CN104153269B - 一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法，针对宽幅路基的特点，对不同路基高度的路基路面结构提出不同的冻土保护方法。在多年冻土区宽幅路基路面结构中同时采用导热措施和隔热措施对结构下多年冻土进行保护，其中，导热措施包括在路基边坡斜置热棒、在路面中央分隔带设置热棒和在路基向阳边坡设置碎石层；隔热措施包括在路面结构中设置单层或多层隔热层和在路表设置单向导热层。以改善因路基路面结构的空间效应对天然地基的扰动程度，使多年冻土地基破坏性融沉降低到最小，提高路基路面结构的热稳定性，起到保护多年冻土层的作用。

Description

一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及多年冻土地区宽幅路基路面结构下多年冻土的综合保护技术。

背景技术

多年冻土地基的稳定状态，直接影响到高速公路的使用性能。随着冻土路基的填筑以及全球气候的变暖趋势，多年冻土路基逐步趋于不稳定(发生热融沉陷等)。由路基路面传导的热量是多年冻土路基不稳定的核心因素之一。因此，及时将冻土路基路面体内的热量“疏导”出来，并阻止太阳辐射热向路基路面体内的传递，是保持多年冻土地基稳定的核心技术手段。

我国在多年冻土区道路工程的建设和养护过程中，1970年代提出了多年冻土地基“宁填不挖”的设计原则和最小路基高度，1980年代逐步形成了“保护冻土”的设计原则，解决了路基临界高度和设计高度的问题。1990年代提出了“保护冻土、控制融化速率及综合治理”的设计原则，给出了路基修正临界高度。2000年以来，考虑到气候变化的影响，进一步提出了“制冷阻热、减少辐射、增强对流、综合治理”的原则，以及基于冻土分类、路基变形和沥青路面使用年限的路基合理高度。2004年提出了“主动冷却冻土路基，积极保护多年冻土”的新思路，突破了传统的“被动保温”理论，并研发了以调控辐射为主的遮阳路基，以调控对流为主的块石基底路基、块(碎)石护坡路基和管道通风路基，以调控传导为主的热管路基及保温板—热管复合路基，以及极高温、高含冰量冻土区所采用的旱桥等工程措施，以低成本、环境友好的方式在青藏公路与铁路多年冻土路基稳定性维护中取得了极大的成功。

但是，隔热层路基减少路基体吸热的积极效应不是全年持续作用的，其只在外界温度大于路基体内温度，温度梯度趋于使路基体温度升高的暖季才发挥积极效应，也就是说，在多年冻土区这种措施的时效性很强。在冷季，隔热层路基不利于路基体和外界进行热量交换，不利于冷季路基体自上而下的回冻，不利于隔热层下土体冷季向外传递热量而降温。这说明，单纯依靠保温隔热的工程措施，不能有效改变路基体内热储增加的趋势，且其作用效果与路基走向、路基结构形式(有无保温护道)、路基高度等因素有关。

碎石、片块石路基对石料需求较大，附近有无适合开采的、满足强度等各方面性能的石料是设计时应考虑的问题。另外，碎石路基施工标准如压实控制等还不完善，施工期间碎石层空隙率不易检测与控制。全断面施工过程中振捣压实时碎石向两侧滑移，压实度较难达到设计要求。碎石路基边坡容易被扬砂等填充，使得它的对流降温效果大大降低。

热棒在暖季基本上不工作(只在气温波动出现负温，热棒两端的温差超过启动温差时才工作)，这种工程措施的时效性也很强。如果冻结期短、融化期长，热棒形成的冻结核可能会在负温期来临之前融化而不能在路基中有效消除融化夹层，则热棒的长期效果不能得到保证。热棒对冻土地层的蓄能效应是长期的、动态非线性的变化过程。只在冷季工作，工作时效受限制，理论启动温差下是否真正工作，现在还在进行相关后续检测研究。热棒工程措施工程成本高，易被雨水和土壤腐蚀，使得抗腐蚀处理及耐久性问题成为这种工程措施有待解决的问题。

钢骨架结构的遮阳板，在多年冻土区热胀冷缩严重，面板易变形、损坏，结构损坏严重；且轻型骨架与板材也较易受人为损坏或破坏。

通风管在实际应用中，建议在大气月平均温度高于0℃的月份封闭通风管道进出口(一般为5月～9月)，采用隔热帘将通风管口封闭(俗称“拉帘子”)，利用人工调节的办法，以降低通风管传热的负面影响。采用人工措施设置帘子后，埋设通风管可使多年冻土年平均地温降低1.0～2.0℃。智能采风口通风管措施现在还处于研究阶段，其应用效果有待进一步跟踪。通风管路基管体周围和整个工程措施段如何保证压实，施工过程控制等还需要优化。

目前伴随青藏公路开展的系列路基变形控制及稳定技术研发与应用，基本上都是服务于原路基规模条件下(公路路基宽度8.5m，铁路路基宽度7.0m)路基病害的整治，对新建同类型公路路基工程具有很好的指导意义。

但是随着交通量的增长以及国家对西北建设的重视，在青藏高原修筑高等级的宽幅公路成为发展的必然要求。“公路工程技术标准”中要求整体式高等级公路路基横断面，路基宽度在24.5-26.0m之间。与二级公路相比，高速公路等高路基总吸热面积增加了3倍以上，路堤填筑材料总体积热容增加了3-4倍。初步观测计算表明高速公路冻土路基融化盆会加宽、加深，严重影响冻土的水热平衡。

综上，现有的工程技术措施(如隔热层、热管/棒、通风管等)取得了一些效果，但是对宽幅路基路面结构下多年冻土的保护效果还需要进一步研究与验证。为解决前述问题，本发明提出一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

发明内容

本发明目的是提出一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法，以改善因路基路面结构的空间效应对天然地基的扰动程度，使多年冻土地基破坏性融沉降低到最小，提高路基路面结构的热稳定性，起到保护多年冻土层的作用。

本发明采用以下技术方案：

一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法，对不同路基高度的路基路面结构提出不同的冻土保护方法：

路基高度小于2m时，包括以下措施：①在路面中央分隔带处竖直设置热棒；②在路基边坡斜置热棒；③在路面结构表层设置单向导热层；④在路基底面设置隔热层；

路基高度2～4m时，除以上措施①～④外，还包括：⑤在基层顶部增设隔热层，与措施④一起形成双层隔热层结构；⑥在路基向阳边坡上铺设碎石层；

路基高度4～6m时，除以上措施①～⑥外，还包括：⑦在路基向阳边坡上再增设热棒；

路基高度大于6m时，除以上措施①～⑦外，还包括：⑧在路面中央分隔带再竖直设置热棒；⑨在路基中部增设隔热层，与措施④和⑤一起形成三层隔热层结构。

措施①单根热棒设置在道路中线；措施①和措施⑧双根热棒沿道路中线对称设置，间距为路面中央分隔带宽度的50％～75％。

措施②在路基边坡斜置热棒，热棒与地表夹角为30°～45°；措施⑦热棒与措施②热棒平行设置，间距为路基边坡长度的20％～40％。

本发明的有益效果：

多年冻土地基的温度稳定性是多年冻土区公路工程在修建、使用和养护过程中的突出问题，温度场的分布特性关系到多年冻土区路基路面工程的结构设计、使用效果和使用寿命。如若多年冻土地基吸收的热量不能及时消散，路基路面结构的整体稳定性将受到很大影响，降低了多年冻土区路基路面工程的使用寿命。

本发明提供了一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法，针对宽幅路基的特点，对不同路基高度的路基路面结构提出不同的冻土保护方法，同时采用导热措施和隔热措施对结构下多年冻土进行保护，其中，导热措施包括在路基边坡斜置热棒、在路面中央分隔带设置热棒和在路基向阳边坡设置碎石层；隔热措施包括在路面结构中设置单层或多层隔热层和在路表设置单向导热层。其中热棒是无源冷却系统中热量传输效果最好的装置，在宽幅路基中心增设热棒，可以避免仅在路基两侧边坡外布置热棒时，宽幅路基两侧以及路基中心温差过大的情况，降温效果更全面，有利于路基的稳定。采取双层隔热层结构以及在路面结构中设置单向导热结构，可以改变热流在宽幅路基路面结构中的热传导，有效缓解宽幅路基吸热多对天然冻土地基的扰动。总之，本发明中的综合保护技术将广泛应用于多年冻土区宽幅高速公路的修建中，保护多年冻土层，提高路基路面结构的热稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的路基高度小于2m时，一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

图2为本发明提供的路基高度2～4m时，一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

图3为本发明提供的路基高度4～6m时，一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

图4为本发明提供的路基高度大于6m时，一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

1-地表2-路基边坡3-1-热棒3-2-热棒3-3-热棒3-4-热棒4-路肩5-行车道6-路面中央分隔带7-单向导热层8-路面9-基层10-路基11-冻土地基12-1-隔热层12-2-隔热层12-3-隔热层13-碎石层

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范围之中。

多年冻土区宽幅路基路面工程在长期使用过程中，在环境温度升高、太阳辐射、地热等因素的影响下，冻土路基内储存的热量增加，结构趋于不稳定，极易出现热融沉陷等病害，影响路基路面工程的使用效果和使用寿命。但是对于宽幅路基路面结构下多年冻土的保护措施研究目前尚处在起步阶段，还没有完善的综合处治方法。因此本发明提供了一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

本发明提供的一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法的设计思路是：通过热棒和碎石层的设置加强宽幅路基路面结构的热量传导，尤其是冷气向路基路面结构内部的传导，实现热量的疏导；通过隔热层的设置尽量阻止热量向路面和路基结构的传递，实现热量的阻隔；同时在路表设置单向导热层，从而保障热量尽量不向路面结构内部传递，而又最大程度的有利于路面结构内部的热量向外部传递；重要的是将导阻措施依据不同的路基路面结构形式进行合理设计，以提供一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法。

本发明的具体方案是，在多年冻土区宽幅路基路面结构中同时采用导热措施和隔热措施对结构下多年冻土进行保护，并根据不同的路基高度，选择不同的方式，其中，导热措施包括在路基边坡斜置热棒、在路面中央分隔带竖向设置热棒和在路基向阳边坡设置碎石层；隔热措施包括在路面结构中设置单层或多层隔热层，同时还使用了单向导热措施，通过在路表设置单向导热层，尽量阻止热量向路面结构内部传递，同时有利于热量自路面结构内部向外传递。通过这样的设计，可以达到两个目的：

1、由于宽幅路基路面结构总吸热面积以及总体积热容远大于传统的窄幅路基路面结构，单一的保护措施对宽幅路基路面结构下多年冻土的保护效果甚微，采用导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土综合保护措施，可以从疏导路基路面结构内热量以及阻止热量向结构内传递两方面同时保护多年冻土的热稳定性。

2、路基越高，宽幅路基路面结构吸收的热量越多，针对不同的路基高度，选择不同的综合保护方式，对指导多年冻土区宽幅路基路面结构的设计、改建有利。

如图1-4所示，路基10和冻土地基11之间为地表1，路面8划分为路肩4、行车道5、路面中央分隔带6。

如图1所示，路基高度小于2m时，本发明提供的一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法包括以下措施：

①在路面中央分隔带6处竖直设置热棒3-1，热棒3-1在深度方向分为冷凝段和蒸发段，蒸发段的有效工作半径比冷凝段大，因此热棒3-1的冷凝段应插入多年冻土人为上限以下；热棒3-1的有效工作半径一般在20～30m之间，因此热棒3-1的埋设间隔一般在40m左右；

②在路基边坡2斜置热棒3-2，热棒3-2与地表1夹角在30°～45°之间，热棒3-2的冷凝段插入多年冻土人为上限以下；

③在路面8结构表层设置单向导热层7，单向导热层7的材料可为聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)或者挤塑聚苯乙烯泡沫(XPS)，埋设深度根据车辆荷载的特点和路面下应力扩散以及板材容许承载力等条件确定，保证传到板材处的附加应力小于板材强度；厚度根路基填土高度有关，一般遵循“低填土宜厚，高填土宜薄”的原则；宽度宜与路基顶宽相同；

④在路基10底面(冻土地基11上)设置一层隔热层12-1，其厚度根据路基10底面的温度场分布状况以及单向导热层7材料的热物性能确定，保证路基10底面在人为上限以下。

如图2所示，路基高度2～4m时，本发明提供的一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法除以上措施①～④外，还包括：

⑤在基层9顶部增设一层隔热层12-2，其埋设厚度的确定同措施④，与措施④一起形成双层隔热层结构；

⑥在路基向阳边坡上铺设碎石层13，碎石宜采用硬质岩石块料，大小均匀、粗糙有棱角、压实度高，粒径在6～8cm之间为宜，碎石层13坡度可与路基边坡2相同或稍缓于路基边坡2坡度。

如图3所示，路基高度4～6m时，本发明提供的一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法除以上措施①～⑥外，还包括：

⑦在路基向阳边坡上再增设热棒3-3，此热棒3-3可设置成与措施②中设置的热棒3-2平行，间距为路基边坡2长度的20％～50％，热棒3-3的冷凝段插入多年冻土人为上限以下。

如图4所示，路基高度大于6m时，本发明提供的一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法除以上措施①～⑦外，还包括：

⑧在路面中央分隔带6再竖直设置热棒3-4，热棒3-1和热棒3-4沿道路中线对称布置，间距为路面中央分隔带6宽度的50％～75％；

⑨在路基10中部增设一层隔热层12-3，其埋设厚度的确定同措施④，与措施④和⑤一起形成三层隔热层结构，中间隔热层宜靠近上层隔热层。

Claims (1)

1.一种导阻结合的宽幅路基路面结构下多年冻土保护方法，其特征在于，其是路基高度大于6m的冻土保护方法，具体包括以下措施：

①在路面中央分隔带处竖直设置热棒；

②在路基边坡斜置热棒；

③在路面结构表层设置单向导热层，单向导热层的材料为聚苯乙烯泡沫塑料或者挤塑聚苯乙烯泡沫，埋设深度根据车辆荷载的特点和路面下应力扩散以及板材容许承载力条件确定，保证传到板材处的附加应力小于板材强度；厚度跟路基填土高度有关，遵循“低填土宜厚，高填土宜薄”的原则；宽度与路基顶宽相同；

④在路基底面设置隔热层；其厚度根据路基底面的温度场分布状况以及单向导热层材料的热物性能确定；

⑤在基层顶部增设隔热层，与措施④一起形成双层隔热层结构；

⑥在路基向阳边坡上铺设碎石层；碎石采用硬质岩石块料，大小均匀、粗糙有棱角、压实度高，粒径在6～8cm之间，碎石层坡度与路基边坡相同或稍缓于路基边坡坡度；

⑦在路基向阳边坡上再增设热棒；

⑧在路面中央分隔带处再竖直设置热棒；

⑨在路基中部增设隔热层，其埋设厚度的确定同措施④，其与措施④和⑤一起形成三层隔热层结构，中间隔热层靠近上层隔热层；

其中措施①单根热棒设置在道路中线；措施①和措施⑧双根热棒沿道路中线对称设置，间距为路面中央分隔带宽度的50％～75％；措施②在路基边坡斜置热棒，热棒与地表夹角为30°～45°；措施⑦热棒与措施②热棒平行设置，间距为路基边坡长度的20％～40％。