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Abstract

一种利用天然冷能的U型聚冷路基，其结构是在路堤深度处置有贯通的水平块(碎)石层，其上部覆盖土工布，土工布上部再填筑厚度≥0.5m路堤填土，夯实，再将块(碎)石护坡填加于路堤两侧且与水平块(碎)石层连通，呈U型，水平块(碎)石层下部座落在与天然地表接触且压密的砂砾石垫层上。本U型路基结构充分利用多孔介质的自然对流降温效应，通过夏季阻隔热量向路基内传递，冬季加强热量的散出，达到冬季放热量远大于夏季的吸热量，实现对路基下部冻土的降温作用，从而提高路基的稳定性，确保寒区道路的畅通，解决高温、高含冰量冻土地区工程稳定性的特殊要求。

Description

一种利用天然冷能的U型聚冷路基
技术领域：
本发明涉及一种道路的构造，尤其是一种利用天然冷能的U型聚冷路基。这种U型结构利用多孔介质的自然对流降温效应，将自然冷能输送到路堤下部及其下伏冻土中，可有效保护其下部的多年冻土，维持冻土路基的多年稳定。
背景技术：
我国多年冻土面积约占国土面积的22.4％，居世界第三位。目前青藏铁路、青藏公路、青康公路、大小兴安岭等地的道路均有相当长的路段通过多年冻土区。由于冻土中大量厚层地下冰的存在决定了其特殊而复杂的工程特性，在多年冻土区影响道路稳定的主要因素是由于冻土升温、地下冰融化导致的融沉。由于全球变暖和道路兴建造成冻土退化的双重影响，尤其为高温、高含冰量冻土地区道路的修建与维护带来极大的挑战。因此，解决好冻土问题成为确保路基多年稳定、保证道路安全运营的关键。
为了解决好冻土问题，美国科学家Douglas J.Goering(Goering D J.Passively cooled railway embankments for use in permafrost areas[J].Journal ofCold Regions Engineering，2003，17(3)：119～133)提出了一种完全以块(碎)石堆积而成的路基结构形式。该措施利用了多孔介质的自然对流降温效应对其下部土体进行降温，但由于松散的块(碎)石体整体性很差，力学稳定性很难保证在机车等外力作用下容易变形，甚至坍塌。我国在青藏铁路建设中采取了一种在块(碎)石层顶部添加一定厚度土层的水平块(碎)石路基，该结构形式可以确保路基的整体稳定，但由于路堤上部填土的影响不仅减少了块(碎)石层与空气的接触面积，而且造成了块(碎)石层顶底温差变小，大大减弱了块(碎)石层的对流降温效应，在高温多年冻土区确保路基的稳定存在一定问题。孙志忠等在《厚层地下冰段路桥涵关键技术的研究阶段成果报告(北麓河)之子报告：碎石及抛片石护坡保温试验工程研究报告，2003.》中研究了青藏铁路北麓河试验段块(碎)石护坡路基的降温效果，同时指出：块(碎)石护坡路基对路基坡脚处冻土起到较好的冷却降温作用，但路基中部土体温度仍处于相对较高状态，这种温度场的不均衡容易造成路基的不均匀变形，引起道路的纵向开裂，影响交通安全。
发明内容：
为在全球气候变暖的大背景下，在高温冻土区实现对路基下部冻土的保护，保证路基长期稳定，本发明提供一种利用天然冷能的U型聚冷路基。其充分结合块(碎)石护坡路基和水平块(碎)石路基的优点，利用多孔介质的自然对流降温效应，通过块(碎)石护坡与水平块(碎)石层相连接，形成U型结构，将天然冷能有效地传至路堤及其下部土体中，从而使路堤下部冻土温度整体降低，提高路基的整体稳定性，确保道路的行车安全。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种利用天然冷能的U型聚冷路基，是在路堤深度处置有贯通的水平块(碎)石层，其上部覆盖土工布，土工布上部再填筑厚度≥0.5m路堤填土，夯实，再将块(碎)石护坡填加于路堤两侧且与水平块(碎)石层连通，呈U型，水平块(碎)石层下部座落在与天然地表接触且压密的砂砾石垫层上。
砂砾石垫层厚度0～0.5m，块(碎)石粒径为10～30cm，水平块(碎)石层铅直方向厚度为1.0～2.0m，两侧块(碎)石护坡水平厚度为0.5～2.5m。
这种U型聚冷路基的工作原理为多孔介质的自然对流降温效应，其过程可描述为：当冬季外界气温较低，块(碎)石护坡和水平块(碎)石层内出现上部温度低于下部，空气密度上大下小，在重力的作用下块(碎)石层内的空气就会有自然对流发生，空气的流动将外部冷量携带至块(碎)石护坡底部，部分传给其下部土层，部分通过水平块(碎)石层中空气的流动传至路堤中部，并且下部较轻的热空气的上浮流动也会把路基中大量的热量带出，从而实现对路堤自身及其下部土层的降温作用；当夏季外界温度较高时，造成块(碎)石护坡和水平块(碎)石层内出现上部温度高于下部，空气密度上小下大，空气处于相对静止状态，无对流发生，由于空气的导热系数很小，接近于绝热，阻隔了外界热量的侵入。从而实现了这种路堤结构在寒季的散热量远大于暖季的吸热量，达到了对下部土体降温，保护冻土的目的。
多孔介质中的这种热对流方式为非稳态的非等温渗流，其渗流控制方程可表述为如下的连续性方程、动量方程和能量方程：
连续性方程：
∂ v x ∂ x + ∂ v y ∂ y = 0
动量方程：
∂ p ∂ x = - u k v x - ρ a B | v | v x ∂ p ∂ y = - u k v y - ρ a B | v | v y - ρ a g
能量方程：
C e * ∂ T ∂ t = ∂ ∂ x ( λ e * ∂ T ∂ x ) + ∂ ∂ y ( λ e * ∂ T ∂ y ) - c a ρ ( ∂ ( v x T ) ∂ x + ( ∂ v y T ) ∂ y )
式中：vx、vy分别为空气在x和y方向上的速度分量， | v | = v x 2 + v y 2 , B为非达西流的Beta因子，k为多孔介质的渗透率，μ为空气的动力粘度，ρa为空气密度，p为空气压强，T为温度，t为时间，ca为空气的定压比热，Ce *是介质等效体积热容，λe *为等效导热系数。
以上控制方程采用有限元的方法进行求解，可获得路基在修筑完成后任意时刻的温度场。通过这种数值模拟仿真的方法我们对水平块(碎)石路基、块(碎)石护坡路基和U型聚冷路基三种路基结构在修筑完成后的温度场进行了对比分析。图2～4分别为水平块(碎)石路基、块(碎)石护坡路基和U型聚冷路基在修筑完成25年后10月30日模拟地温等值线图。考虑到路基为左右对称，故只选取其一半作为研究对象。从图2～4中可以看出：U型聚冷路基降温效果最好，路基下部出现了-1.4℃等温线，其次是水平块(碎)石路基，路基下部有-1.0℃等温线生成，最差的是块(碎)石护坡路基，-0.8℃等温线在路基坡脚处略有抬升，但在路基中心处明显下移，并且-0.9℃等温线在路基中心处已经消失，这是冻土升温的明显表现。通过以上等温线图对比分析，我们得出以下结论：本U型聚冷路基利用其自然对流降温效应可积极有效地降低其下部冻土温度，提高路基稳定性。
本发明的优点与产生的有益效果：
1、本U型聚冷路基结构充分利用多孔介质的自然对流降温效应，通过夏季阻隔热量向路基内传递，冬季加强热量的散出，实现对路基下部土体的降温作用，从而提高冻土路基的稳定性，确保寒区道路的畅通，解决高温、高含冰量冻土地区工程稳定性的特殊要求；
2、本路基结构可使路基下部土体温度降低，冻土上限提升，避免了由于季节活动层在冻融过程中产生的冻胀与融沉给路基所带来的破坏；
3、本发明结构简单，主要材料为块(碎)石，取材方便，成本低，降温效果好，易于施工与维护，无需任何外部动力设施，具有较好的应用推广前景。尤其在高温、高含冰量的多年冻土区，它和旱桥一样可以确保道路的稳定和安全，但其造价仅为旱桥的40～50％。
附图说明：
图1是本发明断面示意图
图2是水平块(碎)石路基在修筑完成25年后10月30日模拟地温等值线图
图3是块(碎)石护坡路基在修筑完成25年后10月30日模拟地温等值线图
图4是U型聚冷路基在修筑完成25年后10月30日模拟地温等值线图
图5是水平块(碎)石路基、块(碎)石护坡路基和U型聚冷路基中心线在2003年7月30日地温比照示意图
图6是水平块(碎)石路基、块(碎)石护坡路基和U型聚冷路基中心线在2004年1月30日地温比照示意图
具体实施方式：
以下结合附图，将对本发明再做进一步的说明。
参照附图1，一种利用天然冷能的U型聚冷路基，首先将天然地表6压实，然后填筑0.3m厚砂砾石垫层3，并压密；砂砾石垫层3上部填加贯通的水平块(碎)石层2，粒径为10～30cm，铅直方向厚度为1.5m，然后上部覆盖土工布4，在土工布4上部再填加路堤填土5，并压密夯实，土工布4的作用是防止路堤填土5进入水平块(碎)石层2；最后将块(碎)石护坡1填加于路堤两侧，水平厚度为1.6m，粒径为10～30cm，块(碎)石护坡与水平块(碎)石层相连通，呈U型结构。
当外界气温较低，块(碎)石护坡和水平块(碎)石层内出现上部温度低于下部，内部空气就会有自然对流发生，空气的流动增强了路基的整体导热性，从而加大了路堤自身及其下部土层热量的散失；当外界温度较高时，造成块(碎)石护坡和水平块(碎)石层内出现上部温度高于下部，空气处于相对静止状态，无对流发生，阻隔了外界热量的侵入。从而实现了这种U型聚冷路基在冬季放热量远大于夏季的吸热量，达到对路堤下部冻土的降温作用，提高路基稳定性的目的。
野外试验
图5为水平块(碎)石路基、块(碎)石护坡路基和U型聚冷路基中心线在2003年7月30日地温比照示意图。图6是水平块(碎)石路基、块(碎)石护坡路基和U型聚冷路基中心线在2004年1月30日地温比照示意图。图中纵坐标为路基纵向深度轴，0刻度以上为天然地面以上路堤部分，0刻度以下为天然地面以下天然土层部分；横坐标为温度值。下面对三种路基结构形式下部地温进行对比分析，图5所示：在2003年7月30日时，深度为0m刻度处：水平块(碎)石路基地温为-1.5℃，块(碎)石护坡路基为-0.1℃，U型聚冷路基为-2.2℃；深度为2m刻度处：水平块(碎)石路基为-1.6℃，块(碎)石护坡路基为-0.3℃，U型聚冷路基为-2.3℃；深度为5m刻度处：水平块(碎)石路基为-1.3℃，块(碎)石护坡路基为-0.8℃，U型聚冷路基为-1.9℃深度为10m刻度处：水平块(碎)石路基为-1.1℃，块(碎)石护坡路基为-1.0℃，U型聚冷路基为-1.5℃。图6所示：2004年1月30日，深度为0m刻度处：水平块(碎)石路基为-0.2℃，块(碎)石护坡路基为0.1℃，U型聚冷路基为-0.8℃；深度为2m刻度处：水平块(碎)石路基为-0.7℃，块(碎)石护坡路基为-0.1℃，U型聚冷路基为-1.2℃；深度为5m刻度处：水平块(碎)石路基为-1.2℃，块(碎)石护坡路基为-0.6℃，U型聚冷路基为-1.6℃；深度为10m刻度处：水平块(碎)石路基为-1.4℃，块(碎)石护坡路基为-0.9℃，U型聚冷路基为-1.6℃。从以上数据对比来看：本U型聚冷路基降温效果最好，在路堤以下0～10m范围内地温始终保持最低，在同等深度处，与水平块碎石路基最大差值为0.7℃，与块(碎)石护坡路基最大差值可达2.1℃。另外，从图5、图6中也可看出：本U型聚冷路基结构将冻上上限(0℃)终年维持在原天然地面以上，消除了原天然活动层在冻融循环中产生的冻胀和融沉对路基的破坏。因此本发明可有效降低其下部多年冻土温度，使其处于较高的稳定状态，确保冻土路基的多年稳定。

Claims (2)

1、一种利用天然冷能的U型聚冷路基，其特征是在路堤深度处，置有贯通的水平块(碎)石层(2)，其上部覆盖土工布(4)，土工布(4)上部再填筑厚度≥0.5m路堤填土(5)，夯实，再将块(碎)石护坡(1)填加于路堤两侧且与水平块(碎)石层(2)连通，呈U型，水平块(碎)石层(2)下部座落在与天然地表(6)接触且压密的砂砾石垫层(3)上。
2、根据权利要求1所述的一种利用天然冷能的U型聚冷路基，其特征是砂砾石垫层(3)厚度0～0.5m，块(碎)石粒径为10～30cm，水平块(碎)石层(2)铅直方向厚度为1.0～2.0m，两侧块(碎)石护坡(1)水平厚度为0.5～2.5m。
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