CN1556284A - 复合温控通风路基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在多年冻土地区进行铁路、公路和工程建筑建设中，有效地保护道路路基和建筑物基础下部多年冻土，提高工程建筑稳定性的一种模式。其结构特征为通风管垂直于路基走向并埋设路堤填土一定深度的位置处，其端部安装自动温控通风装置，保温材料设置在通风路基通风管之间/或整个通风管的上部，填土石覆盖夯实。通过自动温控通风装置控制路基内部土体仅与外界的低温气流进行热量交换；设置在通风管之间或上部的保温材料可以阻隔外界热量侵入；有效保护其下部的多年冻土，使路基在多年冻土的稳定性维持在较高的水平上；有效地避免季节活动层的冻融循环所带来的冻胀、融沉对路基稳定性的影响，这种新型路基充分利用自然冷能，确保多年冻土区的工程建筑的稳定性，解决了多年冻土区建设中的问题。

Description

复合温控通风路基

技术领域

本发明涉及在多年冻土地区进行铁路、公路和工程建筑建设中，有效地保护道路路基和建筑物基础下部多年冻土，提高工程建筑稳定性的一种模式。

背景技术

土的冻结和融化作用塑造出独特的冷生现象和自然景观，人类活动积极地参与了这一作用，在这独特的环境下造就了协同发展着的脆弱生态环境，这个特殊的寒冷环境被称为冻土环境。由于冻土所含有的厚层地下冰处于脆弱的热平衡状态，人类工程活动极易诱发厚层地下冰的融化和冻土环境发生变化，对工程建筑的稳定性产生重要的影响。我国兴建的青藏铁路、青藏公路工程项目以及将要进行的新藏公路、新藏铁路、南水北调西线工程都面临高温(即温度接近0℃的多年冻土)、高含冰量冻土(即体积含冰量基本超过30％的多年冻土)、气候转暖和多年冻土不断退化等诸多难题。如何解决好路基和基础与多年冻土的相互作用，保证路基和基础长期年稳定、确保工程建筑安全运营也就成为亟待解决的关键科学问题。

脆弱寒区冻土、生态环境与人类积极的工程活动之间的突出矛盾一直困扰着该类地区工程建设的顺利进行。为此，世界各冻土大国的科学家为寻找有效、工程施工便利，造价低、不污染环境的工程措施一直进行着不懈的努力。俄罗斯科学家J F Nixon(Geothermal aspects of ventilated pad design.Proceedings of the Third International conference on Permafrost.1978，Edmonton，Alberta，Canada：841～846)进行了管通通风制冷系统的实验研究。盛煜、张鲁新、杨成松等在“保温处理措施在多年冻土区道路工程中的应用”(冰川冻土，2002，24(5)：618-622)中报道了保护多年冻土的工程措施是在路基内加铺一层保温材料。美国阿拉斯加交通科学报道的新式保护多年冻土的措施是将发卡热管与保温材料的组合放置于路堤的上部(见图7)。该措施主要特点是利用热管在保温材料下部温度高于上部温度时开始工作，将下部热量传递到上部，在相反温度条件下则停止工作，阻止热量的下传，总体效果起到单向导热的“热二极管”的作用。但由于热管埋置于路堤内部，一旦热管中的工质发生泄漏，所导致热管效能的丧失将无法修复。我国科学工作者立足国情，围绕青藏铁路国家重大工程项目，将已往在冻土区路基基础等常用的以增加热阻为手段的消极的保护冻土原则，改变为以“冷却路基”为手段的积极的保护多年冻土原则，利用环境温度变化的特征，调控路堤与外界的热量传递与交换，达到和增强多年冻土地温场的热平衡，从而对工程建筑物的稳定提供可靠的保证。申请的国家自然科学基金项目，中国科学院“西部之光——冻土工程中保护冻土温控关键技术研究”，中国科学院知识创新工程的重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”着重就上述问题开展了专题研究，在研究中完成了“自动温控通风装置”和“液压式自动温控通风装置”的专利申请(申请号：03114640.6、03114641.4)。野外实施情况见图4、图5。

发明内容

本发明的目的基于上述思路和开展的专题研究，旨在提供一种高效复合温控路基，即将带有自动温度控制系统的通风管和保温材料的组合铺设在路基中，通过自动温控系统控制路基内部土体仅与外界的低温气流进行热量交换；设置在通风管之间或上部的保温材料可以阻隔外界热量侵入，有效保存其下部的冷能，由此可以维持和增强多年冻土的热量平衡，或通过冷能的积累和地温场的不断降低使工程建筑的稳定性建立在较高的水平上；同时，也可有效避免季节活动的冻融循环所带来的冻胀、融沉对路基稳定性的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现

一种复合温控通风路基，是将带有自动温控通风装置的通风管、保温材料埋设在路堤填土一定深度的位置处，自动温控通风装置安装在通风管的端部，通风管垂直于路基走向，保温材料设置在通风管之间，或整个通风管的上部。

所谓的保温材料是指聚苯乙烯(EPS)、聚氨脂(PU)、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯(XPS)中的一种。

上述的自动温控通风装置有两种形式

1、记忆合金式自动温控装置

通过对记忆合金弹簧(SMS)与普通弹簧(GS)的结合，就可以在不同温度环境条件下进行不同的相互作用；即在高温AF温度环境下，SMS的弹性系数高于GS的弹性系数，SMS可以对GS完成推动作用；而在低于MF温度环境下，SMS的弹性系数低于GS的弹性系数，GS可以对SMS完成反向推动作用。AF、MF可以通过结合现场辐射条件、温度条件和室内试验，在加工和处理记忆合金弹簧的过程中完成设定。通过复合弹簧与风门轴杆的连接，可以完成不同温度条件下对风门开启或关闭的动作，从而达到控制气温的目的。

2、液压式自动温控装置

利用系统中的温度感应单元中的水体感应外界气温的变化。在外界气温低于0℃的时候，单元中的水体发生冻结，并产生9％的体积膨胀。单元中的水体在冻结膨胀后对对周围的液压油产生压力，在液压油压力的作用下，推动液压塞产生移动，并推动气流控制单元打开通风管中的风门进行通风降温；外界气温高于0℃的时候，温度感应单元中被冻结的冰体会发生融化，同时体积产生收缩，活塞在弹簧的作用下，回复到冻结前的位置，并关闭通风管中的风门，阻止热空气进入，起到保护路基内部冷能的作用。

图6显示了自控温控通风路基在青藏铁路试验段的实测地温资料。a～d分别表示自控路堤经历整个夏季4个典型时期路基中心地温状况。a中以虚线示意了路堤结构和高度，通风管所在的位置。纵坐标为从路堤顶表明起算的深度轴；横坐标为温度钻孔观测的地温值。由图可见，通风管以上土体的温度曲线斜率总体基本相同，即在土体导热系数基本不变的情况下，存在一个较为稳定的热流向下部土体传递热量。通过实测土体导热系数基本为1.1W/(m·K)，由热传导方程

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{\λA}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\δ}},$ 式中：Φ单位时间从表面1传导到表面2的热量；λ导热系数，W/(m·K)；A导热面积；Δt表面1与表面2温度的差值；δ厚度。取距离路堤顶面1～2m的地层，6～9月的端面温度平均值，单位面积热流，即热流密度为：

$\frac{\mathrm{\Φ}}{A}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\δ}}=1.1W/(m\·K)\×\frac{5.8-2.3}{1m}=3.85W/m^2$

为简化计算，自控部分使用液压温控装置，在整个暖季(气温高于0℃)关闭风门，通风管在关闭之后其中的空气的导热系数保持0.02W/(m·K)，现以最常用EPS保温材料导热系数0.03W/(m·K)计算，通风管之间铺设10cm的保温材料，维持保温材料上下端面3℃的温差(综合图3a和保温材料应用实测资料)，通过保温材料层面的热流密度约为：

$\frac{\mathrm{\Φ}}{A}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\δ}}=0.03W/(m\·K)\×\frac{2-(-1)}{0.1m}=0.9W/m^2$

由于暖季进入下部土体的热量需要靠冷季的放热加以消除，多余的放热用于土体温度的降低。由此可以计算出，降低1倍的热通量就可以提高整体2倍的降温功效。通过计算，通过通风路基中通风管层面的热通量，本发明热流密度为自控通风路基的23.4％，本发明的降温功效是自动温控通风路基的8.6倍。综合通风管在关闭状态下，通风管两侧外端面受辐射吸热引起的通风管内部自然对流换热，以及由于保温材料界面以下路堤填土在两侧热边界条件下的热传导的影响，以及通风管管壁热传导等其它次要因素的影响，以较为保守消减效能40～50％计算，本专利的降温功效将是自动温控通风路基的3～4倍。

本发明的优点和产生的有益效果是

1、安装在通风管端部的自动温控通风装置，具有容许相对低温气流的流动，而阻止高温气流流动的功能，即在环境气温低于0℃时，自动打开风门，通过通风管进行内部土体与外界气流的对流传热；当环境温度高于0℃时，关闭风门，阻止气流和上部土体热量传入，达到单向制冷作用，从而保护路基底部冻土的稳定性。经现场半年多的实践，该套装置在设定温度范围内自动完成规定动作，打开或关闭风门，动作准确，工作正常；

2、在通风管之间或整个上部铺设一层保温材料。从整个路基底部的降温效能来看，自控通风路基降温效能有很大的提高，在白天阻止了气流对路堤内部的直接加热作用，但在夏季路堤表面热边界条件作用下，由于路堤填土的导热系数数相对提高，依然有较为强烈的热流会通过通风管之间的土体向下部多年冻土传导，对其效能产生很大影响，本发明通过在通风管之间，或在通风管的上部铺设保温材料就可以极大削减这种热传导作用，实现放热量远远大于吸热量，提高了整体的降温效能；

3、本发明将自动温控通风路基与保温材料的有机结合，充分利用两者的突出优点，通过对自然界冷能的采用，储藏，达到对路基的最大降温效果，有效地解决脆弱寒区冻土与人类工程活动之间的突出矛盾，满足工程建筑在高温、高含冰量冻土区域工程稳定性的特殊要求；

4、在工程稳定性方面，由于本发明在青藏铁路工程中的实施，使工程建筑基础中冷能的不断积累，使多年冻土可以维持在一个较低、稳定的温度场中，有效避免常见的工程实施后地温的升温现象，以及由此而造成的路基沉降变形，使基础工程稳定性得以建立在较高的水平上。同时由于人为多年冻土上限的提高，避免了季节活动层的冻融循环所带来的冻胀、融沉对工程稳定性的影响；

5、本发明在满足路基下部多年冻土的温度场稳定要求的前提下，可以通过降低路堤高度和通风管与保温材料的合理布局，来减少总体工程的造价，缩短建设周期，参照青藏铁路建设的实际工程施工费用，该项发明的工程费用约为抛石路基的1/2-1/3，与青藏公路热棒试验段的工程措施费用基本持平，但本发明的降温效果明显优于前者。因此，从整个工程措施的投入产出来看，复合温控路基的造价要明显优于其它工程措施，强度高，工程稳定性好；

6、在应用范围方面，由于储冷作用机理，除了高含冰量多年冻土区，在高温多年冻土、岛状多年冻土等环境温度较高地区本发明的技术措施均可应用。

附图说明

图1是复合温控通风路基断面示意图

图2是图1自动温控通风装置

图3是图1保温材料设置在通风路基通风管之间示意图

图4是图1清晨自动温控风门处于开启并正在关闭状态示意图

图5是图1中午自动温控风门处于关团状态图

图6是不同日期自控与无自控管间中心钻孔温示对比示意图

图7是发卡式热管与保温材料组合的路基结构

具体实施方式

下面，结合附图，将对本发明再作进一步的说明

实施例1，一种复合温控通风路基，是由自动温控通风装置1(自制，已申请中国发明专利，申请号为03114640.6，03114641.4)、水泥通风管2、聚苯乙烯(EPS)板、土石组成。通风管2垂直于路基走向并埋设在路堤填土的下部，其端部安装自动温控通风装置1，聚苯乙烯(EPS)板设置在通风路基通风管2的上部，用土石覆盖夯实。

当外界气温低于0℃时，自动温控通风装置1的风门4自动张开，促使路堤和基础内部土体通过通风管2与外界冷空气进行对流换热；当外界气温高于0℃时，自动温控通风装置1的风门4自动闭合，阻止外界热量的传入。

在通风管上部铺设一层10cm聚苯乙烯(EPS)保温板，克服低温热量的放出，极大的削减路堤填土通过热传导对通风管2下部土体和多年冻土热量的传递。

通过自动温控装置1、通风管2和聚苯乙烯(EPS)保温板的有机结合，克服了低温热量的放出，高温热量的传入，极大地提高了路基的降温效能，实现了对冷能的采用、储藏，保证了多年冻土的稳定性，满足了青藏铁路路基在多年冻土稳定性的技术需求。

实施例2，将通风管2埋设在路堤填土一定深度的位置处，其端部安装自动温控通风装置1，注塑聚苯乙烯(XPS)保温板铺设在通风管之间，其隔热降温效果与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种复合温控通风路基，是由自动温控通风装置(1)、通风管(2)、保温材料(3)、土石组成，其特征在于通风管垂直于路基走向并埋设路堤填土一定深度的位置处，其端部安装自动温控透风装置(1)，保温材料(3)设置在透风路基透风管(2)之间/或整个通风管(2)的上部，用土石覆盖夯实。

2.根据权利要求书所述的一种复合温控透风路基，其特征在于所述的保温材料(3)至少为聚苯乙烯(EPS)、聚氨脂(PU)、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯(XPS)中的一种。

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