CN108316082B - 一种冻土路基坡面的降温结构以及降温用的空心层叠结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冻土路基坡面的降温结构以及降温用的空心层叠结构，该降温结构由内部中空且两端开口的长条状水泥布壳层（1）在支撑部件的辅助下立体化成型，然后经浇水、固化成型、拆除支撑部件使其两端通透得到。本发明有效利用了水泥布遇水前具有柔软性质、遇水后快速固结成型的特点，将其按照本发明特定的具体构造预制后与支撑部件配合使用，进而形成冻土路基坡面降温用的空心层叠结构。本发明降温结构方便运输和装卸、运输成本低，施工过程简单、快速、高效，并且对流换热结构发生根本改变，使得施工质量高、换热效能大幅提高，克服了现有路基坡面降温工程措施在实际工程应用中的致命缺陷并降低了降温调控的整体成本。

Description

一种冻土路基坡面的降温结构以及降温用的空心层叠结构

技术领域

本发明涉及冻土工程领域，尤其涉及一种冻土路基坡面的降温结构以及降温用的空心层叠结构。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。因此，我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路、青藏公路等国家重大工程，在以“冷却路基”科学思想的指导下，针对各种调控路基温度场的工程措施开展了系统的科学实践。

目前，为应对太阳辐射对路基坡面的加热作用，为满足冻土路基力学稳定性、热学稳定性的基本要求，同时也为破解“阴阳坡效应”（ “阴阳坡效应”指路堤阳坡吸热量大于阴坡吸热量，由此导致阳坡下部对应的冻土始终处于更加快速的退化或融化过程中，而阴坡则保持相对稳定或缓慢的退化过程）对路基稳定性的威胁，提出的防控措施主要有：遮阳板路基、块石（碎石）护坡路基以及发明人之前提出的空心块护坡路基等。由于第三种空心块护坡路基（在路基坡面顺序、层叠放置一定厚度的预制混凝土空心块）兼具前两者的优点，降温效果好、自身稳定性好和坡面固定性强，其是目前表现最佳的防控措施。

但是，由于坡面调控措施面临最大难点在于特殊环境下的降温效能、自身牢固性、空气通透和流动性、对坡面防冲刷保护性等多种要求的同时满足，以及各种要求之间的相互矛盾，上述水泥空心块护坡措施还是具有以下缺点：（1）由于每个空心块为单独、短小的个体，在排放过程中，得靠人工一块一块排放，先成排再成列最后层层堆叠，这样施工过程环节多、人工施工占比过大，施工效率低下；（2）在排放过程中难以保证每排空心块的整齐、对正，经常会出现中间空心块相互的错位，导致空心块中心气流通道的狭窄或堵塞，施工质量差，对流换热效能低；（3）在运输过程中，该种物品体积很大，但单位体积质量不大，由此造成装卸、运输成本的加大，同时，物品在该过程中容易遭到撞击、破损，在面对较高破损率的前提下，也会进一步增加空心块的使用难度。

正是由于这些难题的存在，路基坡面调控措施的难题始终困扰冻土工程建设的顺利进行和工程长期稳定。因此，面对青藏高原多年冻土区青藏高速公路的建设、青藏铁路后期维护等迫切需要，有针对性开展冻土路基坡面辐射防控新型措施的研发，通过不断技术创新、进步，是解决工程难题的关键途径。而本申请正是针对这种工程实际迫切需要而进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冻土路基坡面的降温结构以及降温用的空心层叠结构，以克服现有路基坡面降温工程措施在实际工程应用中的致命缺陷，为破解“阴阳坡效应”对路基稳定性构成的重要威胁，有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。

为解决上述问题，本发明所述的一种冻土路基坡面的降温结构，该降温结构由内部中空且两端开口的长条状水泥布壳层在支撑部件的辅助下立体化成型，然后经浇水、固化成型、拆除所述支撑部件使其两端通透得到；所述降温结构为单条结构或者多条并排连体结构。

优选的，所述降温结构为多条并排连体结构，浇水前的整个所述水泥布壳层由上下两层水泥布经缝合或粘合得到，相邻两条所述水泥布壳层由缝合处或者粘合处分隔；所述支撑部件在使用时置于所述水泥布壳层内部并由内向外撑起所述水泥布壳层使其立体化成型。

优选的，所述降温结构为多条并排连体结构，浇水前的整个所述水泥布壳层由上下两层水泥布构成，所述支撑部件包括置于两层水泥布之间、用于辅助形成所述内部中空的主支撑件和对称设于两层水泥布外侧、用于辅助分隔相邻两条所述水泥布壳层的副支撑件。

优选的，所述降温结构的多条并排连体结构由缠绕线将多条独立的水泥布壳层缠绕捆绑实现。

优选的，所述支撑部件为充气内胆，相邻两条所述水泥布壳层中的两条所述充气内胆之间为绝对的相互独立或者为由缝合线或者粘合线进行分隔的相互独立。

优选的，所述支撑部件包括充气内胆、形状大小固定的固定扩张模具或者通过机械传动实现收缩和扩张的可调式扩张器具。

优选的，所述可调式扩张器具包括设在中部的固定杆、同轴围设在所述固定杆周围的扩张组件，两者之间通过具有锁死功能的收缩扩张骨架实现连接。

优选的，所述降温结构还包括设在整个降温结构底部的防水膜。

本发明还提供了一种冻土路基坡面降温用的透气空心层叠结构，所述透气空心层叠结构由上述任意一项所述的降温结构经顺坡铺放、多层堆叠形成。

本发明有效利用了水泥布遇水前具有柔软性质、遇水后快速固结成型的特点，将其按照本发明特定的具体构造预制后在施工现场与辅助其立体化成型的支撑部件配合使用，再经浇水、固化成型、拆除支撑部件使其两端通透即可得到本发明降温结构，进而形成冻土路基坡面降温用的空心层叠结构。基于此，本发明与现有技术相比具有以下优点。

1、突出解决冻土工程坡面调控关键难题、降低调控整体成本

（1）方便运输和装卸，运输成本低：由于水泥布壳层在遇水前具有柔软性质，在现场施工前可以使其保持平瘪状（正式开始施工时再利用支撑部件将其撑起），在工厂制作成型后，可以缠绕成卷，可以简单吊装、密实堆放和运输，在有效降低运输成本的前提下，不存在装卸、运输环节的破损问题。

（2）施工过程简单、快速、高效：在施工现场，通过吊具将成卷的降温结构顺坡铺放，先利用支撑部件将其撑起成型，然后浇水，待其短时间的固化、永久成型后即可实现沿坡面方向所需的空心、透气通道的一次成型，然后以此类推完成多层降温结构的堆叠，纵使是采用单条结构，也能够显著缩短施工时间，而且完全解决以往完全靠人工逐块摆放、效率低、施工质量差等诸多问题。

（3）对流换热结构发生根本改变，施工质量高、换热效能大幅提高：本发明降温结构为单条结构或者多条并排连体结构，对应撑起成型、浇水固化后水泥布壳层中的气流通道一次单条成型或者一次多条成型。这样的一次成条成型能够完全保证每条气流通道的平顺、流畅，相较以往在排放过程中要费力保证空心块对齐而结果却经常不尽人意经常出现中间空心块相互的错位导致空心块中心气流通道的狭窄或堵塞，本发明中的气流通道成型方便、快速、质量有保障，并且平顺、流畅的气流通道提高了整个降温结构在工作时的对流换热效能。

2、施工效率的大幅提升，有效减少施工工期

青藏高原等多年冻土区，多为极端恶劣环境条件，有效可利用的施工工期较短，冬季难以施工，这些都是导致这些寒冷地区工程施工工期成倍增加的原因，正是由于上述本申请简单、快速、高效的施工过程，可以充分利用有限的良好施工条件，在极大缩短建设周期的同时，也可以进一步保证施工质量。

3、冻土路基稳定性的大幅提高

通过坡面调控措施问题的解决，路基坡面的有效和积极降温，在极大消除由于冻胀、融沉问题所形成的工程病害的同时，冻土道路工程长期存在的“阴阳坡效应”，以及导致的路基纵向开裂等问题可以得到有效根治。同时，通过与其它工程措施的有效结合和配套使用，完全可以保证冻土路基的长期稳定。

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为本发明实施例提供的一种降温结构在浇水前的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的另一种降温结构在浇水前的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的又一种降温结构在浇水前的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的再一种降温结构的施工流程示意图。

图5为本发明实施例中固定扩张模具的侧视结构示意图。

图6为图4中固定扩张模具的截面图。

图7为本发明实施例中可调式扩张器具的结构示意图。

图8为本发明实施例中降温结构的一种连体结构示意图。

图9为图8中降温结构的顶点对顶点堆叠示意图。

图10为图8中降温结构在冻土路基坡面的堆叠示意图。

图中：1—水泥布壳层，2—充气内胆，3—防水膜，41—缝合线I，42—缝合线II，5—缠绕线，6—冻土路基坡面，7—固定扩张模具， 8—可调式扩张器具，81—固定杆，82—扩张组件，83—滑块，84—支撑杆，9—滚轮，10—主支撑件，11—副支撑件。

具体实施方式

参考图1~10，本发明实施例提供了一种冻土路基坡面的降温结构，其具体由内部中空且两端开口的长条状水泥布壳层1在支撑部件的辅助下立体化成型，然后经浇水、固化成型、拆除支撑部件使其两端通透得到；降温结构为单条结构或者多条并排连体结构。其中涉及到的拆除可以是局部拆除（比如对于后文充气内胆2，拆除两端即可）或者整体移除（比如对于后文固定扩张模具7、可调式扩张器具8以及主支撑件10和副支撑件11，整体移除即可），只要使得水泥布壳层1两端通透即可。

水泥布壳层1由水泥布制成，水泥布（或水泥毯、水泥毡）是一种三维织物与水泥混料充分结合的结构，其在遇水前具有一般织物柔软、可折叠等特性，在浇水和饱水后能够快速固结成型。

水泥布壳层1内部中空的大小与置于其中的支撑部件在支撑状态下的大小相适应；浇水前的水泥布壳层1在支撑部件的支撑辅助下呈长条的圆管状、椭圆管状、多棱柱状或者其它形状（比如上鼓下平、上平下鼓等），相应地，水泥布壳层1在浇水固化成型后的形状呈长条的圆管状、椭圆管状、多棱柱状或者其它形状。在实际应用中，具体形状的选取可根据各种形状所带有的优缺点和现场实际需求而定，为方便叙述，以下以圆管状进行说明。

进一步地，还可以在整个降温结构底部设置防水膜3，其作用为：第一，防止多余水分透过水泥布外泄，由此将水分充分用于水泥壳中水泥混合物的吸水和固化；第二，可以防止过多水分对水泥壳中水泥混合物的冲刷、外泄作用，由此保证水泥壳内部材料的稳定。

这里需要说明的是，单个的降温结构可以为单条结构，也可以为多条并排连体结构，两者的区别在于施工时单条结构需要逐条排放堆叠，而多条并排连体结构能够一次排放多条，但这不影响两者相较以往水泥空心块护坡措施存在的显著优点。同时，为了叙述的方便，下文重在对多条连体的降温结构进行说明，单条结构的实现参考这些内容即可。

具体地，浇水前整个水泥布壳层1可以像图1和图2示出那样由上下两层水泥布经缝合得到，即相邻两条水泥布壳层1由缝合线I41形成的缝合处进行分离和区分；还可以像图3示出那样由缠绕线5将多条原本独立的水泥布壳层1缠绕捆绑得到。在实际操作过程中，本文中的缝合操作还可以是粘合、压合等常见的连接固定方式。

对于上述缝合、缠绕两种结构，支撑部件在使用时置于水泥布壳层1内部并由内向外撑起水泥布壳层1使其立体化成型。这样的支撑部件可以为充气内胆2，也可以为形状大小固定的固定扩张模具7，还可以为通过机械传动实现收缩和扩张的可调式扩张器具8。

为了运输和装卸的方便，使以上各支撑部件在施工现场才真正发挥其支撑作用，因此，可以理解的是，上述后两种支撑部件在制作、运输、装卸时是独立分开的、现场施工时从水泥布壳层1一端穿入后使用；至于充气内胆2，可以像后两种支撑部件一样先是独立分开而后穿入使用，但由于充气内胆2的材料为编织、塑料或者橡胶等材质非刚性的不透气材料，可以在出厂时就将其设在水泥布壳层1内部、现场施工时对其充气使其发挥支撑作用（具体参见下文），相较后两种支撑部件与水泥布壳层1独立分开携带的方式，这种方式在运输、装卸和施工过程中更为方便、简便。

对于支撑部件为充气内胆2的情况，相邻两条水泥布壳层1中的两条充气内胆2相互独立并分别完成对各自对水泥布壳层1的支撑辅助作用，而这种相互独立可以是像图1那样绝对的相互独立，也可以是像图2那样上下两块由缝合线II42将其分隔和密封。

为了便于充气和保证水泥布壳层1的完整性，将其充气口设在两头的端部，比如一端封闭、另一端为进气端；进一步地，为了使降温结构的长度与施工现场长度需求相适应，可以使充气内胆2的封闭端和进气端在裁剪调整合适后确定和形成，比如，封闭端通过将充气内胆2端部材料旋转捆扎实现，进气端通过将充气内胆2端部材料缩成小口实现，也可以在生产时就按照现场需求长度进行生产制造同时确定并形成充气内胆2的封闭端和进气端。

特别的，参考图8，对于降温结构为多条并排连体结构且水泥布壳层1在充气内胆2的支撑下呈圆管状的情况，本发明进一步具有以下优点：一方面，以往空心块护坡结构，由于每个空心块为单独的个体，在进行沿坡面顺序、多层堆放过程中，上层空心块只能放置于下层两排空心块之间的凹槽中，在排与排、上下层之间的空间很小，空气只能通过空心块内部的气流通道流通。在本发明中，这样的连体结构可以使得上层与下层之间进行圆管顶点对顶点的排放，由此使得排与排、上下层之间形成空间变得很大，增加了单位截面气流通道，进一步提高了该层的对流换热效能。

另一方面，由于本发明中上层与下层圆管可以顶点对顶点排放方式，在堆放层数相同的条件下，与以往空心块护坡措施相比，层叠堆放的高度可以提高约30%~50%。也就是说，为形成同一目标高度的空心层叠结构，本发明降温结构可以使用较少层数，由此减少工程造价和成本。

这里需要说明的是，图1~图3重在表达实现方式而不是制作好的产品结构，并且上述多条并排连体水泥布壳层1的实现方式仅仅是举例说明，基于本申请核心思想进行的任何变形均在本申请保护范围内。

基于上述实施例公开的降温结构，对于其多条并排连体结构，除了上述实施例公开的浇水前缝合、缠绕两种结构，本发明另一实施例中，参考图4，浇水前的整个水泥布壳层1由上下两层水泥布构成，相应的，支撑部件包括主支撑件10和副支撑件11。在实际应用中，主支撑件10和副支撑件11可以采用制作成型的轴轮，轴轮的滚动方便移动。

施工时，将主支撑件10置于两层水泥布之间，将两个副支撑件11对称设于两层水泥布外侧，主支撑件10位于同侧两个副支撑件11连线的中轴线上，以此类推完成支撑部件对水泥布壳层1立体化成型的步骤，然后浇水、固化，主支撑件10位置处形成水泥布壳层1的内部中空，上下两个副支撑件11压合处的上下两层水泥布贴合在一起或者间隔一小段距离，形成相邻两条水泥布壳层1的分隔或者区分区域。

另外，在多层降温结构堆叠形成空心层叠结构的过程中，毫无疑问，可以理解成“多个单层的降温结构形成空心层叠结构”，这里单层的降温结构为一个小整体存在。不过，对于本实施例中水泥布壳层1由上下两层水泥布构成的情况，还可以理解成“多个单层的降温单元形成空心层叠结构”，其中，降温单元由片状水泥布经支撑部件辅助立体化成型、浇水、固化成型得到，每层降温单元呈高低起伏状，下层降温单元的顶峰与上层降温单元的谷底之间相互支撑，下层降温单元的谷底与上层降温单元的顶峰之间形成长条形通风通道。当然，为保证整个空心层叠结构的稳定性，水泥布固化成型得到降温单元后，可以将下层降温单元的顶峰与上层降温单元的谷底之间通过锚固、粘接或者其它方式固定连接，或者也可以将多层降温单元捆绑固定。

基于上述实施例公开的冻土路基坡面的降温结构，本发明再一实施例中，对上述固定扩张模具7和可调式扩张器具8的具体结构进行进一步阐述。

参考图5和图6，固定扩张模具7形状大小固定，其外壁上设有数个滚轮9并且其穿入水泥布壳层1的一端呈楔形，这样的设置均是为了便于固定扩张模具7顺畅穿入水泥布壳层1。可以理解的是，滚轮9不宜过多突出外壁，否则会影响水泥布壳层1固化成型后的形状。

参考图7，可调式扩张器具8具体包括设在中部的固定杆81、同轴围设在固定杆81周围的扩张组件82，两者之间通过具有锁死功能的收缩扩张骨架实现连接；收缩扩张骨架的实现方式可以参考现有技术中雨伞骨架，使用时，通过可调式扩张器具内部传动部件带动滑块83的移动，滑块83的移动带动支撑杆84的扩张或收缩，进而带动扩张组件82向外扩张或者向内收缩，当扩张组件82向外扩张到合适位置时，利用位置固定部件将扩张组件82固定在当前状态即可。

其中，扩张组件82可以为数根均布的扩张杆，主要用于形成多棱柱状的水泥布壳层1，也可以为整体呈圆管状或者椭圆管状的环状结构，主要用于形成圆管状或者椭圆管状的水泥布壳层1。

基于上述各实施例公开的冻土路基坡面的降温结构，本申请实施例还提供了一种冻土路基坡面降温用的空心层叠结构，其由上述任意一项的降温结构经顺坡铺放、多层堆叠形成。

为便于本领域技术人员理解本申请方案，综合上述内容，以下针对实际应用中的制作、运输、施工等流程进行举例说明，以支撑部件为充气内胆2为例，可以理解的是，其中涉及材料、结构仅是举例并不是严格限定。

（1）在两层水泥布之间放置两层不透气的薄膜，通过机器将薄膜缝制于水泥布中，制作好后将其缠绕成卷存放、运输至施工现场。（2）参考图10，在施工现场，通过吊具将成卷的降温结构顺坡铺放，这过程中可以根据现场坡面实际需要的使用长度对降温结构的长度进行剪裁。（3）在坡面坡脚处，将充气内胆2的下端封闭，在路肩处将充气内胆2的上端与空气压缩机相接，并对充气内胆2进行充气和打压；在气压作用下充气内胆2快速膨胀进而撑起水泥布壳层1使其快速膨胀成型。（4）对已经膨胀成型的水泥布壳层1的表面喷洒适量的水分，待其短时间内固化、永久成型后，打开充气内胆2的上、下端口，恢复其透气性能。

由此循环，逐步完成整个冻土路基坡面6一层或多层的施工，由此形成遮阳、通风、降温的空心层叠结构。在施工过程中，可以根据需要，上层与下层可以错位堆叠，也可以像图9那样正位（上层圆管顶端正对下层圆管顶端）堆叠，具体怎么选择可根据实际情况而定。当然，可以理解的是，这两种堆叠方式如何选择并不会影响整个空心层叠结构相较以往水泥空心块护坡措施存在的显著优点。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种冻土路基坡面的降温结构，其特征在于，该降温结构由内部中空且两端开口的长条状水泥布壳层（1）在支撑部件的辅助下立体化成型，然后经浇水、固化成型、拆除所述支撑部件使其两端通透得到；所述降温结构为多条并排连体结构，浇水前的整个所述水泥布壳层（1）由上下两层水泥布经缝合或粘合得到，相邻两条所述水泥布壳层（1）由缝合处或者粘合处分隔；所述支撑部件在使用时置于所述水泥布壳层（1）内部并由内向外撑起所述水泥布壳层（1）使其立体化成型。

2.如权利要求1所述的降温结构，其特征在于，所述支撑部件包括置于两层水泥布之间、用于辅助形成所述内部中空的主支撑件（10）和对称设于两层水泥布外侧、用于辅助分隔相邻两条所述水泥布壳层（1）的副支撑件（11）。

3.如权利要求1所述的降温结构，其特征在于，所述降温结构的多条并排连体结构由缠绕线（5）将多条独立的水泥布壳层（1）缠绕捆绑实现。

4.如权利要求1所述的降温结构，其特征在于，所述支撑部件为充气内胆（2），相邻两条所述水泥布壳层（1）中的两条所述充气内胆（2）之间为绝对的相互独立或者为由缝合线或者粘合线进行分隔的相互独立。

5.如权利要求1所述的降温结构，所述支撑部件包括充气内胆（2）、形状大小固定的固定扩张模具（7）或者通过机械传动实现收缩和扩张的可调式扩张器具（8）。

6.如权利要求5所述的降温结构，其特征在于，所述可调式扩张器具（8）包括设在中部的固定杆（81）、同轴围设在所述固定杆（81）周围的扩张组件（82），两者之间通过具有锁死功能的收缩扩张骨架实现连接。

7.如权利要求1至6任意一项所述的降温结构，其特征在于，所述降温结构还包括设在整个降温结构底部的防水膜（3）。

8.一种冻土路基坡面降温用的透气空心层叠结构，其特征在于，所述透气空心层叠结构由权利要求1至7任意一项所述的降温结构经顺坡铺放、多层堆叠形成。