石墨或碳化硅中任意一种粉体，或其混合物。
12.如权利要求8所述的路面结构，其特征在于，所述中值热导率微纳米粉体包括：氧化硅、氧化铝、氧化锌中任意一种粉体，或其中任意多种粉体的混合物。
13.如权利要求8、9或10所述的路面结构，其特征在于，所述低热导率微纳米粉体包括：云母粉、木纤维、粉煤灰、漂珠、沉珠、玻璃棉、炉渣、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料中任意一种粉体，或其中任意多种粉体的混合物。
14.如权利要求8、9或10所述的路面结构，其特征在于，所述高热导率微纳米粉体的粒径为0.5微米～500微米。
15.如权利要求8、9或10所述的路面结构，其特征在于，所述低热导率微纳米粉体的粒径为0.25微米～400微米。
16.如权利要求8或12所述的路面结构，其特征在于，所述中值热导率微纳米粉体的粒径为0.5微米～500微米。
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