CN115305763B - 高海拔地区道路路基结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高海拔地区道路路基结构，其从下至上依次包括下基层、隔水导热层和上基层；上基层边坡上设置有防冻胀装置，防冻胀装置包括：集热箱，其内部设置有储热材料罐，储热材料罐内还设置有热管，热管的蒸发段处于储热材料罐内，热管的过渡段及冷凝段穿过储热材料罐的封闭端和集热箱，弯折后插入上基层中，储热材料罐连接有支气管，多根储热材料罐上的支气管与一主气管连接，主气管从集热箱穿出沿路基边坡延伸至路基旁地基与储气罐连通；储热材料罐内填充有储热材料，集热箱内填充有导热材料，集热箱背离所述路基边坡的壁板采用透明钢化玻璃制成。本发明可避免夜间低温导致路基内部结冰冻胀，极其适配高海拔地区昼夜温差大的环境。

Description

高海拔地区道路路基结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及高海拔地区路基工程技术领域。更具体地说，本发明涉及一种高海拔地区道路路基结构及其施工方法。

背景技术

随着我国经济的发展，公路建设越来越受到人们的重视，已经成为拉动GDP增长的重要环节。高海拔地区的公路建设如今也越来越受到人类的重视，已经成为国家西部大开发工程重要的组成部分。高海拔地区一般气温低、日照时间长、温差大，尤其是常年冻土区，自然条件十分恶劣，地基土在夏季雨水多时会阻碍施工，冬季又会因为气温低有冻胀的危险给施工带来很大的难度。所以在高海拔地区施工，地基是个不得不考虑的很严肃的问题。对冻土路基的危害进行分析，找出解决这些问题的对策，为施工单位节省不必要的人力、物力损失，对于我国公路建设事业的发展有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高海拔地区道路路基结构及其施工方法，该路基结构通过储热材料在白天吸收热量，夜间释放热量，并通过热管将热量传递到路基内部，避免夜间低温导致路基内部结冰冻胀，极其适配高海拔地区昼夜温差大的环境。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高海拔地区道路路基结构，其从下至上依次包括下基层、隔水导热层和上基层，所述下基层包括片块石垫层和碎石上封层，所述隔水导热层包括隔水土工布和混凝土层，所述混凝土层中预埋有沿路基横向设置的通风管，所述上基层为砂砾垫层；

所述上基层边坡上设置有防冻胀装置，所述防冻胀装置包括：

集热箱，其内部设置有多根并列布置的储热材料罐，所述储热材料罐一端封闭，另一端设置有气孔，所述储热材料罐内还同轴设置有热管，所述热管弯折成预设角度，所述热管的蒸发段处于所述储热材料罐内，所述热管的过渡段及冷凝段穿过所述储热材料罐的封闭端和所述集热箱，弯折后插入所述上基层中，所述储热材料罐的气孔外连接有支气管，多根储热材料罐上的支气管均与一主气管连接，所述主气管从所述集热箱穿出沿路基边坡延伸至路基旁地基内；

储气罐，其埋设于路基旁地基内，所述主气管与所述储气罐连通；

其中，所述储热材料罐内填充有镁基氢化物储热材料，所述集热箱内填充有导热材料，所述集热箱背离所述路基边坡的壁板采用透明钢化玻璃制成。

优选的是，所述热管插入所述上基层中的过渡段及冷凝段外套设管套，所述管套内衬设置有吸水纤维套，所述管套上沿长度方向均匀间隔的开设有多个水平的通孔，所述通孔中穿设有吸水纤维条，所述吸水纤维条与所述吸水纤维套连接，多个热管的过渡段及冷凝段外的管套中的吸水纤维套均与一沿路基边坡设置的吸水纤维布连接。

优选的是，所述路基下的地基冻土层中插设有热棒，所述热棒上端从所述下基层边坡穿出。

优选的是，所述片块石垫层中片块石的粒径为15～30cm，饱水抗压强度大于30MPa。

优选的是，所述集热箱背离所述路基边坡的壁板下板面正对所述储热材料罐处设置有菲涅尔透镜。

优选的是，所述集热箱靠近路基边坡的壁板外壁设置有锚杆，所述集热箱通过锚杆插入路基边坡进行固定。

本发明还提供一种上述高海拔地区道路路基结构的施工方法，其包括以下步骤：

步骤一、在欲修建路基的地基上开挖路基基坑，在路基基坑中分层填筑片块石，再于片块石垫层顶部铺设碎石上封层，以形成路基的下基层；

步骤二、在下基层顶部铺设隔水土工布，在隔水土工布上浇筑混凝土板修筑混凝土层，浇筑混凝土时在混凝土中预埋沿路基横向设置的通风管；

步骤三、在混凝土层顶部分层填筑砂砾垫层形成路基的上基层，在分层填筑砂砾垫层时，每隔预设高度预埋管套及吸水纤维条，吸水纤维条沿路基纵向伸展，管套内提前插入支撑铁棒；

步骤四、在路基边坡上铺设吸水纤维布，并在吸水纤维布上开设容铁棒穿过的第一圆孔，以及与通风管连通的第二圆孔，将管套内衬的吸水纤维套与吸水纤维布连接；

步骤五、将铁棒从上基层抽出，留出铁棒抽出后在上基层边坡形成的与管套内孔连通的孔洞，将防冻胀装置中的热管的过渡段及冷凝段插入孔洞内的管套中，并将防冻胀装置中的集热箱固定于所述上基层的边坡上；

步骤六、将储气罐埋设于路基旁地基内，将主气管与储气罐连通。

优选的是，还包括：

步骤八、将热棒从下基层边坡直插入路基下的地基冻土层中。

本发明至少包括以下有益效果：通过将路基的下基层采用片块石修筑，由于片块石垫层的热半导体性能，能降低地基温度避免冻土层冰晶融化造成融沉，另外在片块石垫层上设置具有通风管的隔水导热层，通风管中流动的空气能快速带走片块石垫层顶部的热量，增大了片块石垫层顶层和底层的温差，加强了片块石垫层中的热对流效果，能更快的将冻土层地基中的热量导出。通过在地基上基层设置砂砾垫层，其透水性好能快速排干路面积水，同时其抗剪切强度高，能延缓路面的变形开裂，但也由于其透水性好的特点，在高海拔地区昼夜温差较大的情况下，容易出现路基冻胀，因此在上基层边坡设置防冻胀装置，储热材料在白天吸收热量，夜间释放热量，并通过热管将热量传递到路基内部，避免夜间低温导致路基内部结冰冻胀，极其适配高海拔地区昼夜温差大的环境，而现有的直接将热管冷凝段插入路基中的防冻胀方案，由于高海拔地区昼夜温差大，白天路基内部温度基本高于冰点，水分在路基内并不结冰，导致热管白天工作时无效，又热管中相变材料白天吸收的热量并不能储存至夜间，而夜间环境温度低时路基内部温度低于冰点，水分逐渐结冰形成冻胀，但在低温环境下热管基本不工作，热管又无法解决路基内冻胀问题，因此现有技术的方案明显差于本申请方案。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明实施例所述高海拔地区道路路基结构的侧面结构示意图；

图2为本发明实施例所述集热箱的内部结构示意图；

图3为本发明实施例所述热管的过渡段和冷凝段外管套及吸水纤维套的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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。

如图1～3所示，本发明提供一种高海拔地区道路路基结构，其从下至上依次包括下基层、隔水导热层和上基层，所述下基层包括片块石垫层1和碎石上封层2，所述隔水导热层包括隔水土工布3和混凝土层4，所述混凝土层4中预埋有沿路基横向设置的通风管5，所述上基层为砂砾垫层；

这里路基纵向是指沿道路延伸方向，路基横向是路基横断面方向。

通过将路基的下基层采用片块石修筑，由于片块石垫层1的热半导体性能，能降低地基温度，避免冻土层冰晶融化造成融沉，另外在片块石垫层1上设置具有通风管5的隔水导热层，通风管5中流动的空气能快速带走片块石垫层1顶部的热量，增大了片块石垫层1顶层和底层的温差，加强了片块石垫层1中的热对流效果，能更快的将冻土层地基中的热量导出。通过在地基上基层设置砂砾垫层，其透水性好能快速排干路面积水，同时其抗剪切强度高，能延缓路面的变形开裂，但也由于其透水性好的特点，在高海拔地区昼夜温差较大的情况下，容易出现路基冻胀，因此在上基层边坡设置防冻胀装置。

具体的，所述防冻胀装置包括：

集热箱6，其内部设置有多根并列布置的储热材料罐7，所述储热材料罐7一端封闭，另一端设置有气孔，所述储热材料罐7内还同轴设置有热管8，所述热管8弯折成预设角度，所述热管8的蒸发段处于所述储热材料罐7内，所述热管8的过渡段及冷凝段穿过所述储热材料罐7的封闭端和所述集热箱6，弯折后插入所述上基层中，所述储热材料罐7的气孔外连接有支气管，多根储热材料罐7上的支气管均与一主气管9连接，所述主气管9从所述集热箱6穿出沿路基边坡延伸至路基旁地基内；

储气罐10，其埋设于路基旁地基内，所述主气管9与所述储气罐10连通；

其中，所述储热材料罐7内填充有镁基氢化物储热材料，所述集热箱6内填充有导热材料，所述集热箱6背离所述路基边坡的壁板采用透明钢化玻璃制成，这里为了使集热箱6的保温效果更好，集热箱6其他几面的壁板可采用隔热材料制作。

具体的，储气罐可使用高压容器罐，且储气罐中可以提前充入一定量的氢气，这样当储热材料吸热释放氢气时能提高储气罐10内气压，方便后续氢气自发从储气罐10回到储热材料罐7与储热材料结合放热

具体的，所述集热箱6靠近路基边坡的壁板外壁设置有锚杆，所述集热箱6通过锚杆插入路基边坡进行固定。

工作时，由于高海拔地区白天日照强度高，可以快速的对集热箱6中的导热材料加热升温，使集热箱6中内温度达到储热材料罐7中的镁基氢化物储热材料的吸热温度阈值，镁基氢化物储热材料吸热释放氢气，氢气通过支气管、主气管9进入出气管储存，当高海拔地区夜间温度低时，出气管中的氢气又沿主气管9、支气管进入储热材料罐7，与镁基氢化物储热材料结合释放热量，热量传递给热管8中的相变材料工质的，使工质受热蒸发由液态变为气态，并沿热管8从蒸发段进入冷凝段，又冷凝段插入在路基的上基层内，工质冷凝释放热量提高上基层内部温度，防止上基层内部水分结冰，另外，镁基氢化物储热材料吸氢释热的过程并不快速，因此镁基氢化物储热材料可以在夜间较长时间的为上基层内部提供热量。

而现有技术中一般是直接将热管8冷凝段插入路基中的防冻胀方案，由于高海拔地区昼夜温差大，白天路基内部温度基本高于冰点，水分在路基内并不结冰，导致热管8白天工作时无效，又热管8中相变材料白天吸收的热量并不能储存至夜间，而夜间环境温度低时路基内部温度低于冰点，水分逐渐结冰形成冻胀，但在低温环境下热管8基本不工作，热管8又无法解决路基内冻胀问题。

相比于现有技术，上述实施例中将储热材料与热管8相结合，巧妙的实现了热量的保存和选择性释放，储热材料在白天吸收热量，夜间释放热量，并通过热管8将热量传递到路基内部，避免夜间低温导致路基内部结冰冻胀，极其适配高海拔地区昼夜温差大的环境。

虽然前述实施例中通过防冻胀装置向上基层内部输送热量来达到防治冻胀的目的，但是水分依然存在于路基上基层中，水分含量愈大，通过毛细作用分布范围就愈广，防冻胀装置的效果则愈有限。为了最大程度的减少冻胀，下面实施例结合排水提供一另种技术方案。

在另一实施例中，所述热管8插入所述上基层中的过渡段及冷凝段外套设管套11，所述管套11内衬设置有吸水纤维套12，所述管套11上沿长度方向均匀间隔的开设有多个水平的通孔，所述通孔中穿设有吸水纤维条13，所述吸水纤维条13与所述吸水纤维套12连接，多个热管8的过渡段及冷凝段外的管套11中的吸水纤维套12均与一沿路基边坡设置的吸水纤维布14连接。

工作时，热管8将储热材料释放的热量传递到路基上基层内部，基本避免了上基层内部水分结冰，水分在液态下容易被吸水纤维条13吸收，然后沿吸水纤维条13、吸水纤维套12一路扩散到吸水纤维布14上，而吸水纤维布14又经过路基下基层边坡，高海拔地区白天日照强度高，可快速将吸水纤维布14中水分蒸发，夜间通过自然风干也能蒸发一些水分，吸水纤维布14中水分含量低于吸水纤维条13，则水分会不断从吸水纤维条13向吸水纤维布14扩散，这样可使路基上基层内的水分源源不断的被吸水纤维条13吸取而后从吸水纤维布14排出。

而现有技术中虽然也有在路基中使用排水板的技术方案，但是高海拔地区夜间低温时，水分结冰并不流动，因此无法实现全天候排水。

相比于现有技术，上述实施例通过将排水与调控路基内部温度相结合，避免水分结冰，再利用蒸发作用排水，巧妙的实现了路基内部全天候排水。

在另一实施例中，所述路基下的地基冻土层中插设有热棒15，所述热棒15上端从所述下基层边坡穿出。本实施例中，热棒15在暖季可以将地基冻土层中积累的热量快速导出，补充了单一采用片块石垫层1导热慢、导热不足的缺点。

在另一实施例中，所述片块石垫层1中片块石的粒径为15～30cm，饱水抗压强度大于30MPa。本实施例中采用的片块石规格既能保证路基有较好的承载强度，片块石间有一定的接触面，又能使片块石间留存一定的空隙，保证片块石垫层1“热半导体”性能良好。

在另一实施例中，所述集热箱6背离所述路基边坡的壁板下板面正对所述储热材料罐7处设置有菲涅尔透镜，通过设置菲涅尔透镜可以将太阳能聚焦于储热材料罐7，让储热材料罐7内的镁基氢化物储热材料迅速升温，实现储能。

本发明还提供一种上述高海拔地区道路路基结构的施工方法，其包括以下步骤：

步骤一、在欲修建路基的地基上开挖路基基坑，在路基基坑中分层填筑片块石，再于片块石垫层1顶部铺设碎石上封层2，以形成路基的下基层；

具体的，片块石石料选择洁净、耐冻、无风化、无水锈、无裂纹的石料，饱水抗压强度大于30MPa，最小边长宜大于15cm，且长细比小于3，对片块石的粒径进行初步控制时，采用挖掘机将大于30cm的片块石挑选出来，用冲击气锤分解，将初选后的石料通过筛分机进行筛分，筛除小于15cm石块，即达到片块石粒径要求。

片块石填筑时，将满足粒径及强度要求的片块石一次倾倒至预留高度(设计高度+预留压实沉降量)，预留压实沉降量根据材料性质通过现场压实试验确定，施工时，采取先低后高，先两侧后中央的投料方式进行。人工配合挖掘机进行片块石路基整形，边填筑边整形，路堤边坡坡脚采用粒径大于25cm的石料堆砌，边码堆砌的块石粒径选择20～30cm，不允许粒径小于10cm的片块石填塞缝隙，边坡外路面应做到平整、稳固。

片块石填筑后，采用重型光轮压路机先静压2遍，然后强振碾压6～8遍，压路机的线压力应与片块石的极限抗压强度匹配，避免造成石料破碎而破坏片块石垫层1的骨架结构。碾压速度控制在2～4km/h，直线路段先两侧后中央碾压，曲线段线内侧后外侧碾压，碾压的纵向行与行之间重叠0.5cm左右，前后相邻区段重叠2cm以上。

接着在片块石上铺筑碎石，碎石粒径5～10cm，人工配合推土机整平。然后用重型压路机静压1遍，再用三边压路机进行冲击碾压补强，冲击碾压遍数不少于25遍

步骤二、在下基层顶部铺设隔水土工布3，在隔水土工布3上浇筑混凝土板修筑混凝土层4，浇筑混凝土时在混凝土中预埋沿路基横向设置的通风管5；

隔水土工布3能避免浇筑的混凝土的水分不散失，在隔水土工布3上支设侧模板浇筑混混凝土板，为了使现浇的混凝土板与下基层之间不出现滑动，每块混凝土板在边缘沿路基横向预埋插入下基层的锚钉。通风管5可以采用内径为20cm的高强PVC管。浇筑时可以采用赶浆法，从模板一端向另一端浇筑推进，浇筑与振捣必须紧密配合，振捣时不得触动混凝土板的钢筋笼和预埋其间的通风管5。板面经振捣后，采用铁铲拍实，长尺刮平，再用木搓刀搓平，以确保混凝土表面密实平整。

针对高海拔地区蒸发量及风力较大的特点，混凝土板需要延长养护时间和脱模时间，增加洒水频次，养生采用土工膜和草帘覆盖，养生周期不少于15天，洒水每天不少于2次，当混凝土强度达到设计强度的50％时，混凝土表面温度与环境温度之差不大于15℃，且能保证板构件棱角完整方可拆模。

步骤三、在混凝土层4顶部分层填筑砂砾垫层形成路基的上基层，在分层填筑砂砾垫层时，每隔预设高度预埋管套11及吸水纤维条13，吸水纤维条13沿路基纵向伸展，管套11内提前插入支撑铁棒；

步骤四、在路基边坡上铺设吸水纤维布14，并在吸水纤维布14上开设容铁棒穿过的第一圆孔，以及与通风管5连通的第二圆孔，将管套11内衬的吸水纤维套12与吸水纤维布14连接；

步骤五、将铁棒从上基层抽出，留出铁棒抽出后在上基层边坡形成的与管套11内孔连通的孔洞，将防冻胀装置中的热管8的过渡段及冷凝段插入孔洞内的管套11中，并将防冻胀装置中的集热箱6固定于所述上基层的边坡上；

步骤六、将储气罐10埋设于路基旁地基内，将主气管9与储气罐10连通。

在另一实施例中，上述施工方法还包括：

步骤八、将热棒15从下基层边坡直插入路基下的地基冻土层中。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种高海拔地区道路路基结构，其特征在于，从下至上依次包括下基层、隔水导热层和上基层，所述下基层包括片块石垫层和碎石上封层，所述隔水导热层包括隔水土工布和混凝土层，所述混凝土层中预埋有沿路基横向设置的通风管，所述上基层为砂砾垫层；

所述上基层边坡上设置有防冻胀装置，所述防冻胀装置包括：

集热箱，其内部设置有多根并列布置的储热材料罐，所述储热材料罐一端封闭，另一端设置有气孔，所述储热材料罐内还同轴设置有热管，所述热管弯折成预设角度，所述热管的蒸发段处于所述储热材料罐内，所述热管的过渡段及冷凝段穿过所述储热材料罐的封闭端和所述集热箱，弯折后插入所述上基层中，所述储热材料罐的气孔外连接有支气管，多根储热材料罐上的支气管均与一主气管连接，所述主气管从所述集热箱穿出沿路基边坡延伸至路基旁地基内；

储气罐，其埋设于路基旁地基内，所述主气管与所述储气罐连通；

其中，所述储热材料罐内填充有镁基氢化物储热材料，所述集热箱内填充有导热材料，所述集热箱背离所述路基边坡的壁板采用透明钢化玻璃制成。

2.如权利要求1所述的高海拔地区道路路基结构，其特征在于，所述热管插入所述上基层中的过渡段及冷凝段外套设管套，所述管套内衬设置有吸水纤维套，所述管套上沿长度方向均匀间隔的开设有多个水平的通孔，所述通孔中穿设有吸水纤维条，所述吸水纤维条与所述吸水纤维套连接，多个热管的过渡段及冷凝段外的管套中的吸水纤维套均与一沿路基边坡设置的吸水纤维布连接。

3.如权利要求1所述的高海拔地区道路路基结构，其特征在于，所述路基下的地基冻土层中插设有热棒，所述热棒上端从所述下基层边坡穿出。

4.如权利要求1所述的高海拔地区道路路基结构，其特征在于，所述片块石垫层中片块石的粒径为15～30cm，饱水抗压强度大于30MPa。

5.如权利要求1所述的高海拔地区道路路基结构，其特征在于，所述集热箱背离所述路基边坡的壁板下板面正对所述储热材料罐处设置有菲涅尔透镜。

6.如权利要求1所述的高海拔地区道路路基结构，其特征在于，所述集热箱靠近路基边坡的壁板外壁设置有锚杆，所述集热箱通过锚杆插入路基边坡进行固定。

7.一种如权利要求2所述的高海拔地区道路路基结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在欲修建路基的地基上开挖路基基坑，在路基基坑中分层填筑片块石，再于片块石垫层顶部铺设碎石上封层，以形成路基的下基层；

步骤二、在下基层顶部铺设隔水土工布，在隔水土工布上浇筑混凝土板修筑混凝土层，浇筑混凝土时在混凝土中预埋沿路基横向设置的通风管；

步骤三、在混凝土层顶部分层填筑砂砾垫层形成路基的上基层，在分层填筑砂砾垫层时，每隔预设高度预埋管套及吸水纤维条，吸水纤维条沿路基纵向伸展，管套内提前插入支撑铁棒；

步骤四、在路基边坡上铺设吸水纤维布，并在吸水纤维布上开设容铁棒穿过的第一圆孔，以及与通风管连通的第二圆孔，将管套内衬的吸水纤维套与吸水纤维布连接；

步骤五、将铁棒从上基层抽出，留出铁棒抽出后在上基层边坡形成的与管套内孔连通的孔洞，将防冻胀装置中的热管的过渡段及冷凝段插入孔洞内的管套中，并将防冻胀装置中的集热箱固定于所述上基层的边坡上；

步骤六、将储气罐埋设于路基旁地基内，将主气管与储气罐连通。

8.如权利要求7所述的高海拔地区道路路基结构的施工方法，其特征在于，还包括：

步骤八、将热棒从下基层边坡直插入路基下的地基冻土层中。

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