CN105755918B - 一种具备遮阳与通风降温功效的块石层护坡路基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备遮阳和通风降温功效的块石护坡路基，其结构是路堤边坡上依次铺设块石层、土工布和夯填粘土；块石层粒径控制在12‑30cm之间，厚度80‑120cm，块石空隙率为25%‑30%；随机抛掷并挤压，块石层在坡脚位置水平延伸2.0m宽，形成开放边界。块石层坡面上铺设一层土工布，土工布上铺设粘土，夯填密实。本发明利用粘土层的遮阳作用，削弱太阳辐射对路基边坡的加热作用；同时利用边坡块石层使得冷季块石层内的自然对流和强迫对流得到强化，提高了路基冷能的吸入量，把路基内的热能带走。暖季利用块石层热屏蔽作用，阻隔外界热量的侵入，有效控制了暖季的吸热量。实现对护坡路基下覆土体温度的降低，对维护多年冻土区路基的长期稳定产生积极和重要作用。

Description

一种具备遮阳与通风降温功效的块石层护坡路基

技术领域

本发明涉及一种具备遮阳与通风降温功效的块石层护坡路基结构，其可有效降低路基下部多年冻土温度、提高冻土路基稳定性。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的地质体，冻结时间在两年或两年以上的冻土称为多年冻土。由于冻土对外界环境的变化非常敏感，特别是含冰量较高的多年冻土，环境温度变化或者外因的扰动都将引起多年冻土温度升高、冰层融化，导致其强度降低和强烈的压缩特征。如果铁路或公路路基位于多年冻土区，除了施工及环境条件的变化造成多年冻土的扰动之外，线型工程引起的路基两侧的微气候环境也对冻土路基产生较大影响。尤其是路基修筑后，冻土中的热量平衡被打破，路基两侧又存在阴阳坡的作用，会造成冻土路基温度升高，承载力下降，路基发生沉陷、翻浆等一系列病害。

为此，青藏铁路建设在吸取青藏公路建设和50多年运行的经验和教训上，提出了“主动冷却路基”的设计思路，研发了一系列新型路基结构，以保护多年冻土路基的稳定。其中，块石护坡路基作为块石结构路基的一种，在青藏铁路建设中被广泛应用。但长期的实体工程监测表明，块石护坡路基的降温效果并不理想，尽管其对路基下部的浅层多年冻土起到了一定的降温作用，但深层的多年冻土却呈现出缓慢升温的趋势，这一点在高温冻土区表现尤为明显，因此，单纯的块石护坡结构降温能力有限；此外，由于路基坡面长期处于开放状态，在多风沙地区块石孔隙极易被风积沙堵塞，或者在强烈的紫外线照射和循环冻融作用下风化破碎，碎屑填充在块石孔隙之间，会造成块石层孔隙率变小，甚至逐步丧失对流换热的功效，所以说块石护坡路基的长期热稳定性难以得到保证。遮阳板是另一种“冷却路基”措施，野外现场试验表明，遮阳板在白天可有效调控太阳辐射，从而有效地降低坡面温度，但由于遮阳板成本较高，而且在青藏高原强风等恶劣环境下极易遭受损坏，维护成本较高，导致其在工程实践中难以推广。

鉴于以上两种降温措施的优缺点，如何将其二者有效结合，通过优化路基的结构设计，提出一种新型的结构形式，使其不仅具备良好的遮阳效果，同时又具有块石层较好的通风降温效能，并且对路基边坡也具有一定保护作用，对维持多年冻土区路基长期热稳定性具有重要实践意义。俞祁浩等提出了一种“用于保护多年冻土路基坡面的混凝土空心块”（专利号：ZL200510065341.8），该措施尽管起到了一定的遮阳和通风降温的效果，但由于该混凝土空心砖制作成本相对较高，并且在路基坡面铺设施工时较繁琐，而且容易沿着路基坡面发生滚落；其次，反复冻融后，材料易损；同时，由于空心块的孔隙处于开放状态，不能避免长期风积沙对其堵塞。因此，研发一种采用岩土材料，施工简易，造价低廉，长期使用稳定可靠，并且具备遮阳和通风降温联合功效的新型路基结构形式，是科技人员、工程技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

综合上述两种降温措施的优点，本发明旨在设计一种具备遮阳和通风降温功效的块石层护坡路基，以降低多年冻土温度，提高冻土路基长期稳定性。通过对路堤坡面铺设块石层，然后在块石层表面铺设防渗土工布，最后在土工布上铺设粘土层，从而形成路基坡面封闭、顶底开放的具有对流换热功效的冷却路基系统。

本发明专利的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具备遮阳和通风降温功效的块石护坡路基，是由路堤、块石层、土工布、粘土、天然地基组成。在夯实的天然地基上填筑路堤，路堤高度为2～4.0m，顶宽≤13.0m，路堤边坡为1：1.5，路堤边坡上依次铺设块石层、土工布和夯填粘土；块石层粒径控制在12-30cm之间，水平厚度120cm垂直厚度80cm，随机抛掷并挤压，块石层在坡脚位置水平延伸2.0m宽，形成开放边界。并且在块石层坡面上铺设一层土工布，土工布上再铺设粘土，夯填密实，

本发明工作原理可描述为：一、坡面表层的粘土层可以起到较好的遮阳效果，从而有效削弱太阳辐射对坡面的加热作用，并且粘土层可以有效阻挡暖季热流进入块石孔隙，同时也消除了块石孔隙容易被风积沙堵塞的问题；二、由于路基边坡的块石层形成了坡面封闭、顶底开放的结构，该结构促使流经块石层孔隙的空气产生 “烟囱效应”，从而导致冷季的自然对流以及外界强风形成的强迫对流通过块石孔隙时，对流强度增大，即新形成的块石结构的对流换热能力较之普通的块石护坡路基要大幅提高，从而更快更多的带走路基内的热量，进而有效降低下部多年冻土温度。这样，既达到了降温效果，又对路基坡面起到了保护作用。

本发明的优点和有益效果是：

1. 降温效果明显，本发明一方面利用粘土层的遮阳作用，可有效削弱太阳辐射对路基边坡的直接加热作用；另一方面，利用边坡块石层形成了坡面封闭、顶底两端开放的结构，使得冷季块石层内的自然对流和强迫对流得到强化，提高了路基冷能的吸入量，同时把路基内的热能及时带走。利用暖季块石层热屏蔽作用，阻隔外界热量的侵入，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，从而实现对护坡路基下覆土体温度的降低，实现路基的长期热稳定性。

2. 避免了长期使用后块石层孔隙极易被风积沙或杂物堵塞的缺点，克服了块石层长期遭受强烈的紫外线照射和循环冻融后强烈风化破碎，填充孔隙而失去冷却降温功效的弊病；

3. 便于施工。块碎石、粘土可就近取材，成本低廉。块石随机抛掷，易于施工和维护，路基铺筑工序简单，施工简便；

4．本发明无需任何外部动力设施，无污染，保护生态环境。对冻土不会产生大的人为扰动，可满足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、铺设黑色路面的公路和铁路路基工程中。对于路基的高低没有特殊要求。

附图说明

图1是本发明横断面。

图2是本发明俯视面。

图3是本发明工作原理图。

图4是青藏铁路沱沱河试验段新型块石护坡与传统块石护坡两种路基块石层底部温度过程线对比。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明技术方案再做进一步的说明。

如图1-2所示，一种具备遮阳和通风降温功效的块石层护坡路基，是由路堤1、块石层2、土工布3、粘土4、天然地基5组成。在夯实的天然地基5上填筑路堤1，路堤高度2.0～4.0m，路堤1的顶宽为12.0m，路堤边坡为1：1.5，路堤边坡上依次铺设块石层2、土工布3和夯填粘土4；块石层2粒径控制在12-30cm之间，水平厚度120cm，垂直厚度80cm，随机抛掷并挤压，保持坡面平整。为了充分利用块石层开放和粘土封闭两种结构的不同降温效果，并且在块石层2坡脚位置水平延伸2.0m宽，形成开放边界。在块石层坡面上铺设一层土工布3，以防止土粒或沙粒填充块石孔隙。土工布3上再铺设100-120cm粘土4，夯填密实，形成了坡面封闭，避免块石遭受强烈的紫外线照射和循环冻融引起的风化损伤破坏。

在冷季，青藏高原风速较大，外界较冷的空气流经路基坡脚的块石层，由于“烟囱效应”及路基顶部的风速要强于路基坡脚，加速了块石层内对流换热速度，从而降低了块碎石层内部的温度。相关研究已经表明，决定块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度差。可见，冷的路基顶端边界有助于提高其上（顶）下（坡脚）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石层的对流降温效果，吸入大量的“冷能”，把大量的“热能”及时带走。

在暖季，尽管块石层的顶底两端边界开放，但由于此时青藏高原的风速较小，受太阳辐射的影响，块石层内顶部温度高于坡脚，空气密度也是顶部小于坡脚。因此块石层内部无自然对流和强迫对流产生，内部空气基本处于静止状态，但块石层内导热系数很小的空气能够阻隔外界热量的侵入，同样能够保持路基多年冻土温度不会升高。与此同时，无论冷季还是暖季，路基的块石层和粘土层均能发挥较好的遮阳和空气对流作用，大量的太阳辐射被有效阻隔，从而进一步降低了路基坡面的温度。

综合上述，在一个冻融周期内，这种路基结构在冷季吸入大量的“冷能”，并把“热能”及时带走；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，保护路基多年冻土的目的。

为验证该技术方案的有效性，本发明在青藏铁路沱沱河K1217+910里程已作为试验段进行观测试验。214国道试验段路堤高度为2.5m、顶端宽度12.0m、路堤边坡为1：1.5、块石层粒径15-25cm，水平厚度120cm，粘土水平厚度150cm；青藏铁路沱沱河监测段路堤高度4.0m、顶端宽度3.5m、路堤边坡为1：1.5、块石层粒径20-30cm，水平厚度120cm，粘土水平厚度100cm。

为验证该路基的降温效果，选择位于该试验段50m远的青藏铁路现有的传统块石护坡路基进行对比，图4为青藏铁路沱沱河试验段新型块石护坡与传统块石护坡两种路基块石层底部温度过程线对比。由图4可以看出：新型块石护坡路基块石层底部的温度明显低于传统块石护坡路基块石层底部的温度，两者年平均温度相差约1.7℃。并且，从暖季的7月至9月，两种路基块石层底部的温度差异进一步增大，最高差值可达4℃，表明新型块石护坡路基坡面的粘土层在暖季起到了较好的遮阳效果，表明该新型块石护坡路基的降温效果，较之传统的块石护坡路基得到明显改善.

以上观测数据表明，本发明设计的块石层护坡路基结构相比以往的块石护坡路基来说，具有相对较好的降温效果，同时由于其长期使用稳定可靠、环境干扰小，是一种多年冻土地区公路、铁路适用的路基降温结构。

Claims (1)

1.一种具备遮阳和通风降温功效的块石护坡路基，是由路堤(1)、块石层(2)、土工布(3)、粘土(4)、天然地基（5）组成，其特征是在夯实的天然地基（5）上填筑路堤（1），路堤高度为2.0～4.0m，顶宽≤13.0m，路堤边坡为1：1.5，路堤边坡上依次铺设块石层（2）、土工布（3）和夯填粘土（4）；块石层（2）粒径控制在12-30cm之间，块石层（2）厚度80-120cm，块石空隙率为25%-30%；随机抛掷并挤压，块石层（2）在坡脚位置水平延伸2.0m宽，形成开放边界；并且在块石层坡面上铺设一层土工布（3），土工布（3）上再铺设粘土（4），夯填密实。