CN108589456B - 一种直插斜插交替式热管路基结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直插斜插交替式热管路基结构及其施工方法，应用于多年冻土区公路、特别是宽幅路基地温调控，该结构包括道路路基（3）、设在该路基（3）两侧路肩上的热管以及设在路基（3）内部、水平方向铺设的保温隔热板（5）；同侧路肩上的热管由斜插式热管（1）和直插式热管（2）交替、均匀分布形成。本发明中热管直插‑斜插交替设置有效排出路基路肩下和路基中心区域的热量，并配合路基内保温隔热板增强路基的冷能利用率，通过调控路基内传热过程，针对性的增加路基在冬季期间冷量的积聚，由此达到整体降低路基内地温场、有效防控路基产生次生病害的目的。本发明能有效解决冻土区高速公路修筑难题，且路基结构简单，便于广泛应用和施工。

Description

一种直插斜插交替式热管路基结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及多年冻土地区公路、高速公路建设中，冻土路基地温调控技术领域，尤其涉及一种直插斜插交替式热管路基结构及其施工方法。

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。

通过采用保护多年冻土的工程措施，是解决冻土工程问题、维持冻土工程稳定性、保护脆弱寒区冻土生态环境的有效途径。在建设青藏铁路的时间中，科研工作者创新性地提出采用“主动冷却”路基原则进行修筑，减少地基吸热、增加地基土体的冷储量，达到降低冻土路基温度、维持路基长期稳定的目的。经过系统研究，从热传导、热对流、热辐射三方面提出调控措施，例如块石路基、通风管路基、热管、遮阳棚等工程措施，并成功应用于青藏铁路、青藏公路建设中。

其中，热管是一种汽、液两相对流循环的导热系统，它是一根密封真空的钢管，里面充填了极易挥发的液态和气态工作介质（如氮、氟里昂、丙烷、CO2等），上端为安装有散热片的散热段，下端为吸热段。应用时，将热管的吸热段插入需要降温的冻土。当环境温度即散热段的温度低于地下吸热段温度的时候，热管开始工作处于导热状态，将地基土中的热量不断散发出去而使土体冷却。

目前，热管在公路冻土路基工程应用中，主要采用直插式或者斜插式某一种单一的设置方式，尽管研究结果表明热管的运用确实在冻土路基中产生了降温作用，但路基内的降温效果呈现出较强烈的局部性，并可能引起了路基纵向开裂等工程病害。

图1所示为青藏公路清水河路段直插式热管路基出现的路基纵向开裂情况，在路基阳坡坡面和阳坡路肩附近的路面上出现了纵向裂缝。对两侧路肩处均直插了热管的路基地温场模拟计算，结果如图2所示，尽管路基内0℃等温线相比原天然场均有所上升，但温度场仅在两侧路肩下区域（B和C区）相比天然场地有所降低，但在路基中心（A）和两侧坡脚下仍然呈升温状态，最终将导致在路基横截面产生差异性变形，并造成路基内部应力集中、位移错动，诱发路基产生开裂。直插热管路基仅对两侧路肩下土体具有针对性的降温作用，但在路基中心区域表现出的降温效果并不明显。

这是因为，在传热方面，铁路主要通过填土路堤坡面吸热，且路基内热量主要集中在路堤底面的外侧区域，易于向外散热。但是对于公路，由于黑色沥青路面的强烈吸热作用，而且沥青路面具有隔水作用，将阻止水分蒸发散热，使得在相同条件下公路路基的整体吸热强度是铁路的3倍多，且路基内的热流主要集中在路堤底面中心区域，难以向周围冻土散热。尤其对于路基宽度比普通公路宽很多的高速公路等宽幅路基，当路基宽度增加约1倍时，路堤底面的吸热量将增加约0.6倍，并产生显著的“聚热效应”，导致下部多年冻土以更快的速度退化。因此，在多年冻土区修筑高速公路将面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。

由此可知，针对高速公路等具有宽幅路基的公路而言，热管单独按照单一方式设置时，在路基内均表现出局部性的降温作用，并产生较显著的差异性变形，最终导致路基纵向开裂的产生。本发明主要针对上述重要冻土工程问题而提出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于多年冻土区公路，特别是宽幅路基地温调控的工程措施，通过调控冻土环境条件下路基内传热过程，针对性的增加路基在冬季期间冷量的积聚，由此达到整体降低路基内地温场、有效防控路基产生次生病害的目的。

为解决上述问题，本发明所述的一种直插斜插交替式热管路基结构，该路基结构包括道路路基、设在该路基两侧路肩上的数根热管以及设在路基内部、水平方向铺设的保温隔热板；同侧路肩上的热管由斜插式热管和直插式热管交替、均匀分布形成。

优选的，所述保温隔热板距所述路基的原天然地表0.5~2 m。

优选的，所述保温隔热板为XPS保温板。

优选的，所述路基两侧路肩上相对的热管为不同类型的热管。

优选的，同侧路基路肩上相邻热管之间的间距为1~5m。

优选的，所述斜插式热管埋设在路基内的斜插部分与路基顶面呈30°~60°。

优选的，该路基结构还包括沿所述路基坡面设置的坡面温度调控机构。

相应的，本发明还提供了一种直插斜插交替式热管路基结构的施工方法，包括：

（1）在路基填筑过程中，在路基填筑至设计高度一半位置的时候，将路基平整和压实，然后全部铺设一层或多层保温隔热板，接着完成后续路基修筑工序；

（2）在完成路基全部修筑过程后，在路基的路肩部位，按照预设间距通过钻孔完成直插式热管的插入，通过回填细沙完成固定和埋设；

（3）在直插式热管之间的中心位置，按照预设角度斜向钻孔，然后插入斜插式热管至热管弯折位置，最后通过回填细沙完成固定和埋设。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、有效满足多年冻土区高速公路路基地温调控的要求

首先，热管不同设置方式的共同效果，能针对性地排出路基中心区域和路基路肩下的热量，不仅能消除宽幅路基条件下由“聚热效应”引起的路基中心区域热量聚集的现象，而且能消除路基内地温变化受阴阳坡温度差异的影响，从而使得路基内不同区域内土体均呈降温过程。

其次，路基内保温隔热板的设置，不仅能有效阻止外界热量进一步进入下部冻土地基，而且能有效阻止路基内冷能向外散发，显著提高路基对冷能的持有能力和利用率。

综合上述结构和功效，路基内0℃等温线上升范围能够扩大到整个路基范围，且路基下各处地温相比初始天然场地均有所下降，这将从根本上解决冻土区路基尤其是宽幅路基普遍表现出的沉降变形问题。可见，本发明能够满足多年冻土区高速公路条件下，路基整体、均匀、平整降温的特殊技术要求。

、有效防治路基次生工程病害的产生

在本发明路基结构调控作用下，路基内0℃等值线和不同负温等值线、地温场分布状况形态特性和路基稳定性得到显著改善。

在形态特性方面：（1）由以往不同负温地温等值线的剧烈起伏，改变为现在的平缓变化过程；（2）由以往路基下路肩两侧对应的两个最低地温区域，改变为现在的路基中心一个最低地温区域。

在路基稳定性方面：由于冻土强度与温度直接相关，也就将以往措施的路基两侧强度相对最大、中心相对薄弱，应力场复杂多变，改变为路基中心区域相对较大、应力场相对均衡。

由此，不仅下部冻土地基强度得到加强，而且路基不同位置处变形差异性得到大幅度削弱，有效维持路基稳定，防止路基纵向开裂等次生工程病害的产生。

、有效维持路基长期稳定性

本发明路基结构防治路基开裂等工程病害的产生，减少了外界降水渗入路基的裂缝通道，有效防止路基土体力学性质受含水量及冻融过程的影响，从而维持路基长期稳定性。

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为现有技术中青藏公路清水河路段直插式热管路基纵向裂缝示意图。

图2为现有技术中直插式热管结构第2年10月1日路基温度场数值计算结果图。

图3为本发明实施例提供的立体结构示意图。

图4为图3的侧视图。

图5为本发明实施例提供的本发明结构实施后第2年10月1日路基温度场数值计算结果图。

图中：1—斜插式热管，2—直插式热管，3—路基，4—坡面温度调控机构，5—保温隔热板。

具体实施方式

参考图3~4，本发明实施例提供了一种直插斜插交替式热管路基结构，其具体包括道路路基3、设在该路基3两侧路肩上的数根热管以及设在路基3内部、水平方向铺设的保温隔热板5。

同侧路肩上的热管由斜插式热管1和直插式热管2交替、均匀分布形成。同侧路基3路肩上相邻热管之间的间距为1~5m。路基3两侧路肩上相对的热管优选为不同类型的热管。

可以理解的是，直插式热管2埋设在路基3内的直插部分垂直于路基3顶面，而对于斜插式热管1，其埋设在路基3内的斜插部分与路基3顶面之间角度优选为30°~60°。在实际应用中，通过调整热管的埋设角度、相邻热管间距控制温度调控作用区间。

热管是一种冬季进行高效传热的工程措施，通过热管的作用可以将冬季的环境的冷能不断传导至地下，不断降低路基的冻土温度。本发明提出的交叉设置的复合热管群，能够对路基下部大部分区域进行总体降温、均匀降温，在最大程度维持路基的整体稳定、防止地温场不均分布可能导致的路基纵向开裂。

保温隔热板5设在路基3内部的中部，根据路基3常见高度，使保温隔热板5距路基3的原天然地表0.5~2 m也差不多在路基3中部了。保温隔热板5的设置能够有效阻止道路黑色路面吸热和向下传递热量的不利影响。在进一步增强热棒降温效果的同时，对地温场的对称性、均匀性也起到很好促进作用。

在实际应用中可以采用XPS保温板作为保温隔热板5。其中，XPS保温板又称XPS 空调保温板，即挤塑式聚苯乙烯隔热保温板，它是以聚苯乙烯树脂为原料加上其他的原辅料与聚合物，通过加热混合同时注入催化剂，然后挤塑压出成型而制造的硬质泡沫塑料板。它的学名为绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（简称XPS)，XPS具有完美的闭孔蜂窝结构，这种结构让XPS板有极低的吸水性（几乎不吸水）、低热导系数、高抗压性、抗老化性（正常使用几乎无老化分解现象）。

此外，在实际的冻土“主动冷却”保护过程中，可以在本发明直插斜插交替式热管路基结构的热传导调控的基础上，辅以现有坡面温度调控机构4的热对流调控。两者的复合应用能够进一步增加路基在冬季期间的热量散发，从而达到更为均匀、有效的路基降温效果。

其中，坡面温度调控机构4沿路基3阳坡坡面或者两侧坡面上铺设，能够阻挡和避免太阳辐射对坡面的加热作用。其可以是热传导调控、热对流调控、热辐射调控措施，包括不限于保温板、块石层护坡、遮阳板等。

基于上述实施例公开的热管路基结构，本发明实施例还相应提供了一种施工方法，具体包括如下步骤：

（1）在路基填筑过程中，在路基填筑至设计高度一半位置的时候，将路基平整和压实，然后全部铺设一层或多层保温隔热板，接着完成后续路基修筑工序。

（2）在完成路基全部修筑过程后，在路基的路肩部位，按照预设间距通过钻孔完成直插式热管的插入，通过回填细沙完成固定和埋设。

（3）在直插式热管之间的中心位置，按照预设角度斜向钻孔，然后插入斜插式热管至热管弯折位置，最后通过回填细沙完成固定和埋设。

为验证本发明直插斜插交替式热管路基结构的调控效能，结合青藏高速公路试验工程现场情况，提供以下实例并对对其进行了数值计算，并与现有技术的调控效能特性进行对比。

实例：在厚度为3.0 m的高速公路路基两侧路肩上，均将热管按照斜插式、直插式交替设置。在同一侧路肩上，相邻热管的间距设置为1.5 m。在路基内距原天然地表高度为1.5 m处铺设XPS保温板。

由于冻土强度与其温度变化过程密切相关，温度越低、强度越大，因此，多年冻土区路基地温调控不仅要求路基地温的降低，而且要求路基地温场的均匀性和平整性。由图2和图5结果对比可以看出，本发明具有突出的先进性，能有效解决冻土工程难题。具体表现在以下方面：

（1）改善了原有路基温度场状况，满足多年冻土区高速公路温度场调控要求。通过图2、图5对比可以看到，本发明上述实例实施后，路基中心部位（图5中所示A区-5m深度位置）地温较以往措施的地温得到进一步降低，具体为中心区的温度由-1℃降低到-1.3℃。

（2）突出改变原有地温场状况，使得路基稳定性得到大幅提高。由图2可以看到原有工程措施实施后，中心区域（图中A区）在一定深度范围内冻土温度相对较高，而该区域为路基荷载主要受力范围，由此会导致路基中心区域下沉较大和路基开裂。同时，0℃等值线在图2中呈现马鞍状起伏，导致路基冻结区域剧烈起伏变化，以及由此产生路基应力场的局部集中和路基变形的剧烈变化，并路基稳定性构成重要影响。而这些情况在本发明上述实例实施后，以往不利情况得到完全改变，路基稳定性得到大幅增强，如图5所示。

（3）基本消除路基纵向开裂工程病害产生原因。热管实施后产生的重要次生工程病害为路基的纵向开裂，其根本原因在于0℃等值线、地温场等值线的非平整性、剧烈的起伏震荡。同时，在路基中心区域，由于0℃等值线的下凹和冻土层的隔水，导致该区域的聚水。因此在路基年季变化过程中，路基会发生剧烈的冻胀和融沉，同时导致路基纵向开裂的大量产生。本发明上述实例则基本消除了该种作用和影响。

这里需要特别说明的是，上述实例计算分析仅是为便于本领域技术人员从实例上去理解本发明的方案内容，其结论在概念和趋势（具体数值上肯定是会有区别的）上能够代表本发明保护范围内任意实例，这一点从本文中从结构到功能、功能到有益效果的推到性分析是能看出的。

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 (4)

1.一种直插斜插交替式热管路基结构的施工方法，其特征在于，该路基结构包括道路路基（3）、设在该路基（3）两侧路肩上的数根热管以及设在路基（3）内部、水平方向铺设的保温隔热板（5）；同侧路肩上的热管由斜插式热管（1）和直插式热管（2）交替、均匀分布形成；所述保温隔热板（5）距所述路基（3）的原天然地表0.5~2 m；同侧路基（3）路肩上相邻热管之间的间距为1~5m；所述斜插式热管（1）埋设在路基（3）内的斜插部分与路基（3）顶面呈30°~60°；该直插斜插交替式热管路基结构的施工方法，包括：

（1）在路基填筑过程中，在路基填筑至设计高度一半位置的时候，将路基平整和压实，然后全部铺设一层或多层保温隔热板，接着完成后续路基修筑工序；

（2）在完成路基全部修筑过程后，在路基的路肩部位，按照预设间距通过钻孔完成直插式热管的插入，通过回填细沙完成固定和埋设；

（3）在直插式热管之间的中心位置，按照预设角度斜向钻孔，然后插入斜插式热管至热管弯折位置，最后通过回填细沙完成固定和埋设。

2.如权利要求1所述的路基结构的施工方法，其特征在于，所述保温隔热板（5）为XPS保温板。

3.如权利要求1所述的路基结构的施工方法，其特征在于，所述路基（3）两侧路肩上相对的热管为不同类型的热管。

4.如权利要求1所述的路基结构的施工方法，其特征在于，该路基结构还包括沿所述路基（3）坡面设置的坡面温度调控机构（4）。