CN116005506A - 一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基及其施工方法，涉及路基结构工程技术领域。新型复合路基包括进风管道、通风管道、出风管道、防雨雪装置、透气帽和土工布以及碎石垫层。进风管道与出风管道存在一定的高差，以使环境空气能够在无风条件下受压差驱动依次穿过防雨雪装置、进风管道、通风管道、出风管道和透气帽，实现降温作用。在防雨雪装置区域将雪排出复合路基管道系统，防止雪进入进风管道。本发明提供的用于泛北极多雪地区的新型复合路基能够对冻土路基下部多年冻土进行通风冷却，降低土体温度，防止多年冻土退化。防止雪进入路基管道系统，造成堵塞，导致新型复合路基失效，保障路基具有长期稳定的通风冷却效应。

Description

一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基及其施工方法

技术领域

本发明涉及路基结构工程技术领域，具体涉及一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基及其施工方法。

技术背景

多年冻土是指冻结状态持续两年以上的土层，多年冻土中含有未冻水，其物理力学性质对温度的变化十分敏感。泛北极地区道路施工破坏或移走天然植被，地面植被被路基取代。这种地表变化改变了地表能量平衡，使得热量更容易传导到地下；公路铺设路面采用沥青路面，沥青路面对太阳辐射的吸收能力极强，增加了传导至地下的热量，加剧多年冻土退化速度。因此，泛北极地区道路路基极易受到多年冻土层融化的影响。此外，在泛北极多年冻土地区，例如加拿大多伦多、美国阿拉斯加州、俄罗斯西伯利亚、挪威奥斯陆以及我国东北等地区，冬季降雪量较大，堆积在路基上的积雪产生的保温作用减少了冬季的热交换。夏季，积雪层可以反射太阳辐射以及融雪过程中的吸热作用可以降低温度。夏季路基吸热增加和冬季路基热量损失减少的综合效应最终导致多年冻土层加速融化。这些过程可能导致严重的道路下沉、结构破坏，并严重威胁到泛北极地区路基的长期稳定性。泛北极地区采用的主动冷却地基措施大部分为通风管道(空气对流管道、纵向涵洞、空气冷却管道)路基，但该措施受降雪影响较大，受风吹雪影响，降雪进入管道，减小管道的进风量或造成管道进风口堵塞，导致通风管道的冷却效应降低或路基失效。对于开放碎石护坡路基，降雪进入碎石路基中的孔隙降低孔隙率，削弱热对流与热交换效果。

基于上述情况，设计一种应用于泛北极多雪地区的新型复合路基及其配套施工方法，能够对泛北极多雪地区内的路基边坡下部土体进行通风冷却，降低土体温度，防止多年冻土退化；降低冬季积雪保温作用以及夏季积雪的吸热作用对路基下部永久冻土的影响；防止雪进入路基管道系统，造成堵塞，保障路基通风冷却效应的长期稳定性；在保障施工质量、施工速度的同时，减少对下部多年冻土层的扰动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基，能够降低冬季积雪保温作用以及夏季积雪的吸热作用对路基下部多年冻土的影响。能够对多年冻土区内的路基边坡下部土体进行通风冷却，降低土体温度，防止多年冻土退化。

本发明的目的在于提供一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基的防雨雪措施，防止雪进入路基管道系统，造成堵塞，导致新型复合路基失效，保障路基具有长期稳定的通风冷却效应。

本发明的另一目的在于提供一种适配于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工方法，在保障施工质量、工程效率的同时，减少对下部多年冻土的扰动，保障多年冻土层的稳定性。

本发明是采用以下的技术方案来实现的。

一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基，包括进风管道、通风管道、出风管道、防雨雪装置、透气帽和土工布以及碎石垫层，进风管道通过管道直接头与通风管道连接，防雨雪装置通过弯头管与进风管道相连，出风管道通过管道直接头与通风管道连接，透气帽与出风管道连接。通风管道、防雨雪装置设置于水平面上，进风管道、出风管道设置于垂直面上。通风管道埋设于路基边坡的下方，防雨雪装置设置于进风管道远离通风管道的一端，透气帽设置于出风管道远离通风管道的一端。出风管道与进风管道存在一定高差，以使环境空气在无风条件下受压差驱动依次穿过防雨雪装置、进风管道、通风管道、出风管道和透气帽。碎石垫层铺设于通风管道四周，土工布铺设于碎石垫层上方。

通风管道由混凝土材料制成，出风管道、进风管道、防雨雪装置和透气帽均由聚氯乙烯材料制成，出风管道、进风管道、防雨雪帽以及防雨雪装置均设置包裹有保温棉。使得防雨雪装置、进风管道、出风管道、透气帽具有硬质、耐风化和抗腐蚀的特性，保温棉能够对防雨雪装置、进风管道、出风管道和透气帽进行保温。

进风管道、出风管道的内径大于或者等于0.2m，进风管道、出风管道的管壁厚度大于或者等于0.01m。合理的进风管道、出风管道的管壁厚度能够保证管道强度以及热量传递的有效性，进一步地保证冷却效果。

通风管道采用透壁式通风管，既可以使低温的自然风通过管道运动降温，还因管壁透风，低温的冷空气可以透过管壁的孔眼传递到通风管周围的介质中，直接与其进行传导换热和对流换热，改变普通通风管单一的管壁传导换热模式，进一步地保障冷却效果。

防雨雪装置设置于进风管道远离通风管道的一端，防雨雪装置采用内部涂抹防冰雪涂料、设置具有一定坡度的聚氯乙烯板两个措施用于防止雨雪以及杂物进入进风管道造成堵塞。

透气帽设置于出风管道远离通风管道的一端，透气帽采用管身开孔，以及圆锥底面开孔两种方式使管中气体排出。透气帽上部采用圆锥型可以防止雨雪以及杂物堆积。

碎石垫层在寒季的导热系数是暖季导热系数的5-10倍甚至更多,碎石垫层孔隙率较大,可在其中自由流动或受迫流动。在寒季时,冷空气有较大密度,沿孔隙下渗,在自重和风的作用下使碎石间隙中的热空气上升,对流换热向下,较多的冷量传入地基中；在暖季,碎石表面受热后,对流换热向上,碎石中仍能维持较低温度,减小路基吸收的热量。

土工布是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合成材料。土工布用于分割夯实地基与碎石垫层，当水从夯实地基流入碎石垫层时，水会携带土颗粒进行流动，利用土工布的过滤作用有效地过滤土颗粒，防止土颗粒进入碎石垫层，造成堵塞，减小孔隙率，降低热交换和热传导效应。

碎石垫层具有较大的孔隙，通风管道采用透壁通风管，两者相互作用可以防止通风管道内部积水；积水冻结成冰可减小通风管道内径或造成通风管道堵塞，削弱复合路基通风冷却性能或导致新型复合路基失效。

一种适配于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工方法，用于对上述的用于泛北极多雪地区的新型复合路基进行施工，用于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工方法步骤：

步骤①依照路基设计宽度与设计深度，利用机械设备在天然地表处开挖沟槽，沟槽宽度大于或者等于路基设计宽度，开挖深度大于或等于路基设计深度，以便于路基铺设。在沟槽开挖完成之后，对沟槽进行修整处理；

步骤②在沟槽下侧铺设碎石垫层；

步骤③利用吊装设备缓慢将通风管道吊装至碎石垫层之中，并使通风管道位于水平面上；

步骤④回填碎石垫层，以固定通风管道的位置；

步骤⑤在通风管道的一端安装进风管道，使用管道直接头连接通风管道和进风管道，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将管道直接头、进风管道包裹；

步骤⑥在通风管道远离进风管道一端安装出风管道，使用管道直接头连接通风管道和出风管道，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将管道直接头、出风管道包裹；

步骤⑦在碎石垫层上铺设一层土工布，确保其覆盖住碎石垫层；

步骤⑧分层填筑夯实路基，形成路基边坡。在此过程中，防止泥土等杂物通过进风管道、出风管道进入通风管道内部；

步骤⑨在进风管道远离通风管道一端安装防雨雪装置，使用弯头管连接防雨雪装置和进风管道，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将防雨雪装置、弯头管包裹；

步骤⑩在出风管道远离通风管道一端安装透气帽，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料。以此完成用于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工。

附图说明

图1为本发明用于泛北极多雪地区的新型复合路基的结构示意图；

图2为本发明用于泛北极多雪地区的新型复合路基中1-1截面的防雨雪装置的剖面图；

图标说明：①—防雨雪装置；②—进风管道；③—碎石垫层：④—夯实路基；⑤—透气帽；⑥—土工布；⑦—出风管道；⑧—通风管道；⑨—管道直接头；→—空气的流动方向。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案、实施方式更加清楚，下面将结合本发明中的附图1、图2，对本发明实施例中的技术方案、实施方式进行完整地描述。

用于泛北极多雪地区的新型复合路基包括进风管道②、出风管道⑦、通风管道⑧、防雨雪装置①、透气帽⑤、碎石垫层③和土工布⑥。进风管道②通过通风管道⑧与出风管道⑦连接。通风管道⑧设置于水平面上，进风管道②和出风管道⑦均沿竖直方向设置，通风管道⑧埋设于路基边坡的下方。进风管道②远离通风管道⑧的一端高于出风管道⑦远离通风管道⑧的一端，以使得环境空气在无风条件下受压差作用依次穿过防雨雪装置①、进风管道②、通风管道⑧、出风管道⑦和透气帽⑤，环境空气在流动过程中降低通风管道⑧周围土体的温度，从而实现对路基边坡下部土体的通风冷却功能，防止冻土退化。

本实施例中，防雨雪装置①安装于进风管道远离通风管道的一端，防雨雪装置①用于防止雨雪以及杂物进入进风管道②造成堵塞，从而保证用于泛北极多雪地区的新型复合路基的可靠性。

本实施例中，透气帽⑤安装于出风管道⑦远离通风管道⑧的一端，透气帽⑤用于防止雨雪以及杂物进入出风管道⑦造成堵塞，从而进一步保证用于泛北极多雪地区的新型复合路基的可靠性。

本实施例中，碎石垫层③铺设于通风管道⑧四周，碎石垫层③用于与通风管道⑧共同进行传导换热和对流换热效应，从而使用于泛北极多雪地区的新型复合路基具有较强冷却效应。

本实施例中，土工布⑥设置于碎石垫层③上方，土工布⑥用于防止夯实路基土壤中的细颗粒进入碎石垫层③，降低碎石垫层③的孔隙率，削弱泛北极多雪地区的新型复合路基的冷却效应，保障用于泛北极多雪地区的新型复合路基的可靠性。

本实施例中，碎石垫层③与通风管道⑧二者相互作用，防止通风管道⑧内部积水；积水冻结后造成通风管道⑧内径减小，降低新型复合路基的通风冷却效应；保障用于北极多雪地区的新型复合路基通风冷却效应的长期稳定性。

本实施例中，通风管道⑧弯曲部分的弯曲角度为90°，通风管道⑧弯曲部分的弯曲半径大于或者等于通风管道⑧的直径的两倍，减小通风管道⑧弯曲部分对环境空气流动产生的阻力，提升环境空气流通速率，从而提高通风冷却效果。

本实施例中，通风管道⑧的内径大于或者等于0.4m，通风管道⑧的管壁开孔直径大于或者等于0.005m，合理的通风管道⑧的管壁开孔直径能够保证管道强度以及与碎石垫层③传导换热和对流换热的速率，进一步地提高冷却效果。

本实施例中，出风管道⑦、进风管道②、防雨雪装置①的内径大于或者等于0.2m，合理的管道的内径能够保证环境空气的流量以及流动效率。出风管道⑦、进风管道②、防雨雪装置①的管壁厚度大于或者等于0.01m，合理的管壁厚度能够保证管道强度以及热量传递的有效性。

碎石垫层③铺设于地面下0.5m-1m的位置，通风管道⑧铺设于地面下0m-0.5m的位置，以对路基边坡下部土体进行通风冷却，土工布⑥铺设于地面下0m的位置。防雨雪装置①的进风口与地面之间的高度差大于当地积雪的最大厚度，透气帽⑤与地面之间的高度差大于当地积雪的最大厚度，以防止积雪覆盖并挡住防雨雪装置①或透气帽⑤。进风管道②与出风管道⑦的高差为0.5m-0.8m。

本发明实施例还提供了一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基施工方法，在保障施工质量、工程效率的同时，减少对下部多年冻土的扰动，保障多年冻土层的稳定性，所述用于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工步骤包括：

步骤①依照路基设计宽度以及路基设计深度，利用机械设备在天然地表处开挖沟槽，沟槽宽度2m-2.5m，开挖深度0.5m-1.2m，以便于路基的铺设。在沟槽开挖完成之后，对沟槽进行修整处理；

说明1：在步骤①之前，根据所修筑的实际路基结构，设计通风管道⑧、进风管道②、出风管道⑦、防雨雪装置①、透气帽⑤、管道直接头⑨和弯头管的结构尺寸，并进行生产加工。

步骤②在沟槽下侧铺设碎石垫层③；

步骤③利用吊装设备缓慢将通风管道⑧吊装至碎石垫层③之中，并使通风管道⑧位于水平面上；

步骤④回填碎石垫层③，以固定通风管道⑧的位置；

说明2：步骤④中回填碎石垫层③时应防止碎石从通风管道⑧两端进入通风管道⑧内部造成堵塞；通风管道⑧的管身弯曲设计可使的后续施工步骤更加便利，加快施工速度。

步骤⑤在通风管道⑧的一端安装进风管道②，使用管道直接头⑨连接通风管道⑧和进风管道②，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将管道直接头⑨、进风管道②包裹；

步骤⑥在通风管道⑧远离进风管道②一端安装出风管道⑦，使用管道直接头⑨连接通风管道⑧和出风管道⑦，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将管道直接头⑨、出风管道⑦包裹；步骤⑦在碎石垫层③上铺设一层土工布⑥，确保其覆盖住碎石垫层③；

步骤⑧分层填筑夯实路基，形成路基边坡。在此过程中，防止泥土等杂物通过进风管道②、出风管道⑦进入通风管道⑧内部；

步骤⑨在进风管道②远离通风管道⑧一端安装防雨雪装置①，使用弯头管连接防雨雪装置①和进风管道②，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将防雨雪装置①、弯头管包裹；

步骤⑩在出风管道⑦远离通风管道⑧一端安装透气帽⑤，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料。以完成用于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工；

以上为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，包括进风管道、通风管道、出风管道、防雨雪装置、透气帽和土工布以及碎石垫层；

进风管道、出风管道通过管道直接头与通风管道连接；通风管道、防雨雪装置设置于水平面上，进风管道、出风管道设置于垂直面上。

2.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，出风管道与进风管道存在一定高差，以使环境空气在无风条件下受压差驱动依次穿过防雨雪装置、进风管道、通风管道、出风管道和透气帽。

3.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，通风管道由混凝土材料制成，出风管道、进风管道、防雨雪装置和透气帽由聚氯乙烯材料制成，出风管道、进风管道、防雨雪帽以及防雨雪装置均包裹有保温棉。

4.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，用于泛北极多雪地区的新型复合路基包括通风管道，通风管道埋设于路基边坡的下方，采用透壁式通风管；通风管道为U形构造。

5.根据权利要求4的用于泛北极多雪地区的新型复合路基的通风管道，其特征在于，通风管道弯曲处的弯曲角度为90°，弯曲半径大于或者等于通风管道的直径的两倍。

6.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，用于泛北极多雪地区的新型复合路基还包括防雨雪装置，防雨雪装置通过与进风管道相连，防雨雪装置设置于进风管道远离通风管道的一端，防雨雪装置用于防止雨雪以及杂物进入进风管道。

7.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，用于泛北极多雪地区的新型复合路基还包括透气帽，透气帽与出风管道连接，透气帽设置于出风管道远离通风管道的一端，透气帽用于防止雨雪以及杂物进入出风管道，并将环境空气排出。

8.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，用于泛北极多雪地区的新型复合路基还包括碎石垫层，碎石垫层铺设于通风管道四周。

9.根据权利要求1的用于泛北极多雪地区的新型复合路基，其特征在于，用于泛北极多雪地区的新型复合路基还包括土工布，土工布铺设于碎石垫层上方。

10.一种用于泛北极多雪地区的新型复合路基施工方法，其特征在于，用于对如权利要求1至9任一项所述的用于泛北极多雪地区的新型复合路基进行施工，所述用于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工步骤包括：

步骤①依照路基设计宽度与设计深度，利用机械设备在天然地表处开挖沟槽，沟槽宽度大于或者等于路基设计宽度，开挖深度大于或等于路基设计深度，以便于路基铺设。在沟槽开挖完成之后，对沟槽进行修整处理；

步骤②在沟槽下侧铺设碎石垫层；

步骤③利用吊装设备缓慢将通风管道吊装至碎石垫层之中，并使通风管道位于水平面上；

步骤④回填碎石垫层，以固定通风管道的位置；

步骤⑤在通风管道的一端安装进风管道，使用管道直接头连接通风管道和进风管道，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将管道直接头、进风管道包裹；

步骤⑥在通风管道远离进风管道一端安装出风管道，使用管道直接头连接通风管道和出风管道，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将管道直接头、出风管道包裹；

步骤⑦在碎石垫层上铺设一层土工布，确保其覆盖住碎石垫层；

步骤⑧分层填筑夯实路基，形成路基边坡；在此过程中，防止泥土等杂物通过进风管道、出风管道进入通风管道内部；

步骤⑨在进风管道远离通风管道一端安装防雨雪装置，使用弯头管连接防雨雪装置和进风管道，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料，并用保温棉将防雨雪装置、弯头管包裹；

步骤⑩在出风管道远离通风管道一端安装透气帽，确保连接处稳定后，在接口处刷上一层防水材料；以此完成用于泛北极多雪地区的新型复合路基的施工。

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