CN107201702B - 对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，该路堤包括设在路堤填土内的半圆形凹槽及埋设在所述半圆形凹槽上并与外界相通的倒U型通风管。所述倒U型通风管的一端或两端安装温控风门，其上方设有保温材料。本发明改变了以往通风管的换热机制，大幅提高通风管路基的换热效能，不仅通过水分的蒸发有效降低路基病害产生的条件，而且通过有效的对流换热调控，最大程度利用了多年冻土区的冷能自然条件，在不断降低冻土温度的同时，有效提升冻土路基的稳定性。

Description

对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤
技术领域
本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤。
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、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，会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重要影响。
通过保护冻土工程措施的采用，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，而在这些措施中，有效调控冻土工程的对流换热过程，是保护冻土基础重要的工程措施的一个类型。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，及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的不断存储、冻土地温的不断降低、基础稳定性不断增强的目的。
通风路基是多年冻土区保护冻土重要工程措施中的一种。但是，由于结构型式的不同、通风管管壁换热性能的不同都会对路基的整体换热效能产生重要影响。由此，也就成为诸多技术关注和研发的重点。
《冻土工程中用的透壁式通风管》（葛修润，02139009.6），虽然通风管管壁有大量通风孔洞，空气可以直接与通风管周围的土质直接进行热量交换，但是较小的孔洞、通风管内较小的空气流速，难以发挥对流换热作用。相反，由于空气导热系数仅为0.027W/m·K，孔内滞留的空气层反倒起到隔热作用，反倒降低了通风管的对流换热作用。
《一种通风块石层宽幅路基结构》（房建宏，201420799258.8），受到有限空间的块石空气通透率的限制，块石层内的空气流动过程、对流换热都受到很大限制，难以有效进行路基的降温。
另外，由于青藏高原极端恶劣自然环境，使得施工现场难以进行通风管的混凝土预制生产。而在海拔较低的地区生产的通风管，由于主要为占据体积的空心构件，使得每车的运量受到很大限制，由此在很大程度增加工程建设成本。
面对国家“十三五”战略规划的出台，青藏高速公路即将面临修筑，但是，高速公路与普通公路相比，普通公路与铁路相比冻土问题都更为突出。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，且路基吸热的主要途径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”，并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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增强冻土路基对流换热效能的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤。
为解决上述问题，本发明所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：该路堤包括设在路堤填土内的半圆形凹槽及埋设在所述半圆形凹槽上并与外界相通的倒U型通风管；所述倒U型通风管的一端或两端安装温控风门，其上方设有保温材料。
所述倒U型通风管距离原天然地表的高度为0.5~2m。
所述倒U型通风管与所述半圆形凹槽相契合，并由连接为一体的呈半圆或抛物线状的顶面段、斜壁支撑段和底座段构成。
所述顶面段的高度为5~20cm。
所述斜壁支撑段的高度为0 ~20cm，且与垂线的夹角为0~45°。
所述半圆形凹槽的深度为0 ~20cm。
所述温控风门的控温范围为-5℃~5℃。
所述保温材料的厚度为10~50 cm，且与所述倒U型通风管的间距为0.0~1.0 m。
所述倒U型通风管为预制钢筋混凝土预制件及现场浇注的钢筋混凝土、混凝土、发泡混凝土中的一种。
所述保温材料为聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、换热机制的改变。
首先，改变了原有通风管通风路基对流换热过程，以往通风管路基的换热过程是通过混凝土通风管管壁的传热，实现路堤填土与对流空气的间接换热。而本发明则是填土与对流空气之间的直接换热；其次，增加了水分蒸发、耗热的换热过程。以往通风管对土体的隔断作用，使得路堤内部的水分难以散发，而本发明通过倒U型通风管与填土形成最大的过风面积，使得对流换热方式和途径的改变，可以通过水分的蒸发、相变过程吸收大量的热量，由此达到最佳的降温效能。由于青藏高原的干旱环境条件，都使得该种换热机制在整体换热中占据较大的比重。
2、更为显著的换热、降温效能。
首先，由于上述双重换热机制改变，使得路基整体换热能力大幅增强；其次，由于路堤水分的减少，也使得土体的导热系数增大、导热性能增强，使得路堤整体换热能力从本质上得到进一步改善；第三，由于温度控制风门的有效调控，使得冬季的冷能都到最大程度的有效保存。正是几方面的有效结合，使得本发明的降温效能达到最优。
3、潜在工程病害的有效降低。
冻土路基的工程病害主要为冻胀、融沉，而产生该种病害的需要原因在于路基内部水分的冻结、融化。原有通风路基结构中，预制混凝土管道对路堤内部水分的封闭结构，隔断了路堤水分的蒸发通道。而本发明对流换热底部的透气式结构，使得路堤内部的水分可以有效散发，由此有效降低路基内部的水分含量，从而大幅降低冻胀、融沉的病害率。
4、工程建材成本的降低、性价比的提高。
首先，在于采用预制钢筋混凝土材料的降低约30 ~ 40%；其次，本发明设计的钢筋混凝土预制构件，具有可以相互叠放优点，在大幅提高单车交通运输量、降低运输成本的同时，也减少了货物破损率，有效消除以往通风管空心、占比空间大、运输成本高、破损率大诸多问题，从而有效降低工程建材成本。
另外，由于优越的工程效能，还可以根据工程需要，通过增大通风管间距，进一步减少工程建材成本。
5、工程建设周期的降低。
以往预制混凝土通风管的施工中，为保证埋设通风管的稳定性，需要在密实后的路堤填土中，再次开挖通风管埋设沟槽、再拼接安装通风管。同时也会造成通风管与周围土体难以紧密接触，并影响对通风管与周围土体的热传导过程。而本发明可以在规定位置、密实后的路堤填土层上直接铺设、拼装倒U型通风管，不但工艺简化，而且建设周期缩短。
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为本发明的结构示意图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明中倒U形温控通风管结构示意图。
图4为本发明实施例中的工程结构三维示意图。
图中：1—路堤填土；2—倒U形通风管；3—顶面段；4—斜壁支撑段；5—底座段；6—半圆形凹槽；7—温控风门；8—保温材料。
具体实施方式
如图1~4所示，对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，该路堤包括设在路堤填土1内的半圆形凹槽6及埋设在半圆形凹槽6上并与外界相通的倒U型通风管2；倒U型通风管2的一端或两端安装温控风门7，其上方设有保温材料8。
其中：
倒U型通风管距离原天然地表的高度为0.5~2m。
倒U型通风管2与半圆形凹槽6相契合，并由连接为一体的呈半圆或抛物线状的顶面段3、斜壁支撑段4和底座段5构成。顶面段3的高度为5~20cm。斜壁支撑段4的高度为0 ~20cm，且与垂线的夹角为0~45°。
倒U型通风管2为预制钢筋混凝土预制件及现场浇注的钢筋混凝土、混凝土、发泡混凝土中的一种。
半圆形凹槽6的深度为0 ~20cm。
温控风门7的控温范围为-5℃~5℃。温控风门7可根据环境气温变化，自动开启、或关闭。高于控制温度风门关闭，低于控制温度风门开启。
保温材料8的厚度为10~50 cm，且与倒U型通风管2的间距为0.0~1.0 m。保温材料8为聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合。
本发明具体应用实例1：
⑴在多年冻土区的天然地表，按照0.3~0.5m厚度直接分层铺设、密实路堤填土1，至1.5m高度。
⑵进行场地的平整、使用振动式压力机压实路堤填土1的密实度至0.95。
⑶按照100cm的间距进行通风半圆形凹槽6的施工。使用半圆形冲击锤、垂直路基走向、沿预先画出的施工线进行顺序冲击至10cm的深度。由此形成连续、平整、深度为10cm的半圆形凹槽6。
⑷采用半圆形、高度为20cm顶面段3的倒U型通风管2。
⑸由机械、或人工进行倒U形通风管2的铺设、循序拼接。同时，倒U形通风管2底部伸出路堤填土1两侧20cm。由此完成其中一条倒U形通风管2的安装。由此循环，完成整个施工段倒U形通风管2的安装。
⑹按照常规施工工序，由完成整个施工段倒U形通风管2的安装的一头进行路堤填土1的填筑和推进。为保护倒U形通风管2的安全，该次的填土控制厚度为50cm。然后进行整平、和振动碾压。然后按照常规，进行后续的工程施工。
⑺整个工程施工完成后，安装温控风门7，设定的控制温度为0℃。
本发明具体应用实例2：
无需进行步骤⑶的施工。直接进行倒U形通风管2的安装。然后按照常规、循序进行后续的施工。由此进一步提高工作效率。

Claims (9)

1.对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：该路堤包括设在路堤填土（1）内的半圆形凹槽（6）及埋设在所述半圆形凹槽（6）上并与外界相通的倒U型通风管（2）；所述倒U型通风管（2）的一端或两端安装温控风门（7），其上方设有保温材料（8）；所述倒U型通风管（2）与所述半圆形凹槽（6）相契合，并由连接为一体的呈半圆或抛物线状的顶面段（3）、斜壁支撑段（4）和底座段（5）构成；所述倒U型通风管（2）的底座段（5）开口。
2.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述倒U型通风管（2）距离原天然地表的高度为0.5~2m。
3.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述顶面段（3）的高度为5~20cm。
4.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述斜壁支撑段（4）的高度为0 ~20cm，且与垂线的夹角为0~45°。
5.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述半圆形凹槽（6）的深度为0 ~20cm。
6.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述温控风门（7）的控温范围为-5℃~5℃。
7.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述保温材料（8）的厚度为10~50 cm，且与所述倒U型通风管（2）的间距为0.0~1.0 m。
8.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述倒U型通风管（2）为预制钢筋混凝土预制件及现场浇注的钢筋混凝土、混凝土、发泡混凝土中的一种。
9.如权利要求1所述的对流调控全壁通风透气式冻土通风路堤，其特征在于：所述保温材料（8）为聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或者几种组合。
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