CN112878126A - 伸缩式防冻胀聚热自保护装置及其路基 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种伸缩式防冻胀聚热自保护装置及其路基，涉及季节冻土区工程建设病害防治技术领域。该装置中，太阳能吸热器、聚热管和循环泵通过循环管依次首尾连接，形成循环回路，循环回路中填充有循环工质，聚热管用于插入路基。该太阳能吸热器中，进液接头和出液接头分别安装在壳体的下部和上部、且分别连接在循环管的两端，进液接头、循环软管、伸缩管、出液接头依次连通，太阳能吸热板连接在伸缩管的上方，伸缩管可沿壳体的高度方向伸缩。该装置不仅能够实现路基均衡、平整加热，有效避免季节冻土区路基冻胀、不均匀起伏等工程病害的产生，还能够自动排空太阳能吸热器中的循环工质，避免夏季循环工质达到沸点影响装置的稳定性和密封性。

Description

伸缩式防冻胀聚热自保护装置及其路基

技术领域

本发明涉及季节冻土区工程建设病害防治技术领域，具体而言，涉及一种伸缩式防冻胀聚热自保护装置及其路基。

背景技术

我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5％。季节冻土受季节性的影响，冬季冻结、夏季全部融化。夏天季节冻结层和季节融化层融化时，由于冰层及冰透镜体分布的不均匀，形成土层不均匀沉降是导致各类建筑物变形和破坏的重要原因。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。对于路基而言，路基冻害的形式主要为冻胀、融沉、翻浆冒泥等。

青藏铁路西格段地处青藏高原东北部，铁路线路穿越青海湖北岸滨海平原、冲积平原、冰原台地，平均海拔3220m。年平均降水量376mm，降水分布不均，大部分集中在7-9月，年平均气温-0.6℃，最冷月1月平均气温为-20.6℃。青藏铁路西格段气候寒冷，气温冻结能力强，冻结深度较大，最大冻结深度可达1.8m，属于典型季节冻土区。由此因冻结、融化导致的路基冻胀、融沉等工程病害相对较严重。

近年来由于青藏高原降雨量的不断增加，造成地下水的富集和地下水位的提高，加之气候环境变化的加剧，导致该类地区冻融工程病害的进一步增加，对路基长期稳定性构成重要影响。虽然以往就季节冻土区工程作用下路基病害开展过一下研究，但研究主要针对公路工程或东北、西北等地区高速铁路工况条件下，路基微冻胀工程作用和影响等问题开展研究。而针对青藏铁路西格段高水位、粗填料、强冻融等特殊条件下的冻融工程病害发育特征、分布规律尚缺乏研究。在常规地区所使用的换填基床土、修建减少路基基床含水量的排水设施、无机结合料稳定土保温法、人工盐化路基土、化学注浆、防水帷幕等方法在该类地区应用中由于受到列车正常行驶、不能中断施工等工程条件限制，以及受到土体冻融强烈作用导致的处置部位开裂、路基下部整体封闭极为困难，都导致了这些方法难以满足实际工程需要。由于以往关于该类工程病害整治工程措施的研究较为薄弱，工程问题长期影响路基稳定和运行安全。

发明内容

本发明的目的包括提供一种伸缩式防冻胀聚热自保护装置及其路基，其不仅能够实现路基均衡、平整加热，有效避免季节冻土区路基冻胀、不均匀起伏等工程病害的产生，还能够自动排空太阳能吸热器中的循环工质，避免夏季循环工质达到沸点影响装置的稳定性和密封性。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种伸缩式防冻胀聚热自保护装置，伸缩式防冻胀聚热自保护装置包括太阳能吸热器、循环管、聚热管和循环泵，太阳能吸热器、聚热管和循环泵通过循环管依次首尾连接，形成循环回路，循环回路中填充有循环工质，聚热管用于插入路基；

太阳能吸热器包括壳体、进液接头、循环软管、伸缩管、出液接头和太阳能吸热板，进液接头安装在壳体的下部，出液接头安装在壳体的上部，进液接头和出液接头分别连接在循环管的两端，进液接头、循环软管、伸缩管、出液接头依次连通，太阳能吸热板连接在伸缩管的上方，伸缩管可沿壳体的高度方向伸缩。

这样，装置在工作时段，循环工质在循环泵运转时产生的压力驱动下在循环管循环流动，太阳能吸热器吸收的热量便经过循环工质传递至聚热管，通过聚热管在路基的内部不断放热，加热聚热管周围的土体，使路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的，对应伸缩管，在自身重力和循环工质的重力作用下，伸缩管向下伸长值壳体的底部。

在装置停止工作时段，如在夏季时段，循环泵停止工作，首先，循环工质在重力作用下，通过循环管回流至聚热管的内部，太阳能吸热器中的循环工质开始减少，伸缩管开始向上收缩，随着伸缩管向上移动，伸缩管内的循环工质逐渐完全回流至聚热管内，在夏季避免了白天太阳能吸热器高温条件下循环工质的沸腾、汽化造成整体装置压力急剧升高情况的出现，从而保证了整体装置的密封性、完整性和安全性。

在可选的实施方式中，循环工质填满伸缩管的条件下，伸缩管沿壳体的高度方向伸长至最大长度，伸缩管内循环工质排空的条件下，伸缩管沿壳体的高度方向收缩至最小长度。

在可选的实施方式中，伸缩管收缩至最小长度时，伸缩管的下端位置高于聚热管的出口位置。

这样，在装置停止工作时段，聚热管中的循环工质不会自动流回伸缩管中，避免太阳能吸热器持续吸热。

在可选的实施方式中，伸缩管为S形管道。

在可选的实施方式中，伸缩管包括多个水平段和多个弧形段，水平段和弧形段依次交替连通，水平段平行于壳体的宽度方向，弧形段可沿壳体的高度方向伸缩。

这样，伸缩管的结构形式简单，伸缩的幅度较大，便于伸缩管内的循环工质完全排空。

在可选的实施方式中，太阳能吸热板为矩形结构，每个水平段上连接一个太阳能吸热板，太阳能吸热板可随水平段移动。

这样，伸缩管无论伸缩到多大的长度，每个水平段均能受到太阳能吸热板的加热作用，可以保证太阳能吸热器的吸热效率。

在可选的实施方式中，相邻两个太阳能吸热板平行间隔设置、且太阳能吸热板相对于壳体的高度方向倾斜设置。

这样，在伸缩管收缩的过程中，相邻的太阳能吸热板在相互靠近时会自动重叠，避免相邻太阳能吸热板相互碰撞，也避免相邻太阳能吸热板相互抵触、限制伸缩管收缩的程度。

在可选的实施方式中，太阳能吸热器的重心高度、聚热管的重心高度以及循环泵的重心高度依次降低。

这样，在装置停止工作的时候，太阳能吸热器中的循环工质会在重力的作用下，尽量流出太阳能吸热器，并存储到聚热管中。

第二方面，本发明提供一种伸缩式防冻胀聚热自保护路基，伸缩式防冻胀聚热自保护路基包括路基和前述实施方式任一项的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其中，太阳能吸热器安装在路基的外部，聚热管插入路基的内部。

在可选的实施方式中，伸缩式防冻胀聚热自保护路基还包括保温材料层，保温材料层设置在路基的坡面。

这样，在夜间无太阳辐射条件下，整个装置停止工作，同时路基外侧的保温材料层有效阻止路基内部热量的大量散失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的伸缩式防冻胀聚热自保护路基的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的伸缩式防冻胀聚热自保护装置的结构示意图；

图3为图2中聚热管的结构示意图；

图4为伸缩式防冻胀聚热自保护工作时的状态示意图；

图5为图4中太阳能吸热器的侧视图；

图6为伸缩式防冻胀聚热自保护装置停止工作时的状态示意图；

图7为图6中太阳能吸热器的侧视图。

图标：1-伸缩式防冻胀聚热自保护路基；2-路基；3-保温材料层；4-锚杆；5-伸缩式防冻胀聚热自保护装置；6-太阳能吸热器；7-壳体；8-进液接头；9-循环软管；10-伸缩管；11-水平段；12-弧形段；13-出液接头；14-太阳能吸热板；15-循环管；16-聚热管；17-外管；18-进液管；19-出液管；20-循环泵；21-循环工质。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本发明实施例正是针对路基冻胀中的关键科技问题而提出，从路基冻胀产生的“水、土、温”三个必不可少的要素中的“路基温度”着手，通过设置本发明实施例提供的装置达到控制温度、防控路基冻胀的目的。

请参考图1，本实施例提供了一种伸缩式防冻胀聚热自保护路基1，伸缩式防冻胀聚热自保护路基1包括路基2、保温材料层3和伸缩式防冻胀聚热自保护装置5，其中，伸缩式防冻胀聚热自保护装置5间隔均匀地安装在路基2的阳坡一侧或阴坡一侧。

保温材料层3设置在路基2的坡面，可以覆盖路基2的整个坡面，并通过锚杆4固定。在其它实施例中，还可以通过在保温材料层3的外表面覆盖薄层土层或其它材料，以压实固定保温材料层3。保温材料层3可以选用建筑岩棉保温材料或一体保温板。具体的，路基2的阳坡坡面和阴坡坡面都可以设置保温材料层3，能够阻止路基2内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基2内部热量的留存。

请参阅图1和图2，伸缩式防冻胀聚热自保护装置5包括太阳能吸热器6、循环管15、聚热管16和循环泵20，其中，太阳能吸热器6、聚热管16和循环泵20通过循环管15依次首尾连接，形成循环回路，循环回路中填充有循环工质21，循环工质21为-30℃条件下不冻结的冷冻液、玻璃水或其他液体，且具有良好流动性。循环管15为金属管或耐野外太阳辐射抗老化非金属管。

太阳能吸热器6可以设置在路基2的阳坡侧、靠近坡脚天然地表区域，也可以设置在路基2的阴坡侧、太阳冬季能够照射到的天然地表区域，太阳能吸热器6用于吸入太阳能、并加热循环工质21。

聚热管16用于插入路基2、并将循环工质21的热量传递至路基2的内部，使路基2始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基2内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基2土体冻结、路基2冻胀等工程病害发生的目的。

聚热管16从路基2的半坡与坡脚之间的范围插入路基2中，而且插入方向垂直于路基2的长度方向。聚热管16的长度可以根据现场实际条件确定。在路基2同侧的坡面上，相邻两个聚热管16之间的间距可以是1m～5m。聚热管16与水平面之间的夹角范围为：-30°～30°，本实施例中，优选聚热管16从路基2内部向外的长度方向上扬起的角度为：0°～30°，具体可以为5°～10°，也就是说，如图1所示，聚热管16沿x方向延伸、且沿y方向的上仰角为0°～30°，使聚热管16的高度位于路基2的中下位置，聚热管16横跨路基2宽度的大部分区域。这样，在路基2中安装聚热管16方便，钻孔深度小和数量少，不会改变路基2原有的工程结构，保证了原有路基2的稳定，施工过程对列车正常行驶不构成影响，有效解决满足列车行驶条件下工程施工难题。

太阳能吸热器6的重心高度、聚热管16的重心高度以及循环泵20的重心高度依次降低。这样，在装置停止工作的时候，太阳能吸热器6中的循环工质21会在重力的作用下，尽量流出太阳能吸热器6，并存储到聚热管16或循环泵20中。

请参阅图3，聚热管16包括外管17、进液管18和出液管19，其中，进液管18连通在外管17的外部、且与循环管15的一端连通。出液管19位于外管17的底部，出液管19的一端插入外管17的内部、且开设有与外管17连通的开口，出液管19的另一端伸出外管17、且与循环管15的另一端连通。这样，外管17与出液管19之间形成循环工质21的放热流道、并使循环工质21在此放热流道内散热，不仅散热流道较长，而且传热介质只有外管17的管壁，传热效率高。进液管18及出液管19的设计使得循环工质21能够填满聚热管16，使循环工质21与管壁之间更加充分的进行热交换，进而提高聚热管16对路基的加热效能。

请参阅图4和图5，图4中箭头表示循环工质21的流动方向，太阳能吸热器6包括壳体7、进液接头8、循环软管9、伸缩管10、出液接头13和太阳能吸热板14，进液接头8安装在壳体7的下部，出液接头13安装在壳体7的上部，进液接头8和出液接头13分别连接在循环管15的两端，进液接头8、循环软管9、伸缩管10、出液接头13依次连通，太阳能吸热板14粘接或焊接在伸缩管10的上方。

伸缩管10可沿壳体7的高度方向伸缩，也就是说，伸缩管10可沿图4中y1方向伸缩。壳体7的背板对伸缩管10起到导向作用，或者可以设置单独的限位板，起到对伸缩管10导向的作用。

循环工质21填满伸缩管10的条件下，伸缩管10沿壳体7的高度方向伸长至最大长度，伸缩管10内循环工质21排空的条件下，伸缩管10沿壳体7的高度方向收缩至最小长度。而且，伸缩管10收缩至最小长度时，伸缩管10的下端位置高于聚热管16的出口位置。这样，在装置停止工作时段，聚热管16中的循环工质21不会自动流回伸缩管10中，避免太阳能吸热器6持续吸热。其中，伸缩管10中填满循环工质21的状况下，伸缩管10向上收缩的拉力应小于伸缩管10内循环工质21的重力，保证伸缩管10排空循环工质21的有效性。

具体的，伸缩管10为S形管道。也可以是，伸缩管10包括多个水平段11和多个弧形段12，水平段11和弧形段12依次交替连通，水平段11平行于壳体7的宽度方向，弧形段12可沿壳体7的高度方向伸缩，即水平段11平行于图4中x1方向，弧形段12可沿y1方向伸缩。这样，伸缩管10的结构形式简单，伸缩的幅度较大，便于伸缩管10内的循环工质21完全排空。

本实施例中，伸缩管10可以直接采用具有弹性的材料制成，也可以在壳体7内设置弹簧，弹簧的上端连接在壳体7的上部，弹簧的下端连接到伸缩管10的下端，弹簧保持有将伸缩管10的下端向上拉起的弹力。

太阳能吸热板14为矩形结构，每个水平段11上粘接或焊接一个太阳能吸热板14，太阳能吸热板14可随水平段11移动。这样，伸缩管10无论伸缩到多大的长度，每个水平段11均能受到太阳能吸热板14的加热作用，可以保证太阳能吸热器6的吸热效率。其中，太阳能吸热板14主要由金属或非金属的吸热材料制成，其厚度较薄，具体的厚度可以为1mm～3mm。

相邻两个太阳能吸热板14平行间隔设置、且太阳能吸热板14相对于壳体7的高度方向倾斜设置。这样，请参阅图6和图7，在伸缩管10收缩的过程中，相邻的太阳能吸热板14在相互靠近时会自动重叠，避免相邻太阳能吸热板14相互碰撞，也避免相邻太阳能吸热板14相互抵触、限制伸缩管10收缩的程度。

本实施例提供的伸缩式防冻胀聚热自保护装置5及其路基的工作原理：

请参阅图4和图5，装置在工作时段，循环工质21在循环泵20运转时产生的压力驱动下在循环管15循环流动，太阳能吸热器6吸收的热量便经过循环工质21传递至聚热管16，通过聚热管16在路基的内部不断放热，加热聚热管16周围的土体，使路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的，对应伸缩管10，在自身重力和循环工质21的重力作用下，伸缩管10向下伸长值壳体7的底部。

请参阅图6和图7，在装置停止工作时段，如在夏季时段，循环泵20停止工作，首先，循环工质21在重力作用下，通过循环管15回流至聚热管16的内部，太阳能吸热器6中的循环工质21开始减少，伸缩管10开始向上收缩，随着伸缩管10向上移动，伸缩管10内的循环工质21逐渐完全回流至聚热管16内，在夏季避免了白天太阳能吸热器6高温条件下循环工质21的沸腾、汽化造成整体装置压力急剧升高情况的出现，从而保证了整体装置的密封性、完整性和安全性。

本实施例提供的伸缩式防冻胀聚热自保护装置5及其路基的有益效果包括：

1.太阳能吸热器6吸收的热量便经过循环工质21传递至聚热管16，通过聚热管16在路基的内部不断放热，加热聚热管16周围的土体，使路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的。

2.通过在太阳能吸热器6中设置伸缩管10，在装置停止工作时，伸缩管10能够自动排空循环工质21，从而避免了循环工质21沸腾、汽化导致装置压力增大危及装置的密封性、完整性问题，增强了装置在季节冻土区路基加热中的稳定性，从而更好地进行路基冻胀防控。

3.采用的伸缩管10可选用弹性材质的管道或弹簧即可达到本装置的目的。本装置具有简单实用且稳定性好的特点，但却能够较好的解决装置稳定性的技术和科学难题。

4.对于路基高度有限的场景中，本装置可以充分保证太阳能吸热器6的效率以及装置的长期稳定、安全。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述伸缩式防冻胀聚热自保护装置包括太阳能吸热器(6)、循环管(15)、聚热管(16)和循环泵(20)，所述太阳能吸热器(6)、所述聚热管(16)和所述循环泵(20)通过所述循环管(15)依次首尾连接，形成循环回路，所述循环回路中填充有循环工质(21)，所述聚热管(16)用于插入路基(2)；

所述太阳能吸热器(6)包括壳体(7)、进液接头(8)、循环软管(9)、伸缩管(10)、出液接头(13)和太阳能吸热板(14)，所述进液接头(8)安装在所述壳体(7)的下部，所述出液接头(13)安装在所述壳体(7)的上部，所述进液接头(8)和所述出液接头(13)分别连接在所述循环管(15)的两端，所述进液接头(8)、所述循环软管(9)、所述伸缩管(10)、所述出液接头(13)依次连通，所述太阳能吸热板(14)连接在所述伸缩管(10)的上方，所述伸缩管(10)可沿所述壳体(7)的高度方向伸缩。

2.根据权利要求1所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述循环工质(21)填满所述伸缩管(10)的条件下，所述伸缩管(10)沿所述壳体(7)的高度方向伸长至最大长度，所述伸缩管(10)内所述循环工质(21)排空的条件下，所述伸缩管(10)沿所述壳体(7)的高度方向收缩至最小长度。

3.根据权利要求1所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述伸缩管(10)收缩至最小长度时，所述伸缩管(10)的下端位置高于所述聚热管(16)的出口位置。

4.根据权利要求1所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述伸缩管(10)为S形管道。

5.根据权利要求1所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述伸缩管(10)包括多个水平段(11)和多个弧形段(12)，所述水平段(11)和所述弧形段(12)依次交替连通，所述水平段(11)平行于所述壳体(7)的宽度方向，所述弧形段(12)可沿所述壳体(7)的高度方向伸缩。

6.根据权利要求5所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述太阳能吸热板(14)为矩形结构，每个所述水平段(11)上连接一个所述太阳能吸热板(14)，所述太阳能吸热板(14)可随所述水平段(11)移动。

7.根据权利要求6所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，相邻两个所述太阳能吸热板(14)平行间隔设置、且所述太阳能吸热板(14)相对于所述壳体(7)的高度方向倾斜设置。

8.根据权利要求1所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其特征在于，所述太阳能吸热器(6)的重心高度、所述聚热管(16)的重心高度以及所述循环泵(20)的重心高度依次降低。

9.一种伸缩式防冻胀聚热自保护路基，其特征在于，所述伸缩式防冻胀聚热自保护路基包括路基(2)和权利要求1～8任一项所述的伸缩式防冻胀聚热自保护装置，其中，所述太阳能吸热器(6)安装在所述路基(2)的外部，所述聚热管(16)插入所述路基(2)的内部。

10.根据权利要求9所述的伸缩式防冻胀聚热自保护路基，其特征在于，所述伸缩式防冻胀聚热自保护路基还包括保温材料层(3)，所述保温材料层(3)设置在路基(2)的坡面。

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