CN113026462B - 一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构，该控温结构包括卵石层、硅藻土层、内隔水层、底面层、外隔水层和泄水管。所述底面层设在冻土区路基上，该底面层上设有所述内隔水层和所述外隔水层；所述内隔水层与所述冻土区路基的边坡土体相接触；所述内隔水层、所述底面层、所述外隔水层连接而成的空间内填充有所述硅藻土层，该硅藻土层的顶面设有所述卵石层；所述泄水管的一部分穿过所述外隔水层倾斜插入所述硅藻土层的底部，另一部分置于大气环境中。本发明具有大型机械施工的可操作性和耐久性的特点。

Description

一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构

技术领域

本发明涉及冻土工程领域，尤其涉及一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构。

背景技术

冻土是一种温度等于或低于零度并且含有冰的土体。世界上冻土分布面积广泛，占陆地总面积的 50%左右。其中我国多年冻土面积约占国土面积的22.4%，主要分布于东北北部、西部高山区和青藏高原地区。施作于多年冻土区的路基等工程建构筑物改变了建构筑物下伏多年冻土与大气及建构筑物周围土体间的热交换条件，使路基等工程建构筑物周围多年冻土逐年融化下沉，严重影响路基等工程建构筑物的安全使用；另一方面，随着全球气候升温，原先在多年冻土区稳定使用的路基等建构筑物面临着气候变化引起的工程病害，亟需提出有效工程措施对其进行治理。

冻土路基工程病害治理的主要思路是对路基下伏多年冻土进行保护，包括主动降温措施和被动控温措施；经过大量的工程实践发现，使用主动降温措施的工程效果普遍优于被动控温措施。使用主动降温措施的路基有：热管路基、通风管路基、块石路基、块碎石护坡路基，其中块碎石护坡路基作为已有冻土路基工程病害治理中广泛使用的工程措施。除此以外， CN 109695188 A和CN 110510899 A 也是两种新型的工程措施。

但目前常用路基控温措施存在的问题主要有：（1）热管路基在路基两侧以点状形式施作热管，单只热管仅对其周围一定范围内的土体进行降温，因此，施作热管的路基在沥青路面表面多出现贯通的纵向裂缝，且易出现波浪路面，严重降低了路面的平顺性。（2）通风管路基在路基体中施作通风管，通风管直径往往较大，通风管层及其顶层土体只能人力填筑，且通风管上部土体不太厚的情况下也无法使用大型机械压实，由此导致通风管层土体工程质量不可控，在后期使用过程中，往往出现路面不均匀沉降、路面大规模裂缝等工程病害，且通风管易出现位错、堵塞、断裂等问题，最终导致通风管失效，冻土路基工程病害进一步加剧。（3）块石路基对机械化施工的制约较小，但青藏高原高辐射和昼夜温差大的特殊气候环境使得岩石的风化作用甚为强烈，铺设于路基中的块石在经历几个冬季后均出现不同程度的风化破碎现象，形成的岩石碎屑对路基块石层中的孔隙产生了堵塞，严重影响块石层的有效工作，且风化的块石层导致了路基的不均匀沉降。（4）同样的，块碎石护坡也同样面临着岩石风化导致该工程措施失效的情况。（5）专利CN 109695188 A中提出的水格栅仅能在新建路基工程中使用，无法在已有路基工程病害治理工程中使用；同时，存在储水格栅的硬质保温板在施工过程中无法使用大型机械对路基土体进行压实，为路基施工完成后的路基不均匀沉降留下巨大隐患。（6）专利CN 110510899 A中提出的路基土材料制备工艺复杂，尤其需对硅藻土等多孔性材料加热至90～120℃烘干，随后将硅藻土等多孔性材料置于相变剂中搅拌混合3～4h，最后放置在滤纸上于40～50℃干燥，在环境恶劣的青藏高原等多年冻土区，对工程使用量级别的硅藻土进行上述处理在工程施工中完全不具备可行性；且施作于路基本体中的多孔性土材料虽已吸附特定相变剂，随着工程使用年限得增加，相变剂极容易被水替换，从而导致路基在冷季发生冻胀，在暖季发生融沉，严重影响路基稳定性，产生更大的工程病害。而对于多年冻土区边坡，往往采用增大开挖量以减小坡度、施作支护结构等工程措施，对于因工程建设材料采挖引起坡面下冻土退化并导致冻土坡面滑塌的情形，只能在别处采挖土石料进行补填，这些工程措施均没有从根本上解决坡面下冻土退化导致的边坡失稳、溜坍、滑塌问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有大型机械施工的可操作性和耐久性的适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构。

为解决上述问题，本发明所述的一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构，其特征在于：该控温结构包括卵石层、硅藻土层、内隔水层、底面层、外隔水层和泄水管；所述底面层设在冻土区路基上，该底面层上设有所述内隔水层和所述外隔水层；所述内隔水层与所述冻土区路基的边坡土体相接触；所述内隔水层、所述底面层、所述外隔水层连接而成的空间内填充有所述硅藻土层，该硅藻土层的顶面设有所述卵石层；所述泄水管的一部分穿过所述外隔水层倾斜插入所述硅藻土层的底部，另一部分置于大气环境中。

所述泄水管由置于所述硅藻土层中的渗水段、置于所述外隔水层中的无孔段以及置于所述大气环境中的截留段和延伸段构成；所述渗水段的一端封闭，另一端与所述无孔段相通；所述渗水段上均布有数个渗水孔，其外表面包裹有反滤层；所述截留段为U形管，一端与所述无孔段相通，另一端与所述延伸段相通；所述延伸段的末端呈开口状，且置于排水沟上方。

所述泄水管倾斜插入所述硅藻土层的角度满足所述硅藻土层中多余水分在重力作用下自流。

所述内隔水层、所述底面层、所述外隔水层的材质均为不透水或弱透水的土体材料。

所述内隔水层、所述底面层、所述外隔水层的材质均为三七灰土、二八灰土、5%水泥土或青藏红黏土中的一种。

所述内隔水层或所述底面层的材质为防水土工布。

所述外隔水层的材质为上覆块碎石的防水土工布。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中设有泄水管，该泄水管上设有置于大气环境中的U形管作为截留段，因此，可以利用气温先于硅藻土层升温和降温的特点，使泄水管在适当的时机进行通断，有效提高了本发明的工程效果。

2、本发明作为冻土路基护坡时，可有效降低冻土路基土体温度，防止因路基下伏多年冻土退化导致路基不均匀沉降，且对冻土路基本体的安全稳定运行不构成威胁。同时，还可以有效保护边坡土体中多年冻土，可有效解决因边坡下伏多年冻土退化导致的边坡失稳问题。

3、本发明在青藏高原多年冻土区使用时，青藏红黏土可作为内隔水层、底面层和外隔水层，与卵石一样在青藏公路沿线广泛分布，基本可就地取材，极大地节约了材料成本；同时，本发明可使用大型施工机械连续施工，施工难度低，有效节约工程成本。

4、本发明呈条带状应用于多年冻土路基的坡面位置，沿路基纵向各断面的降温效果一致，可有效解决因路基纵向各路基断面控温不均匀所导致的路基不均匀沉降。

5、本发明可根据多年冻土区边坡所处地区的局域水文和气温条件在坡面分别铺设不同厚度而灵活应用，可广泛适用于复杂气候工况。

6、本发明在冻土路基工程中使用时，路面雨水裹挟汽车尾气和轮胎磨损遗留在路面上的黑色颗粒物流经卵石层和硅藻土层后，由于硅藻土层的过滤作用而使黑色颗粒物留存在硅藻土层中，可在一定程度上减小行车释放的黑色颗粒物对生态环境的影响。

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为本发明的使用效果剖面图。

图2为本发明中泄水管各部分细节图。

图中：1—卵石层；2—硅藻土层；3—内隔水层；4—底面层；5—外隔水层；6—泄水管；7—排水沟；8—渗水段；9—无孔段；10—截留段；11—延伸段；12—渗水孔；13—反滤层。

具体实施方式

如图1所示，一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构，该结构包括卵石层1、硅藻土层2、内隔水层3、底面层4、外隔水层5和泄水管6。

底面层4设在冻土区路基上，该底面层4上设有内隔水层3和外隔水层5；内隔水层3与冻土区路基的边坡土体相接触；内隔水层3、底面层4、外隔水层5连接而成的空间内填充有硅藻土层2，该硅藻土层2的顶面设有卵石层1；泄水管6的一部分穿过外隔水层5倾斜插入硅藻土层2的底部，另一部分置于大气环境中。

其中：泄水管6倾斜插入硅藻土层2的角度满足硅藻土层2中多余水分在重力作用下自流。

如图2所示，泄水管6可使用钢管加工而成，由置于硅藻土层2中的渗水段8、置于外隔水层5中的无孔段9以及置于大气环境中的截留段10和延伸段11构成。渗水段8的一端封闭，另一端与无孔段9相通；渗水段8上均布有数个渗水孔12，其外表面包裹有防止硅藻土层2经渗水孔12渗透流失的反滤层13；截留段10为U形管，一端与无孔段9相通，另一端与延伸段11相通；延伸段11的末端呈开口状，且置于排水沟7上方。

延伸段11将硅藻土层2中多余水分导流至排水沟7中。

截留段10的U形管尺寸及泄水管6的倾斜度需保证截留段10的U形管内的液态水冻结时泄水管6内水分无法流通。

内隔水层3、底面层4、外隔水层5的材质均为不透水或弱透水的土体材料。

内隔水层3、底面层4、外隔水层5的材质均选自三七灰土、二八灰土、5%水泥土或青藏红黏土中的一种。

内隔水层3或底面层4的材质还可以为防水土工布。

外隔水层5的材质还可以为上覆块碎石的防水土工布。

本发明的工作原理：

在冷季，冻结后的硅藻土层2导热系数增大，本发明下伏土体热量快速输出，在暖季，硅藻土层2融化，泄水管6的截留段10打开，硅藻土层含水率降低的同时导热系数减小，阻碍了大气环境向路基土体的热量输入。

降雨过程中，裹挟汽车轮胎微颗粒的路面雨水流经硅藻土层2时被过滤，部分水分被吸附在硅藻土中，无法吸附的水分通过泄水管6排出至排水沟7；阳光充足时硅藻土层2吸附的水分蒸发吸热，同时硅藻土层2含水率降低，减弱了大气环境向本发明下伏土体的热量输入。

本发明中截留段10出露在空气中，气温降低过程中截留段10中的水体先于硅藻土层2冻结，使硅藻土层2中水分及时停止渗流，则硅藻土层2的含水率保持在高位，增大硅藻土层2在冷季的导热能力；气温升高过程中，截留段10中的水体先于硅藻土层2融化，使硅藻土层2水分及时排出，减小硅藻土层土体导热系数。

最终，本发明在年周期范围内形成了“热的半导体”，可显著降低本控温结构下伏多年冻土层温度；本发明巧妙利用土体材料固有的天然特性，通过多种土体材料的合理排列组合，使本发明成为有益于人类工程建设的有机整体。

实施例 本发明中的控温结构可应用的坡比较为广泛，使用内隔水层3、底面层4、外隔水层5将硅藻土2包裹其中，且硅藻土层2顶面使用卵石层1进行覆盖，内隔水层3直接与边坡土体接触。其中卵石层1厚度为200~400 mm，底面层4的厚度为300~500 mm，内隔水层3在坡面法向的厚度为200~500 mm，外隔水层5在坡面法向的厚度为200~500 mm，硅藻土层2在坡面法向的厚度为400~1000 mm，其具体厚度宜根据工程区地气温条件进行优选设计选取；本发明其余土体的各项尺寸在上述尺寸确定后进行相应计算即可获得。

泄水管6整体由DN50的镀锌管制成，渗水段8长度为250~350 mm，渗水段8上的渗水孔12的直径为2~10 mm，反滤层13由小于硅藻土最小粒径的耐腐蚀滤网构成；无孔段9长度为200~300 mm，截留段10的a为100~150 mm，b为150~250 mm。

泄水管6的倾斜程度需保证硅藻土层2中多余的水分在重力作用下自流，截留段10的U形管尺寸及泄水管6的倾斜度需保证截留段10的U形管内的液态水冻结时泄水管6完全堵塞。

本发明中的“热半导体”护坡可根据路基所处地区的局域水文和气温条件在阴阳坡面分别铺设不同厚度的护坡厚度而灵活应用。

应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构，其特征在于：该控温结构包括卵石层（1）、硅藻土层（2）、内隔水层（3）、底面层（4）、外隔水层（5）和泄水管（6）；所述底面层（4）设在冻土区路基上，该底面层（4）上设有所述内隔水层（3）和所述外隔水层（5）；所述内隔水层（3）与所述冻土区路基的边坡土体相接触；所述内隔水层（3）、所述底面层（4）、所述外隔水层（5）连接而成的空间内填充有所述硅藻土层（2），该硅藻土层（2）的顶面设有所述卵石层（1）；所述泄水管（6）的一部分穿过所述外隔水层（5）倾斜插入所述硅藻土层（2）的底部，另一部分置于大气环境中；所述泄水管（6）由置于所述硅藻土层（2）中的渗水段（8）、置于所述外隔水层（5）中的无孔段（9）以及置于所述大气环境中的截留段（10）和延伸段（11）构成；所述渗水段（8）的一端封闭，另一端与所述无孔段（9）相通；所述渗水段（8）上均布有数个渗水孔（12），其外表面包裹有反滤层（13）；所述截留段（10）为U形管，一端与所述无孔段（9）相通，另一端与所述延伸段（11）相通；所述延伸段（11）的末端呈开口状，且置于排水沟（7）上方；所述内隔水层（3）、所述底面层（4）、所述外隔水层（5）的材质均为不透水或弱透水的土体材料；所述内隔水层（3）、所述底面层（4）、所述外隔水层（5）的材质均为三七灰土、二八灰土、5%水泥土或青藏红黏土中的一种；所述内隔水层（3）或所述底面层（4）的材质为防水土工布；所述外隔水层（5）的材质为上覆块碎石的防水土工布。

2.如权利要求1所述的一种适用于多年冻土区路基和边坡工程的控温结构，其特征在于：所述泄水管（6）倾斜插入所述硅藻土层（2）的角度满足所述硅藻土层（2）中多余水分在重力作用下自流。

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