CN114411468A - 主动加热增温防冻胀装置及其路基 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种主动加热增温防冻胀装置及其路基，涉及季节冻土区工程建设病害防治技术领域。主动加热增温防冻胀装置包括集热单元和聚热导管，集热单元用于安装在路基的一侧，集热单元包括支撑支架和安装在支撑支架上的超导热管，其中，超导热管用于吸收太阳能；聚热导管包括相互连通的集热段、绝热段和释热段，其中，集热段与超导热管搭接，集热段用于吸收超导热管传递的热量，并通过绝热段将热量传递至释热段，释热段用于插入路基的内部、并加热路基。该装置及其路基能够通过吸收太阳能并转化为热能传递给路基，并对路基内部土体持续的加热、升温，可避免季节冻土区路基不均匀冻胀、融沉等工程病害的产生。

Description

主动加热增温防冻胀装置及其路基

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，涉及一种主动加热增温防冻胀装置及其路基。

背景技术

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粗颗粒换填、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。

发明内容

本发明的目的包括提供一种主动加热增温防冻胀装置及其路基，其能够通过吸收太阳能并转化为热能传递给路基，并对路基内部土体持续的加热、升温，可避免季节冻土区路基不均匀冻胀、融沉等工程病害的产生。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种主动加热增温防冻胀装置，主动加热增温防冻胀装置包括：

集热单元，用于安装在路基的一侧，集热单元包括支撑支架和安装在支撑支架上的超导热管，其中，超导热管用于吸收太阳能；

聚热导管，包括相互连通的集热段、绝热段和释热段，其中，集热段与超导热管搭接，集热段用于吸收超导热管传递的热量，并通过绝热段将热量传递至释热段，释热段用于插入路基的内部、并加热路基。

本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置至少包括以下有益效果：

1.集热单元吸收的热量便经过聚热导管在路基的内部不断放热，加热聚热导管周围的土体，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，可避免季节冻土区路基不均匀冻胀、融沉等工程病害的产生；

2.结构形式简单，而且不需要采用动力元件、自主循环，安装在野外的复杂环境中，不易发生故障，具有很好的稳定性。

在可选的实施方式中，释热段的轴线与绝热段的轴线共线设置，集热段的轴线与绝热段的轴线相互垂直。

在可选的实施方式中，释热段与绝热段与水平面的夹角a为：0°～10°。

在可选的实施方式中，集热段的轴线低于释热段的端头的高差为：0.5cm～20cm。

这样，聚热导管的释热段的高度位于路基的中下位置，释热段横跨路基宽度的大部分区域，而且，在路基中安装聚热导管方便，钻孔深度小和数量少，不会改变路基原有的工程结构，保证了原有路基的稳定，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。

在可选的实施方式中，释热段与绝热段为圆管，集热段为长方管。

这样，释热段在路基中可以对四周的物质均匀加热，而且，释热段的表面积较大，加热效率较高，集热段的上下表面也更方便与超导热管搭接，且接触面积较大，热传递效率较高。

在可选的实施方式中，集热段的横截面的长边与水平面的夹角b为：0°～15°，长边远离释热段的一端高于长边靠近释热段的一端。

这样，可以有效保证工质回流，以及集热段始终存留有工质，保证整个装置的顺利工作。

在可选的实施方式中，超导热管的轴线与水平面的夹角c为：10°～40°。

这样，保证了冬季太阳光基本垂直入射进入超导热管，可提高集热单元的集热效率。

在可选的实施方式中，集热单元还包括：

支撑底板，用于承载超导热管；

吸热涂层，覆盖在支撑底板和超导热管的上表面；

中空透光板，安装在支撑底板和超导热管的上方，中空透光板的内部填充有保温气体；

太阳遮光板，安装在中空透光板的上方，太阳遮光板用于遮挡或露出中空透光板；

保温板，安装在支撑底板的下方。

这样，主动加热增温防冻胀装置至少包括以下有益效果：

1.吸热涂层能够提高集热单元对太阳光的吸收率，提高集热单元对集热段的加热效率；

2.中空透光板具有透光性，不会降低集热单元对太阳光的吸收效率，而且，在夜晚无太阳光照射集热单元的情况下，中空透光板因为内部填充有保温气体，具有一定的保温作用，能够减少集热单元在夜晚的热量损失；

3.在进入冷季路基开始冻结时，将太阳遮光板打开，让太阳光进入中空透光板，保证集热单元的集热效率；在进入暖季时，太阳光较强，为防止集热单元过热影响装置的稳定性，可将太阳遮光板关闭，阻止太阳光进入，避免集热单元过热；

4.保温板可以防止或减少集热单元的热量损失。

第二方面，本发明提供一种主动加热增温防冻胀路基，主动加热增温防冻胀路基包括路基和前述实施方式任一项的主动加热增温防冻胀装置，其中，集热单元安装在路基的一侧，释热段插入路基的内部。

这样，路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀和工程病害产生的目的。

在可选的实施方式中，主动加热增温防冻胀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，保温材料层能够阻止路基内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基内部热量的留存。

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主动加热增温防冻胀路基的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的主动加热增温防冻胀装置的主视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的主动加热增温防冻胀装置的俯视结构示意图；

图4为图2中集热段的结构示意图；

图5为图2中集热单元的剖视图；

图6为图2中集热单元的俯视图；

图7为集热段与超导热管的搭接示意图。

图标：100-主动加热增温防冻胀路基；110-路基；111-路堤；112-道砟层；120-保温材料层；121-保温挡板；122-保温材料覆盖层；200-主动加热增温防冻胀装置；210-集热单元；211-支撑支架；212-超导热管；213-吸热涂层；214-中空透光板；215-太阳遮光板；216-支撑底板；217-保温板；220-聚热导管；221-集热段；222-绝热段；223-释热段；230-夹具；240-保温层。

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。

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主动加热增温防冻胀路基100，主动加热增温防冻胀路基100包括路基110、保温材料层120和主动加热增温防冻胀装置200，其中，主动加热增温防冻胀装置200间隔均匀地安装在路基110的阳坡一侧或阴坡一侧。

保温材料层120设置在路基110的坡面，可以覆盖路基110的整个坡面。在其它实施例中，还可以通过在保温材料层120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120。保温材料层120可以选用建筑岩棉保温材料或一体保温板。具体的，路基110的阳坡坡面和阴坡坡面都可以设置保温材料层120，能够阻止路基110内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基110内部热量的留存。

本实施例中，路基110包括路堤111和位于路堤111上方的道砟层112，道砟层112的坡面上的保温材料层120可以选用保温挡板121，保温挡板121的材料为水泥纤维板或预制水泥薄板，主要铺设在道砟层112外侧坡面、从坡脚至2/3高度处。保温挡板121具有一定重力，具有较好稳定性，可下端简单固定，上端为自由端，其目的是阻止冬季大风携带的冷量进入多孔介质的道砟层112的内部，减少路基110通过道砟层112向外传递热量。

路堤111坡面的保温材料层120可以选用具有一定柔性的保温材料覆盖层122。具体的，保温材料覆盖层122可以选用乙烯泡沫塑料，厚度可以为10cm，保温材料覆盖层122可以浅埋在路堤111坡面下部10cm处，从而减少路堤111的热量损失。

请参阅图1至图3，主动加热增温防冻胀装置200包括集热单元210和聚热导管220，其中，集热单元210用于安装在路基110的一侧，集热单元210包括支撑支架211和安装在支撑支架211上的超导热管212，其中，超导热管212用于吸收太阳能。超导热管212的轴线与水平面的夹角c为：10°～40°，而冬季时，中国西北省份的太阳高度角变化范围在30°～40°之间，夹角c可以对应设置为：30°～40°。这样，保证了冬季太阳光基本垂直入射进入超导热管212，可提高集热单元210的集热效率。除此之外，也可保证集热单元210上部积灰在降雨时带走。

聚热导管220包括相互连通的集热段221、绝热段222和释热段223，其中，释热段223的轴线与绝热段222的轴线共线设置，释热段223与绝热段222与水平面的夹角a为：0°～10°，释热段223相对于绝热段222远离地面。

集热段221的轴线与绝热段222的轴线相互垂直，使聚热导管220整体呈干字型结构。集热段221与超导热管212搭接，集热段221用于吸收超导热管212传递的热量，并通过绝热段222将热量传递至释热段223，释热段223用于插入路基110的内部、并加热路基110，使路基110始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基110内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基110土体冻结、路基110冻胀等工程病害发生的目的。其中，绝热段222和集热段221可以用保温材料包裹。

其中，释热段223与绝热段222为一体结构、且为圆管，集热段221为长方管。这样，释热段223在路基110中可以对四周的物质均匀加热，而且，释热段223的表面积较大，加热效率较高，集热段221的上下表面也更方便与超导热管212搭接，且接触面积较大，热传递效率较高。

聚热导管220从路基110的半坡与坡脚之间的范围插入路基110中，而且插入方向垂直于路基110的走向。聚热导管220的长度可以根据现场实际条件确定。在路基110同侧的坡面上。集热段221的轴线低于释热段223的端头的高差为：0.5cm～20cm。这样，聚热导管220的释热段223的高度位于路基110的中下位置，释热段223横跨路基110宽度的大部分区域，而且，在路基110中安装聚热导管220方便，钻孔深度小和数量少，不会改变路基110原有的工程结构，保证了原有路基110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。

请参阅图4，集热段221的横截面的长边与水平面的夹角b为：0°～15°，长边远离释热段223的一端高于长边靠近释热段223的一端。这样，可以有效保证工质回流，以及集热段221始终存留有工质，保证整个装置的顺利工作。

请参阅图5和图6，集热单元210还包括吸热涂层213、中空透光板214、太阳遮光板215、支撑底板216和保温板217，其中，支撑底板216承载超导热管212，支撑底板216为导热性能和防锈性能优越的材质，如铝、铜和不锈钢等，主要做为吸热涂层213的载体和起到保护整个集热单元210的作用。

超导热管212为超薄式微热管阵列高效导热板，也称微热管阵列，厚度小于0.5cm，兼具普通热管的功能，且具有一定柔性，可在一定范围内任意弯折，性能更加优越，超导热管212一侧端头相对于支撑底板216向外延伸10cm～15cm，以便于与聚热导管220搭接，主要用于吸收吸热涂层213生成的热量，并传递给聚热导管220。

吸热涂层213覆盖在支撑底板216和超导热管212的上表面，吸热涂层213为太阳能吸收率高于90％、耐热性、耐老化性能优良和对支撑底板216附着性好的吸热涂料涂刷或金属吸热膜粘贴而成，吸热涂层213能够提高集热单元210对太阳光的吸收率，提高集热单元210对集热段221的加热效率。

中空透光板214安装在支撑底板216和超导热管212的上方，中空透光板214的内部填充有保温气体，中空透光板214为采光性好、保温性能良好的阳光板材料，其层数和厚度可根据现场情况和实际需要具体确定。这样，中空透光板214具有透光性，不会降低集热单元210对太阳光的吸收效率，而且，在夜晚无太阳光照射集热单元210的情况下，中空透光板214因为内部填充有保温气体，具有一定的保温作用，能够减少集热单元210在夜晚的热量损失。

太阳遮光板215安装在中空透光板214的上方，太阳遮光板215采用常规金属、或非金属板材。太阳遮光板215用于遮挡或露出中空透光板214，在冬季路基110冻结时，将太阳遮光板215打开，让太阳光进入中空透光板214，保证集热单元210的集热效率。在热季，太阳光较强，为防止集热单元210过热影响装置的稳定性，可将太阳遮光板215关闭，阻止太阳光进入，避免集热单元210过热。太阳遮光板215还可以保护中空透光板214，从而延长中空透光板214的工作寿命。

保温板217安装在支撑底板216的下方，保温板217为保温性能、防老化性能良好的保温材料，可以防止或减少集热单元210的热量损失。

请参阅图7，超导热管212与集热段221的搭接形式如下：

超导热管212一端长10cm～15cm的部分直接与集热段221的下表面连接，二者之间通过夹具230固定在一起，同时，用保温层240将其包裹起来，防止或减小集热单元210和聚热导管220的热量损失。

本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置200的安装过程：

首先将聚热导管220的释热段223插入路基110，聚热导管220的绝热段222和集热段221位于路堤111的坡面，然后安装支撑支架211保证聚热导管220稳定，将超导热板的一端向外延申10cm～15cm与聚热导管220的集热段221搭接，集热单元210面向路基110，并与地面有一30°～40°的夹角，最后分别铺设保温档板和保温材料覆盖层122在道砟层112和路堤111坡面位置处。

本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置及其路基的工作原理：

当进入冷季路基开始冻结时，将太阳遮光板215打开，在白天有太阳光时，太阳光进入集热单元210，太阳光透过中空透光板214，被吸热涂层213吸收，使得集热单元210内热量集聚、温度升高；

随着超导热管212表面和内部温度的升高，超导热管212内的工质汽化和吸收热量，在温差和压差作用下汽态工质不断在超导热管212与聚热导管220的集热段221的搭接处冷凝和放出热量，然后超导热管212内的液态工质在毛细力和重力作用下回到超导热管212的集热段221，重复上述过程；

聚热导管220的集热段221吸收到超导热管212传递的热量，聚热导管220的集热段221的工质迅速汽化，在温度差和压差作用下聚热导管220内的汽态工质通过绝热段222或直接上升至聚热导管220的释热段223，并在聚热导管220的释热段223冷凝和放出热量，同时转换为液态工质，由此将热量传递给路基110，从而使路基110内部热量不断累积，达到防治冻胀病害的目的；

当夜晚无太阳能时，集热单元210停止工作，中空透光板214由于内部空气层的存在，其具有一定的保温作用，可以减少集热单元210在寒冷夜晚的热量损失。

本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置及其路基的有益效果包括：

1.与现有注浆工程技术相比，本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置及其路基，首先，聚热导管220是从路基下部以大致水平的方向向路基内部延伸，主要覆盖路基底部大部分区域，相比现有注浆工程中竖直向下钻孔，可以减少钻孔数量和钻孔深度，其次，现有注浆工程会改变路基的工程结构，本实施例中主要为改变路基的热学性质，主要作用于路基中水分富集、冻结后产生体积膨胀的区域，不改变路基原有的工程结构；

2.与现有电加热工程技术相比，现有电加热工程通过路基内部电加热措施对路基加热，需要外在电力供给，要求专门电力线路修建和布设，每年不仅大量消耗电力资源，而且内部电子电加热系统在野外使用条件下，发生故障的运维成本大，本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置及其路基没有外在动力能源、自主循环，通过充分利用当地丰富太阳能资源，实现对路基加热的目的，节省能源，绿色环保；

综上，本实施例提供的主动加热增温防冻胀装置及其路基与现有工程技术相比具有显著的进步，并且实现对季节冻土区路基病害中冻融关键要素的控制，起到事半功倍的效果，也实现了路基地温等值线水平均衡、对称分布，消除路基热力耦合的差异影响，进一步增强路基力学场稳定。这些都有效避免路基，特别是宽幅路基不均匀冻胀、纵向开裂等工程病害的产生，保证路基的长期稳定性，具有突出科学性和先进性。

在稳定性方面，本实施例中的集热单元210采用板式集热方式，并用支撑支架211进行固定，不仅增加装置整体在大风恶劣环境下的稳定性，而且有助于提高装置整体的集热效率。

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)

1.一种主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述主动加热增温防冻胀装置包括：

集热单元(210)，用于安装在路基(110)的一侧，所述集热单元(210)包括支撑支架(211)和安装在所述支撑支架(211)上的超导热管(212)，其中，所述超导热管(212)用于吸收太阳能；

聚热导管(220)，包括相互连通的集热段(221)、绝热段(222)和释热段(223)，其中，所述集热段(221)与所述超导热管(212)搭接，所述集热段(221)用于吸收所述超导热管(212)传递的热量，并通过所述绝热段(222)将热量传递至所述释热段(223)，所述释热段(223)用于插入所述路基(110)的内部、并加热所述路基(110)。

2.根据权利要求1所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述释热段(223)的轴线与所述绝热段(222)的轴线共线设置，所述集热段(221)的轴线与所述绝热段(222)的轴线相互垂直。

3.根据权利要求2所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述释热段(223)与所述绝热段(222)与水平面的夹角a为：0°～10°。

4.根据权利要求1所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述集热段(221)的轴线低于所述释热段(223)的端头的高差为：0.5cm～20cm。

5.根据权利要求1所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述释热段(223)与所述绝热段(222)为圆管，所述集热段(221)为长方管。

6.根据权利要求5所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述集热段(221)的横截面的长边与水平面的夹角b为：0°～15°，所述长边远离所述释热段(223)的一端高于所述长边靠近所述释热段(223)的一端。

7.根据权利要求1所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述超导热管(212)的轴线与水平面的夹角c为：10°～40°。

8.根据权利要求1所述的主动加热增温防冻胀装置，其特征在于，所述集热单元(210)还包括：

支撑底板(216)，用于承载所述超导热管(212)；

吸热涂层(213)，覆盖在所述支撑底板(216)和所述超导热管(212)的上表面；

中空透光板(214)，安装在所述支撑底板(216)和所述超导热管(212)的上方，所述中空透光板(214)的内部填充有保温气体；

太阳遮光板(215)，安装在所述中空透光板(214)的上方，所述太阳遮光板(215)用于遮挡或露出所述中空透光板(214)；

保温板(217)，安装在所述支撑底板(216)的下方。

9.一种主动加热增温防冻胀路基，其特征在于，所述主动加热增温防冻胀路基包括路基(110)和权利要求1～8任一项所述的主动加热增温防冻胀装置，其中，所述集热单元(210)安装在所述路基(110)的一侧，所述释热段(223)插入所述路基(110)的内部。

10.根据权利要求9所述的主动加热增温防冻胀路基，其特征在于，所述主动加热增温防冻胀路基还包括保温材料层(120)，所述保温材料层(120)设置在所述路基(110)的坡面。

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