CN107201707A - 一种通风管-通风块降温隔热的复合路基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，包括铺设在天然地表上的路基填土，其特征在于：所述路基填土中交错堆放通风块层；所述通风块层的顶部沿垂直路基走向等间距铺设与外界相通的通风管，该通风管的一端或两端安装自动温控风门；所述通风管的上方铺设有保温材料。本发明通过对流换热结构的创新，使得路基的换热过程改变为冷季的单向换热过程，换热层的功率、降温效能成倍提高，调控工程效果显著改善。在大幅提高冻土路基稳定性的同时，突出解决冻土高速公路修筑难题，确保冻土工程的长期安全和稳定。

Description

一种通风管-通风块降温隔热的复合路基

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-通风块降温隔热的复合路基。

背景技术

冻土是指具有负温和含冰的土体和岩石，我国多年冻土分布面积约215万平方公里，约占国土面积的22%，占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山等地区。随着国家经济建设的不断加快，在这些特殊地区不断兴建各种交通设施，如青藏公路、青藏铁路等国家重大项目。但是由于冻土中冰以及未冻水的存在，并且其对温度极为敏感，而道路工程施工以及全球变暖等原因会引起冻土温度的上升，使得路基产生融沉病害，严重危害多年冻土区道路的稳定性。因此如何维护多年冻土区道路路基的稳定性，从而因地制宜地采用技术措施，以达到正确进行路基施工显得尤为重要。

为解决好冻土问题，确保多年冻土区道路的安全稳定，多年来科研人员提出了主动冷却路基，保护冻土的总思路，并依据这一思路设计出了一系列降温措施。目前最常见的为块碎石层路基、通风管路基等，这些措施主要是利用寒季路基中下高上低的边界温差驱动的自然对流效应来达到降低冻土温度和保护冻土的目的。但其中还存在不少问题，如块碎石层路基还存在着内部自然孔隙率达不到对流换热要求，造成内部对流换热效能不均一，影响降温效果；而单独使用通风管降温，由于在通风管尾部空气流动减缓，造成了降温效果整体的减弱，且无法阻止热量通过通风管之间的路基填土传入下部冻土。所以块碎石层、通风管路基等现有措施仍旧不能从根本上满足需要。

《一种透壁通风管-块碎石层降温隔热复合路在宽幅道路中的应用》（赖远明，董元宏，张明义.中国,201010133544.7）对通风路基做出了改进。虽然能够起一定的保冷、隔热作用，但是尚存在诸多不足。首先，青藏高原荒漠化的自然环境，经常性的风沙条件，会使得自然界的风沙通过通风管上的孔洞进入块石层中，在不断积累过程中，逐步导致整个换热层效能的丧失；其次，由于现场条件、施工条件的限制，往往导致块石层的自然孔隙率达不到对流换热要求，导致换热效能的下降，难以达到降温要求；第三，最为关键的是，通风管管口的不封闭，以及透壁通风管与块石层的强烈换热机制，会使得暖季热量快速进入换热层中，引起整体路基温度的快速升高，由此，不仅不会起到降温作用，反而可能会引起路基温度的升高，从而导致路基内部冻融作用的加剧，可能会造成次生路基冻融病害的产生。

《强化通风隔热路基》（李国玉，李宁，牛富俊.中国,200710017288.3）虽然在通风管口安装了自动温控系统，但是由于整体结构设计的缺陷，导致整体结构强度下降、以及块石层降温效果的减弱。首先，通风管上的孔洞会造成通风管力学强度降低，极易损坏；其次，由于通风管置于最底部，在暖季，由于暖空气的比重较轻，可以通过管壁的孔洞进入路基内部，并在块石层中上升、对流和换热，快速升高路基的整体温度，同时，由于通风管更加靠近路基的底部，其温度变化对路基整体温度影响更为快捷；第三，由于冬季冷空气的比重较大，在通风管中的冷空气难以通过管壁的孔洞进入上部块石层中，难以进行对流和换热，从而难以有效达到冷却路基的效果。因此，该种技术难以有效发挥调控路基地温的目的。

因此，面对在多年冻土区修筑各级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确保冻土路基长期稳定性的通风管-通风块降温隔热的复合路基。

为解决上述问题，本发明所述的一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，包括铺设在天然地表上的路基填土，其特征在于：所述路基填土中交错堆放通风块层；所述通风块层的顶部沿垂直路基走向等间距铺设与外界相通的通风管，该通风管的一端或两端安装自动温控风门；所述通风管的上方铺设有保温材料。

所述通风管直径为0.3~0.8 m，相邻管轴线间距为1~5倍管径，通风管轴心距离地表高度为0.5~1.5m。

所述通风块层的厚度为0.3~1.5m，且两侧通过厚度为0.5m~2.0m的土层封闭于所述路基填土之中。

所述通风块层中的通风块是指边长或直径为0.2~0.5m、壁厚为10~30cm且中部具有空心通道的正方体或圆柱体混凝土空心块。

所述保温材料的厚度为10~50cm，其埋设高度距所述通风管顶部0.0~1.0 m。

所述自动温控风门的温度控制范围为-5℃~5℃。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、对流换热结构的根本改变、换热功率的成倍提高。

以往块石层中块石的大小混杂、无序堆放，造成块石层中的对流换热通道大小不一、路径曲折、块石层顶底面难以进行直接对流换热，使得换热效能大打折扣。而本发明通过预制通风块形状的改进、层内通风块相互关系和结构的调整，使得其内部对流换热通道大小均一、路径通畅，可以直接进行空心块层顶面、底面的对流换热，由于空气自然对流速度、流量的增加，以及换热界面的根本改变，都使得空心块层的换热功率大幅、成倍增加。

2、换热过程的根本改变。

本发明改变以往相关技术只是注重结构改变，忽略冷季、暖季路基对流换热过程对路基整体调控效能的影响，通过通风管温控风门根据环境变化，冷季自动开启、暖季自动关闭的方式，有效调控路基的整体换热过程。由此将以往技术整体路基冷季、暖季双向换热的过程，根本改变为冷季的单向换热过程，通过有效阻止暖季热量的侵入，使得冬季的冷能最大程度不断蓄积到路基的内部。

3、降温效能的成倍提高、调控效果的显著改善。

首先，在降温效能提高方面，⑴本发明由于对流换热结构、工作条件的根本改变，使得空心块换热功率成倍提高，为整体降温效能提供关键基础；⑵本发明对路基整体换热过程的根本改变，从方向上控制了路基整体地温的变化。因此，通过对这两个关键、重要环节的根本改变，使得本发明的降温效能成倍提高；其次，在地温调控效果方面，本发明由于空心块特有的流畅的空气流动通道，使得整体地温可以快速达到整体降温、均匀降温的效果，由此使得地温的变化过程平整、均匀，较好达到高等级公路地温调控的整体降温、均匀降温的要求。

4、冻土路基稳定性的大幅提高。

首先，由于冻土基础的大幅降温使得冻土强度成倍提高，致使路基荷载能力、控制路基变形能力大幅提高；其次，由于本发明对地温场的平稳性、对称性的降温特性，能有效避免地温场不均匀可能导致的次生病害，进一步增加路基的稳定性；第三，由于地温的显著降低，使得暖季0℃线的融化深度大幅减少，从而极大消除由于冻胀、融沉问题所形成的工程病害。

5、突出解决高速公路修筑难题。

由于冻土高速公路强度的需求成倍提高，工程标准要求的更加严格，都对冻土工程调控技术提出更高要求。而现有技术难以满足工程修筑的技术要求，特别是高速公路全幅修筑、整体修筑，路面超宽条件下的技术要求。本发明由于特有的内部结构和换热方式、突出的地温调控效能、优异的工程降温效果，在完全满足工程实际要求的同时，也可以完全应对未来气候环境升温和冻土退化所造成的不利影响，由此保证冻土工程的长期安全和稳定。

因此，本发明可有效地降低公路路基下部冻土温度，抬升冻土上限，确保冻土路基的长期稳定性。

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为本发明的横断面示意图。

图2为本发明的纵断面示意图。

图3为本发明一种通风块示意图。

图4为本发明另一种通风块示意图。

图5为现有技术施工的路基地温结果。

图6为运用本发明技术施工的路基地温结果。

图中：1—路基填土 2—保温材料 3—通风管 4—通风块层 5—天然地表 6—自动温控风门。

具体实施方式

如图1~2所示，一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，包括铺设在天然地表5上的路基填土1。路基填土1中交错堆放通风块层4；通风块层4的顶部沿垂直路基走向等间距铺设与外界相通的通风管3，该通风管3的一端或两端安装自动温控风门6；通风管3的上方铺设有保温材料2。

其中：

通风管3直径为0.3~0.8 m，相邻管轴线间距为1~5倍管径，通风管3轴心距离地表高度为0.5~1.5m。

通风块层4的厚度为0.3~1.5m，且两侧通过厚度为0.5m~2.0m的土层封闭于路基填土1之中。通风块层4中的通风块是指边长或直径为0.2~0.5m、壁厚为10~30cm且中部具有空心通道的正方体或圆柱体混凝土空心块（参见图3、图4）。

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10~50cm，其埋设高度距通风管3顶部0.0~1.0 m。

自动温控风门6的温度控制范围为-5℃~5℃。可根据环境气温和时间变化，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。

本发明工作原理：

这种设有保温材料、通风块以及含有自动温控风门的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，通风管3的自动温控风门6自动打开，路基与外界通过通风管3进行对流换热，对通风管3周围的土体进行降温。与此同时，路基中的通风块因为存在宽敞、规则、有序的空气流动通道，在路基上下温差的驱动下，空心块层内存在较大的空气自然对流，由此导致空心块层顶面、底面的直接对流换热，这样不断将热量传导至通风管3壁面，大幅提升整体通风管-通风块层的换热效能，实现了对路基进行整体、均匀、高效降温的目的。暖季高温环境条件下，通风管3的自动温控风门6自动关闭，由此阻止路基与外界的换热，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，保温材料2有效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，本发明通过强化通风管3和通风块的复合降温效能，并利用保温材料2实现阻热蓄冷功能，实现了对路基下部冻土进行整体、平面式降温，提高了冻土上限，防止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5上填筑路基填土1，首先在路基填土1内距天然地表520cm处规则有序堆放厚度为0.6m的通风块层4，通风块层4是由尺寸为0.3m的中部具有空心通道的正方体混凝土空心块组成，其次在通风块层4上部设置与路基走向垂直的水平通风管3，通风管3的直径为0.6 m，相邻通风管3中心轴线之间的间距为2 m。

⑵在通风管3的两端管口安装自动温控风门6，自动温控风门开关的临界温度值为0℃。

⑶在相邻通风管3之间铺通风块层4，该层厚度为0.6 m，位置与通风管3平齐。

⑷在通风管3上部水平铺设10 cm厚的XPS保温板2。

为验证本发明路基的调控效能，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有效提升冻土地基的持力强度，确保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，通过图6可以看出，本发明的0℃的最大融化深度基本位于通风块层的底部，路基底部基本没有土体的冻融过程；其次，与图5相比，0℃温度线顶面的宽度得到有效加宽，与此对应，路基关键部位应力地温场得到根本改变，路基荷载作用全部为冻土层所承担，有效增加了路基承载力，使得冻土地区公路施工所要求的整体、均匀温度场得以有效实现。

⑵更为突出的降温效能。通过对比图5、图6，可以看到，通过本发明的应用，路基下部0℃等值线显著高于已有的复合温控路基，在公路路基内部显著抬升了冻土上限，并有效地降低了路基下部冻土的温度，如图5中所示，使用本发明路基之后，路基下部出现了大面积的-2℃的区域，这些低温区域更有利于保护路基的力学稳定性，并且可以持续降低路基温度。

⑶有效改善冻土路基地温场分布。通过改变以往调控措施的降温方式，从根本上解决冻土地区公路的修筑难题。从图5、图6中可以看出，与已有技术的沿通风管线性降温方式完全不同，本发明对路基下部土体呈整体、均匀、对称式降温，0℃等值线相比已有的复合温控路基更加平滑，且相对于路基更加对称，这将消除路基由于地温场不平整引起的路面不均匀变形，达到冻土路基平整性的标准。

⑷可以应对未来各种不利影响。本发明各项技术指标大幅提升，通过模拟计算，完全可以满足未来青藏高原等冻土地区不断变化的自然环境对工程建设所造成的不利影响，确保路基的长期稳定。

Claims (6)

1.一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，包括铺设在天然地表（5）上的路基填土（1），其特征在于：所述路基填土（1）中交错堆放通风块层（4）；所述通风块层（4）的顶部沿垂直路基走向等间距铺设与外界相通的通风管（3），该通风管（3）的一端或两端安装自动温控风门（6）；所述通风管（3）的上方铺设有保温材料（2）。

2.如权利要求1所述的一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，其特征在于：所述通风管（3）直径为0.3~0.8 m，相邻管轴线间距为1~5倍管径，通风管（3）轴心距离地表高度为0.5~1.5m。

3.如权利要求1所述的一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，其特征在于：所述通风块层（4）的厚度为0.3~1.5m，且两侧通过厚度为0.5m~2.0m的土层封闭于所述路基填土（1）之中。

4.如权利要求1所述的一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，其特征在于：所述通风块层（4）中的通风块是指边长或直径为0.2~0.5m、壁厚为10~30cm且中部具有空心通道的正方体或圆柱体混凝土空心块。

5.如权利要求1所述的一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，其特征在于：所述保温材料（2）的厚度为10~50cm，其埋设高度距所述通风管（3）顶部0.0~1.0 m。

6.如权利要求1所述的一种通风管-通风块降温隔热的复合路基，其特征在于：所述自动温控风门（6）的温度控制范围为-5℃~5℃。