CN110241672A - 一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用，应用于多年冻土区公路，特别是宽幅路基公路，该路基结构包括路基（1）、热棒（2）以及水平铺设在路基内部保温材料层（3），热棒的蒸发段从路基的半坡到坡脚范围内插入并以近水平方式向路基内部中心延伸，蒸发段的作用范围主要位于多年冻土上限（5）附近。本发明通过对路基地温场平整调控、中心部位重点调控，实现路基均衡、平整的降温，有效避免路基纵向开裂等工程病害的产生。本发明进一步包括坡面降温措施，加强热棒群的降温效能和降温效果的均衡性和平整性。

Description

一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用

技术领域

本发明涉及多年冻土区工程建设技术领域，尤其涉及一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用。

背景技术

目前，在多年冻土区，大型工程建筑的修筑会对下部多年冻土产生强烈的热扰动，导致多年冻土的快速退化和融化，造成路基的不断融沉和塌陷，对路基稳定性构成严重威胁，而且现代气候环境的持续转暖使得该种问题更加严峻。面对这一问题，通过保护多年冻土工程措施的合理应用，通过不断主动冷却冻土基础，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。

其中，热棒是一种高效导热的工程措施，可以快速降低路基的冻土温度。青藏铁路工程实践证明，通过热棒的大量应用可以较好达到降低冻土路基温度、在一定程度上起到维持路基长期稳定的目的。但是，在实际应用中特别是青藏公路的工程实际中发现（如图1所示），这种工程措施在应用过程中同时会导致路基纵向开裂等大量次生工程病害的产生，并对路基稳定性构成重要影响和威胁，由此严重制约该种措施效能的发挥和广泛应用。

具体地，在现有技术中，热棒主要从路肩部位插入，呈路肩一侧或者两侧间隔一定间距布置，采用直插方式、斜插方式或者直插斜插结合的方式（斜插方式主要利用L型热棒），通过钻孔将热棒插入路基内部和下部一定深度的位置，通过冬季热棒高效导热的作用，不断冷却路基。但是，受热棒快速降温和周围土体传热过程的影响，距离热棒近的部位温度相对降温快、降温幅值大，而距离较远的部位地温相对降低的慢、降幅幅值小，由此导致地温等值线的剧烈变化和起伏，特别是暖季冻融界面的剧烈起伏。由图2所示的青藏公路热棒路基地温分析结果可以看到，在路基两侧垂直插入热棒的条件下，在暖季9月底路基达到最大融化深度的时候，路基地温场的0℃冻融界面以及其它负温等值线剧烈起伏，呈现两侧凸起，中间下陷的“双凸”或“马鞍”形状。由于路基保持冻结状态部位的力学强度大、沉降变形小，而融化部位力学强度弱、沉降变形大，由此导致路基内部的不均匀沉降变形和应力场的剧烈变化，进而导致路基大量纵向开裂的产生。

与此同时，由于路基纵向裂缝以及“双凸”冻融界面的形成，还会导致暖季的降雨随着裂缝的不断下渗到路基的内部。由于冻土是不透水的隔水层，下渗的水分就会向路基的内部、中心部位汇集，形成大量冻结层上水的存在和发育，而该部分水分所携带热量会造成中心部位冻土的进一步融化，进而导致“双凸”形状的加剧。其次，在冬季冻结过程中，由于中心部位水分含量多、含水层厚，在冻结过程所产生的冻胀量就大，进一步产生路基水平方向的差异垂向位移量，加剧路基纵向裂缝的发育。再次，随着年季变化的反复冻结-融化过程，水分的不断侵入，冻胀、融沉的不断加剧而导致路基稳定性的加剧失稳，导致路基的破坏。

因此，可以看到，现有热棒工程措施的作用会导致路基纵向开裂等此生工程病害的产生，并对路基稳定性构成严重威胁，而其中重要的原因在于热棒降温过程和暖季融化过程，地温场和冻融界面的剧烈起伏。特别是在冻土高速公路条件下，由于路基幅面更宽，路面吸热强度更大、路基下部和中心聚热更强，面临的次生病害问题会更加突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用，其通过对路基地温场平整调控、中心部位重点调控，实现路基均衡、平整的降温，有效避免路基纵向开裂等工程病害的产生。

为解决上述问题，本发明所述的一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构包括路基，间隔均布在所述路基一侧或两侧的数根热棒以及水平铺设在所述路基内部保温材料层；所述热棒包括冷凝段和蒸发段，所述蒸发段从所述路基的半坡到坡脚范围内插入并以与垂线呈50°~90°的角度向所述路基内部中心延伸，所述蒸发段的端头位于多年冻土上限附近，使得所述蒸发段的作用范围主要位于所述多年冻土上限附近2~3m；从所述路基两侧插入的蒸发段的端头在路基中心附近相互靠近或者相互超过形成交叉。

优选的，从所述路基两侧插入的蒸发段的端头在相互靠近情况下两端头之间的距离从路基横断面上看不超过所述路基宽度的1/5。

优选的，所述热棒的冷凝段竖直设置，所述蒸发段与所述冷凝段反向延长线之间的夹角为50°~90°。

优选的，所述保温材料层设在所述热棒的蒸发段上部0~2m。

优选的，该路基结构还包括布设在所述路基坡面的坡面降温措施。

优选的，所述坡面降温措施包括碎石护坡、块石护坡、遮阳板或者通风管道。

本发明还提供了一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构的应用，该路基结构为上述任意一项所述的路基结构，该应用指所述路基结构在宽幅路基中实现路基均衡、平整降温过程中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中，（1）热棒的蒸发段以大角度近水平状态向地基中心延伸，在路基宽度方向上形成近水平的线性降温特性，再通过在路基长度方向上间隔排布形成均衡、平整的面性降温特性，大幅增加了热棒在水平方向的作用范围，（2）低位浅埋使得蒸发段作用范围主要位于原天然状态下多年冻土上限附近，降温对象既有多年冻土、也有季节融化层，同时还改变了热棒工作效能、延长了热棒工作时段，（3）保温材料层能够使黑色沥青路面下传热量得到有效阻挡和抑制，（4）热棒与保温材料层的综合作用能够增强路基中心部位的降温作用和过程，由此使得冬季更多的冷能聚集到路基的中心部位，使得路基整体有更多的冷能抵抗暖季地温中心的升温过程，有助于消除和防治以往热棒路基0℃等值线下凹的出现。

综上，本发明路基结构通过对路基地温场平整调控、中心部位重点调控，实现路基冷能的有效聚集和地温的不断降低，使地基温度场0℃等地温等值线、暖季冻融界面趋近水平、平整，进而实现对路基地温场整体、平整的调控，保证路基均衡、平整的降温，有效避免路基（特别是宽幅路基）产生纵向开裂等工程病害，保证路基的长期稳定性。

2、本发明热棒的布设和作用方向主要为近水平方向，再加上水平面方向作用范围的扩大，由此改变以往大量热棒多排排列格局，仅仅通过1排、或2排热棒的布设就可以解决以往青藏铁路4排垂直热棒需要解决的问题，大大减少了热棒的使用数量。

3、本发明中，热棒的低位插入方式还解决了行车司机视觉安全隐患，近水平浅埋设置为保温层设在蒸发段上方、避免刺穿形成路基病害发育条件提供了有力条件。

4、这里需要特别说明的是，本发明突破现有技术中热棒高位插入、深埋的惯性思维束缚，利用蒸发段近水平的热管、采用低位插入且浅埋的设置方式，再加上保温材料层的综合作用，取得了预料不到的技术效果。

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直插式热管路基纵向裂缝照片。

图2为现有技术中青藏公路热棒路基地温等值线图。

图3为本发明实施例提供的路基结构的一种结构示意图。

图4为本发明实施例提供的路基结构的另一种结构示意图。

图5为本发明实施例提供的路基结构中热棒的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的路基温度场数值计算结果图。

图中：1—路基，2—热棒，21—冷凝段，22—蒸发段，3—保温材料层，4—坡面降温措施，5—多年冻土上限；α—热棒中蒸发段与冷凝段反向延长线之间的夹角。

具体实施方式

参考图3、图4，本发明实施例提供一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构，其主要包括路基1、间隔均布在路基1两侧的数根热棒2以及水平铺设在路基1内部保温材料层3；热棒2以垂直于路基1长度方向的方式插入路基1内部，在同侧坡面上，相邻热棒2之间的间距为1~5m。热棒2由冷凝段21和蒸发段22构成，蒸发段22插入路基1内部，冷凝段21裸露在自然环境中。这里需要说明的是，受到阴阳坡影响，有时热棒2只在阳坡一侧的设置即可满足降温需要。

热棒2的蒸发段22从路基1的半坡到坡脚范围内插入，并以与垂线呈50°~90°的角度向路基1内部中心延伸，蒸发段22的端头位于多年冻土上限5附近，使得蒸发段22的作用范围主要位于多年冻土上限5附近2~3m（包括以上2~3m和以下2~3m）；从路基1两侧插入的蒸发段22的端头在路基中心附近相互靠近（参见图3）或者相互超过形成交叉（参见图4）。

在两侧坡面上，当热棒2在路基1内存在交叉情况时，路基1两侧的热棒2错开埋设；当无交叉时即相互靠近的情况，热棒2可在同一横截面内埋设，也可以错开埋设。其中，对于相互靠近的情况，两端头之间的距离从路基横断面上看（即图3的正视视角）不超过路基1宽度的1/5，以保证降温效果的均匀性和整体性，相较而言，优选交叉布设方式，因为这种布设方式能够使得路基中心出现成倍的降温效能。

本发明中，热棒2的蒸发段22以近水平方向插入，在路基内呈现近水平状态，通过热棒2间隔一定距离、并排的大量布设，就会使路基降温过程中地温等值线呈水平状的快速发展。其中，“大角度”中的角度优先指的是蒸发段22插入路基1内部后与垂线之间的夹角，这种情况对于裸露在外的冷凝段21的状态没有严格要求，只要能够满足热棒应有的功能即可；其次才是落实到热棒2具体结构上蒸发段22与冷凝段21反向延长线之间的夹角α，这种情况下，可以像图3图4所示那样，在施工时使冷凝段21呈竖直状态，那么热发段22插入路基1内部后与垂线之间的夹角就是夹角α，相应地，夹角α在50°~90°范围内取值。

关于热棒2工作时段的延长，具体地：现有技术中热棒主要冷却冻土，热棒的端头均深入多年冻土内部3~7m，主要对一定深度的冻土进行冷却，为保证达到较好的冷却效果，热棒蒸发段长度多选择7~9m。热棒的工作条件在于冷凝段温度低于蒸发段温度，即温差条件的出现。本发明中，由于热棒2蒸发段22大角度近水平的结构特征以及低位插入方式，使得蒸发段22的埋设深度较浅，蒸发段22所处位置地温相对较高，由此在春季、秋季、甚至是暖季个别降雪条件下，都会出现环境温度低于蒸发段22位置地温的状况即出现热棒启动和工作的条件，该种条件下，热棒2自然进入工作状态，进行地温的降温作用。其次，蒸发段22全段均布设有工质，路基1靠近坡面的位置受路基吸热影响地温往往较高，在暖季的夜间也会存在这些部位地温高于环境温度的情况，该种情况下热棒2的蒸发段22也会部分进入工作状态，对地温相较环境温度高的部位进行降温。综合两者，相对以往热棒的深入多年冻土内部、只能在冬季时段进行工作和降温的情况，本发明则在很大程度延长了热棒2的工作时间。

关于低位插入方式解决行车司机视觉安全隐患，具体地：为达到冷却效果，热棒冷凝段的高度通常要达到2~3m。现有技术中，热棒从路肩插入，当大范围、长区段采用的时候，公路两侧会形成热棒林立的现象，同时叠加高原空旷的背景，极易导致司机行车过程的视觉疲劳，以及造成的潜在行车安全隐患，在实际应用中已多次出现车辆与热棒工程措施相撞事件的产生。而在本发明中，热棒在路基半坡到坡脚范围内的“低位”位置插入，由于冻土路基都采用高路堤形成通过多年冻土区（由此避免应力、热力集中对冻土产生的扰动），路堤高度多为2~3m，最低也大于1.5m，由此使得本发明热棒的冷凝段的顶端基本低于路面高度或与公路两侧的护栏基本齐平。由此有效解决热棒对行车司机视觉安全的隐患的重要难题。

本发明中，保温材料层3能够对黑色路面吸热和传热过程进行的有效阻挡，有效消除路基吸热对工程措施降温的不利影响，其进一步设在热棒2的蒸发段21上部0~2m；在实际应用中，其宽度较其埋深处路基填土宽度略窄，其高度与热棒2蒸发段22的埋设高度相互协调，可采用XPS保温板等。

现有技术中，L型热棒与保温材料复合的情况下，保温材料在路基施工过程中同步埋设，热棒则在路基施工完成后钻孔布设，在热棒布设过程中热棒会刺穿保温材料，形成水分的下渗通道，同时金属管道的传热作用，会促进暖季保温材料下部冻土的融化，由此导致热棒附近土体的附加冻胀、融沉，形成路基病害发育条件。本发明中热棒2的蒸发段22完全位于保温材料层3的下部，不会对保温材料造成破坏和影响，也就不会产生上述不利影响。

路堤坡面为路基吸热过程另外一个主要来源和通道，会对路基的吸热、内部“马鞍型”0℃冻融界面的起伏起到很大的促进作用。对此，本发明路基结构进一步还包括布设在路基1坡面一侧或两侧的坡面降温措施4，阻挡外界热量和太阳辐射从坡面进入路基1，在实际应用中坡面降温措施4具体可以采用碎石护坡、块石护坡、遮阳板或者通风管道中的一种或者多种组合。

针对上述内容公开的路基结构，施工方法可以参考如下步骤：

（1）在路基1的填筑工程中，填筑至保温材料层3的设计高度时，将路基1的填土碾压密实、平整，然后铺设一层或多层保温材料层3，接着完成路基填筑工序。

（2）在完成路基1的填筑后，在路基1两侧坡面设计位置通过钻孔完成热棒2的插入埋设，然后回填细沙密实、固定。

（3）在路基1阳坡面上设置坡面调控措施4即可。

在实际应用过程中，可根据冻土条件、路堤特性等实际情况，进行热棒2、保温材料层3和坡面调控措施4的多因素的灵活调节和选择，比如调整热棒2的埋设角度和间距、保温材料层3的埋设高度甚至增加一层辅助保温材料层等，以调整路基1地温场降温强度和作用区域，达到最佳地温调控效果。

基于上述内容公开的路基结构，可以看出，面对现有技术中高速公路等宽幅路基幅面更宽，路面吸热强度更大、路基下部和中心聚热更强，面临的次生病害问题会更加突出的问题，本发明大角度低位浅埋均衡冷却路基结构的应用能够有效解决以上问题，实现在宽幅路基上的均衡、平整降温。

为保证冻土路基的稳定性，路基冻土基础的热学特性、稳定性是保证路基力学稳定性前提条件。而衡量工程措施作用下冻土路基热学特性是否能够满足要求主要在于以下三个重要指标。（1）工程措施降温的有效性。在工程措施的作用下，冻土地基温度低于原天然场地的地温状态，或在设计使用年限内冻土地基保持冻结状态，并满足路基冻土强度要求。（2）路基地温场暖季期间分布平整，即暖季路基地温场0℃冻融界面、不同负温的等温线在冻融过程中保持水平、平整分布。（3）路基地温场保持以路基中心基本对称分布，不发生明显偏移，避免由路基阴坡、阳坡坡面接收太阳辐射差异导致的“阴阳坡效应”和路基纵向开裂等问题。

为验证本发明大角度低位浅埋均衡冷却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，对其进行数值计算，并与现有技术的调控效果进行对比分析。

实例：在高度为2.0m的高速公路路基两侧坡面上，将热棒蒸发段按照与垂向夹角80°埋设，坡面插入位置距天然地表高度为0.5m，热棒在路基中心处无交叉，蒸发段端头相距0.5m，XPS保温板埋设在路基内1.0m高度处。在阳坡一侧路基坡面铺设有碎石护坡措施。在该工况下，冻土路基第2年10月1日模拟地温场如图6所示。从图6可以看出，路基内温度场0℃等温线分布平整，各负温等温线分布均匀、对称，产生的低温冻土核（如-1.5℃）范围较大，且埋深较浅。通过比较图2和图6可得，本发明具有显著的进步，取得了预料不到的有益效果，能有效解决冻土工程难题，具体表现如下：

（1）改善了原有路基中心区域温度场温度状态，满足多年冻土区高速公路温度场调控要求。通过对比图2、图6可以看出，本发明实例实施后，路基中心区域、主要持力层的地温得到集中降低，并形成低温冻土核，由-1.0℃降低到-1.3~-1.5℃。

（2）显著改变了原地温场分布形态，使温度场0℃地温等值线及其他等温线分布完全水平、平整，大幅度提高路基稳定性。由图2可以看出，路基内零温线呈马鞍形分布，这将引起路基在横向内产生起伏甚至开裂。本发明实例实施后，完全改变了图2中温度场的分布状况。从图6可以看出，路基温度场分布平整，尤其是0℃等温线分布平整，在路基内整体呈“上凸”分布，由此大幅减少冻融活动层厚度、同时也有利于路基内水分的外排，这将显著提高路基的整体稳定性。

（3）消除“阴阳坡效应”影响，路基温度场基本对称分布，基本消除路基纵向开裂工程病害。重点考虑了多年冻土区“阴阳坡效应”对路基的稳定性影响，从图6可以看出，路基内温度场基本以路基中心呈对称分布，加上路基内温度场0℃~-1.0℃及其他负值等温线分布平整，可完全消除路基纵向开裂的产生的根源。

本实例仅是为了本发明所做的代表性分析，其结论在概念和趋势上（具体数值上会有区别）基本代表本发明保护范围内容。

此外，模拟计算表明，按照本申请结构进行冻土高速公路修筑，冻土路基未来50年的热学稳定性完全可以满足路基力学稳定性所需要求，并可维持路基长期稳定。

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方法及其核心思想。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 (7)

1.一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构，其特征在于，该路基结构包括路基（1），间隔均布在所述路基（1）一侧或两侧的数根热棒（2）以及水平铺设在所述路基（1）内部保温材料层（3）；所述热棒（2）包括冷凝段（21）和蒸发段（22），所述蒸发段（22）从所述路基（1）的半坡到坡脚范围内插入并以与垂线呈50°~90°的角度向所述路基（1）内部中心延伸，所述蒸发段（22）的端头位于多年冻土上限（5）附近，使得所述蒸发段（22）的作用范围主要位于所述多年冻土上限（5）附近2~3m；从所述路基（1）两侧插入的蒸发段（22）的端头在路基中心附近相互靠近或者相互超过形成交叉。

2.如权利要求1所述的路基结构，其特征在于，从所述路基（1）两侧插入的蒸发段（22）的端头在相互靠近情况下两端头之间的距离从路基横断面上看不超过所述路基（1）宽度的1/5。

3.如权利要求1所述的路基结构，其特征在于，所述热棒（2）的冷凝段（21）竖直设置，所述蒸发段（22）与所述冷凝段（21）反向延长线之间的夹角为50°~90°。

4.如权利要求1至3任一项所述的路基结构，其特征在于，所述保温材料层（3）设在所述热棒（2）的蒸发段（21）上部0~2m。

5.如权利要求1所述的路基结构，其特征在于，该路基结构还包括布设在所述路基（1）坡面的坡面降温措施（4）。

6.如权利要求5所述的路基结构，其特征在于，所述坡面降温措施（4）包括碎石护坡、块石护坡、遮阳板或者通风管道。

7.一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构的应用，其特征在于，该路基结构为权利要求1至6任意一项所述的路基结构，该应用指所述路基结构在宽幅路基中实现路基均衡、平整降温过程中的应用。