CN107201700A - 一种通风管块石间夹式自控通风管路基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通风管块石间夹式自控通风管路基，该路基包括设在路堤填土中的沿垂直路基走向设置与外界相通的水平通风管。所述水平通风管的一端或两端管口安装自动温控风门；相邻所述水平通风管之间铺设块石层；所述水平通风管与所述块石层的上方连续水平铺设保温材料。本发明将热传导、对流调控措施有效结合提出新的路基型式，实现对路基下部土体进行整体、快速、均匀的平面式降温，有效解决多年冻土区冻土路基，尤其是高速公路路基由下部冻土融化、上限下降、不均匀沉降等引起路基灾害问题，确保道路工程运行的长期稳定性。

Description

一种通风管块石间夹式自控通风管路基

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种通风管块石间夹式自控通风管路基。

背景技术

在我国青藏高原、东北等多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，形成了厚达几米、甚至十几米、各具形态的后增地下冰。随着气候环境的变化、人为工程活动的影响，导致冻土和地下冰退化和融化，从而导致各种工程灾害的产生，对各种重大工程建筑稳定性产生负面影响。

通过采用保护冻土工程措施，主动冷却冻土基础，是保证冻土工程长期安全运营、稳定的关键途径。在这些措施中，有效调控冻土工程的对流换热措施，是一种保护冻土基础重要的工程措施。该类措施通过有效促进冬季、或夜晚低温环境条件下基础与外界环境的换热过程，有效抑制暖季、或白天高温环境条件下基础的换热过程，由此达到冷能在路基内部不断存储、冻土地温的不断降低、基础稳定性不断增强的目的。

面对国家“十三五”战略规划的出台，青藏高速公路即将修筑，但是，高速公路与普通公路、铁路相比，冻土问题将更为突出。已有研究表明（俞祁浩等. 我国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究. 中国科学（技术科学），2014，44（4）: 425 ~ 432），由于黑色路面的强烈吸热、沥青路面隔水和阻止水分蒸发散热的影响，使得相同条件下公路路基的吸热强度是铁路的3倍多，且吸收的热量，主要集中在路堤的中心部位，并难以向周围冻土散热。而高速公路与普通公路相比，更加剧了该种现象的出现。当公路路基宽度增加约1倍时，路堤底面的吸热强度增加约0.6倍，路基吸热进一步聚集在路基的中心部位，由此产生更加明显的“聚热效应”，将导致冻土更加快速的退化。

面对更高的技术标准、更宽的公路路面，高速公路与冻土之间的热作用更加显著，在多年冻土区修筑高速公路将会面对更为突出的冻土工程问题和修筑技术难题。由于传热途径、强度等方面的根本改变，通过青藏铁路等获得的成功经验、先进技术难以在青藏高速公路建设中直接应用。

在道路路基内部设置通风管，使得路基内部与周围环境空气之间产生对流换热作用，及时将路基吸收的热量及时散出，由此达到降温的目的。因此，通风路基是多年冻土区保护冻土的一种重要工程措施。但是，由于结构型式的不同、通风管管壁换热性能的不同都将对路基的整体换热效能产生重要影响。由此，其就成为诸多技术关注和研发的重点。虽然相关技术具有一定的新颖性，但在实际应用中尚存在不同问题，仍需要进行研发。现有技术存在的问题主要为：

《保护冻土隔热降温装置》（俞祁浩，200420041458.3），虽然在通风管口安装了自动温控系统，能够强化通风管的降温效能，在通风管之上设置保温材料，能够起一定的保冷、隔热作用，但是该调控路基对下部土体降温方式仍为垂直路基的间隔、线式降温模式，不仅会引起多年冻土上限、地温场沿公路走向的起伏、不均匀变化，并导致路基开裂等潜在工程病害的产生，而且，降温效能尚难以满足实际工程需要。由于这些问题的存在，导致该种措施难以满足冻土高速公路整体、均匀、高效降温的特殊要求。

《基于XPS保温板与通风管的复合路基》（王铁权，201420016447.3），不仅属于线式降温方式，同时由于暖季通风管换热过程的重要影响，使得该种措施年循环的整体效能大幅下降，甚至难以降温，这些都离冻土高速公路地温调控的技术要求相去甚远。

因此，为满足多年冻土区修筑高速公路的实际工程需要，面对地温整体、均匀、有效调控的特殊要求，不断进行技术创新、进步，是解决工程难题的关键途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能对高速公路冻土路基进行整体、均匀、平面式快速降温、对流储冷的通风管块石间夹式自控通风管路基。

为解决上述问题，本发明所述的一种通风管块石间夹式自控通风管路基，其特征在于：该路基包括设在路堤填土中的沿垂直路基走向设置与外界相通的水平通风管；所述水平通风管的一端或两端管口安装自动温控风门；相邻所述水平通风管之间铺设块石层；所述水平通风管与所述块石层的上方连续水平铺设保温材料。

所述水平通风管的直径为0.3~0.8 m，其相邻管轴线间距为2~8倍管径，其管中心轴线距天然地表为0.5~1.5 m。

所述自动温控风门的温度控制阈范围为-5℃~5℃。

所述块石层为块石或块碎石，其厚度与所述水平通风管的外径相一致。

所述保温材料的厚度为10~50 cm，其埋设位置距所述水平通风管顶部0.0~1.0 m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、平面、整体式新型降温方式的实现。

通常的通风管路基降温方式是沿着通风管对周围土体进行线式降温，这样在路基走向上表现出较不平整的地温分布，容易出现路面波浪起伏问题。而本发明由于通风管、管间块石层整体对流换热方式的存在，使得路基的降温可以平面、整体进行，根本解决公路、特别是高速公路整体、均匀降温的关键技术难题。

2、降温效能的大幅提高。

由于空气对流、换热、降温通道的拓宽，降温效能在很大程度上得以提高；同时由于暖季风门的关闭，以及保温材料，通风管和块石层的双层隔热效能，都使得暖季的热量难以进入路基的内部，冬季储藏的冷能得到最大程度保护。因此，通过冬季降温、暖季隔热双重效能的提升和组合，可以大幅提升本发明的降温效能。

3、路基稳定性的大幅增加。

以往工程措施作用下的次生工程病害主要来源于地温场，特别是0℃等值线的平整性、均匀性。因此，对于高等级公路，降温过程中0℃等值线变化过程的平整性、均匀性直接影响冻土路基工程的稳定性。由于本发明降温、隔热的双重平整性，都使得地温场的平稳性大幅提高。同时由于降温效能的提升、冻土基础强度相应增强，都使得路基稳定性大幅增加。

4、工程结构简单、有效缩短施工周期。

与块石路基、或块石与通风管复合等工程措施相比，本发明仅为通风管、块石层单一层面的工程建材的铺设，其上层的保温材料铺设也相对简便，这些都使得工程建设周期大幅缩短。

5、有效降低工程建设成本。

由于青藏高原脆弱生态环境的限制，所需块石需要单独开采、长距离运输，材料成本在整个工程中的占比很大。由于本发明大量缩减石材的使用，其厚度仅为以往块石层厚度的1/3 ~ 1/2，增加的通风管、保温材料、风门的成本相对低廉，因此，可有效降低工程建设的综合成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的横断面结构示意图。

图2为本发明的纵断面结构示意图。

图3为以往技术和本发明的路基下部冻土上限随时间变化曲线对比图。

图4为以往技术降温初期地温剖面图。

图5为本发明降温初期地温剖面图。

图中：1-路基填土 2-保温材料 3-水平通风管 4-自动温控风门 5-块石层6-天然地表。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种通风管块石间夹式自控通风管路基，该路基包括设在路堤填土1中的沿垂直路基走向设置与外界相通的水平通风管3。水平通风管3的一端或两端管口安装自动温控风门4；相邻水平通风管3之间铺设块石层5；水平通风管3与块石层5的上方连续水平铺设保温材料2。

其中：

水平通风管3的直径为0.3~0.8 m，其相邻管轴线间距为2~8倍管径，其管中心轴线距天然地表6为0.5~1.5 m。

自动温控风门4的温度控制阈范围为-5℃~5℃。自动温控风门4可根据环境气温和时间变化，自动开启、或关闭，高于温度控制阈值风门关闭，低于温度控制阈值风门开启。

块石层5为块石或块碎石，其厚度与水平通风管3的外径相一致。

保温材料2是指聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合，其厚度为10~50 cm，其埋设位置距水平通风管3顶部0.0~1.0 m。

本发明工作原理：

这种设有保温板、块石层的自控通风管路基从对流和热传导两方面进行综合调控，其工作过程为：

冬季低温环境条件下，水平通风管3自动温控风门4自动打开，路堤与外界通过水平通风管3进行对流换热，对水平通风管3周围的土体进行降温。与此同时，水平通风管3之间块石层由于大空隙条件的存在，在温差、不同空气密度推动下，块石层5内也存在自然对流换热过程。由此导致整体换热层面的形成，不仅大幅提升水平通风管3换热效能，而且对路堤实现了进行整体、均匀、高效降温的目的。

暖季高温环境条件下，水平通风管3自动温控风门4自动关闭，由此阻止路堤与外界的换热过程，有效阻止暖季热量的侵入；其次，由于公路暖季的热量主要来源于黑色路面的吸热，首先，保温材料2有效阻止了上部热量的下传，其次，由于空气的导热性能非常低，较大孔隙度的块石层5和水平通风管3进一步阻止了上部热量的下传。由此最大程度保存了冬季蓄积的冷能、并将冻土温度维持在较低的水平。

由此，本发明通过强化水平通风管3的降温效能，并利用保温材料2实现阻热蓄冷功能，利用块石层5的热对流和单向导热性能，实现对路基下部冻土进行整体、平面式降温，提高冻土上限，防治冻土路基发生路面不均匀沉降类灾害问题。

本发明具体应用实例1：

⑴在压实的天然地表上填筑路堤填土1，在路基填土1内设置与路基走向垂直的水平通风管3，水平通风管3的直径为0.6 m，相邻水平通风管3中心轴线之间的间距为2 m，其管中心轴线距天然地表6为1 m。

⑵在水平通风管3的两端管口安装自动温控风门4，自动温控风门4温度控制阈值为0℃。

⑶在相邻水平通风管3之间铺设块石层5，该层厚度为0.6 m，位置与水平通风管3平齐。

⑷在水平通风管3上部水平铺设10 cm厚的XPS保温板2。

为验证本发明路堤的调控效能，结合上述路基，在高温冻土区环境条件下对本发明路基的降温效果与已有技术（通风管保温材料复合路基）进行了数值仿真计算及对比。由计算结果可见，本发明较以往技术具有突出先进性。其中：

⑴更突出的降温效能，有效提升冻土地基的持力强度，确保高速公路冻土路基的长期稳定性。冻土路基的沉降变形与冻土上限有关，如图3所示，本发明的上限随年限变化趋势（图中“本发明”曲线）完全解决了已有技术（通风管保温材料复合路基，图中“已有技术”曲线）上限随运行年限不断下降的现象，路基下冻土上限在投入运行的第2年之后将稳定保持在原天然地表处。与此对应，冻土地基的持力强度将得到大幅度提升，冻土路基沉降病害问题将得到根据解决，能够确保高速公路冻土路基的长期稳定性。

⑵有效改善冻土路基地温场分布，改变以往调控措施的降温方式，从根本上解决高速公路的修筑难题。图4、图5为调控路基降温初期地温剖面图，由图4、图5中0℃地温曲线可以看出，与已有技术（通风管保温材料复合路基，图4）沿通风管线性降温方式完全不同，本发明（图5）对下部土体呈整体、均匀、面式降温，这将消除路基由于地温场不平整引起的路面不均匀变形，根本解决路基走向上路面起伏问题，满足高速公路冻土路基平整性的高标准。

Claims (5)

1.一种通风管块石间夹式自控通风管路基，其特征在于：该路基包括设在路堤填土（1）中的沿垂直路基走向设置与外界相通的水平通风管（3）；所述水平通风管（3）的一端或两端管口安装自动温控风门（4）；相邻所述水平通风管（3）之间铺设块石层（5）；所述水平通风管（3）与所述块石层（5）的上方连续水平铺设保温材料（2）。

2.如权利要求1所述的一种通风管块石间夹式自控通风管路基，其特征在于：所述水平通风管（3）的直径为0.3~0.8 m，其相邻管轴线间距为2~8倍管径，其管中心轴线距天然地表（6）为0.5~1.5 m。

3.如权利要求1所述的一种通风管块石间夹式自控通风管路基，其特征在于：所述自动温控风门（4）的温度控制阈范围为-5℃~5℃。

4.如权利要求1所述的一种通风管块石间夹式自控通风管路基，其特征在于：所述块石层（5）为块石或块碎石，其厚度与所述水平通风管（3）的外径相一致。

5.如权利要求1所述的一种通风管块石间夹式自控通风管路基，其特征在于：所述保温材料（2）的厚度为10~50 cm，其埋设位置距所述水平通风管（3）顶部0.0~1.0 m。