一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬幅道路中的應用的製作方法

2023-07-25 03:20:31 2

專利名稱：一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬幅道路中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種路基結構形式，尤其是一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合 路基的結構形式，它可有效地降低高等級公路路基下部凍土溫度，抬升凍土上限，確保凍土 路基的長期穩定性。
背景技術：
凍土是指具有負溫和含冰的土體和巖石，按生存時間主要分為多年凍土和季節凍 土。我國多年凍土面積約佔國土面積的22.4%，是世界第三凍土大國。凍土中由於冰以及 未凍水的存在，其性質極其複雜且對溫度極為敏感。道路工程施工以及全球變暖都會引起 凍土的升溫，給路基帶來融沉病害，嚴重危害多年凍土區道路的穩定性。在多年凍土區修建道路工程，一個至為關鍵的問題是在全球變暖的大背景下，如 何維護多年凍土區道路路基的穩定性。為解決好凍土問題，確保多年凍土區道路的安全穩 定，相關科研人員提出了主動冷卻地基，保護凍土的總思路，並依據這一思路設計出了一系 列降溫措施。塊碎石層作為其中較為高效的一種已被應用於青藏鐵路工程中。該措施利用 寒季下高上低的邊界溫差驅動的自然對流效應來發揮降低凍土溫度和保護凍土的作用。青藏鐵路的建成及順利通車運行帶來了良好的經濟社會效益。為了促進西藏地 區經濟社會的進一步發展，加快青藏高原和周邊地區的經濟建設，在西藏地區修建高等級 公路已進入國家規劃。現有的多年凍土區路基型式大部分適用於路基幅面較窄、路面形 式採用吸熱量較小的砂礫路面等情況。寬幅高等級道路的路基幅面寬度增大，且採用吸 熱量較大的浙青路面。相關研究指出，在相同氣溫條件下，寬幅高等級公路所採用的浙青 路面的溫度比普通公路所採用的砂礫路面及鐵路路面高出2 3°C，這將更容易造成路面 的下陷、坍塌。基於上述考慮，亟需尋求新的措施來保護多年凍土區寬幅高等級道路的下 伏多年凍土，確保寒區道路的穩定和暢通。如果在寬幅高等級道路中使用塊碎石層，那麼 塊碎石層變寬，它內部，尤其中部的自然對流降溫作用將被削弱，難以保證有效的降溫作 用。如果在寬幅高等級道路中使用通風管，那麼通風管長度大大增加，其內部的空氣流動 減緩，將削弱其降溫效果的發揮，且無法阻止熱量通過通風管之間的路基填土傳入下部凍 土。加上全球變暖的影響，塊碎石層、通風管等現有單一措施的冷卻降溫效率將不足以降 低寬幅高等級道路路基及下伏土體的溫度。如果將這些工程措施應用於寬幅高等級道路， 路基穩定性將難以得到保證。為使現有的凍土保護技術能夠應用於寬幅高等級道路，就需 要對它們進行強化或者優化組合。李國玉等(李國玉，李寧，牛富俊，等.強化通風隔熱路 基中國，200710017288. 3[P]. 2007-08-08.)提出了一種強化通風隔熱路基，將塊碎石層 置於透壁通風管之上，置於塊碎石層之下的透壁通風管在冷季降低了塊碎石層下邊界的溫 度，削弱了塊碎石層的自然對流降溫效應；而在暖季透壁通風管又會將外界較熱的空氣帶 入路基，增加吸熱量，所以這種路基不利於大幅增加路基的淨放熱量，難以發揮高效的降 溫作用。張明義等(張明義，賴遠明，董元宏.通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基中國，200520079311. 8[P], 2006-11-08.)對此做了改進，通過在塊碎石層頂部鋪設縱向通風的混 凝土板來加強塊碎石層的對流降溫效應。但是，較厚的混凝土板一定程度上阻礙了冷季外 界冷空氣與塊碎石層頂部發生熱量交換，不利於快速充分地利用外界冷能。因此，我們需要 尋求新的高效的適用於多年凍土區寬幅高等級道路的凍土保護措施。

發明內容
為了有效降低多年凍土區高等級道路路基的溫度，維護路基的長期穩定，本發明 的目的在於提供一種透壁通風管_塊碎石層降溫隔熱複合路基。該路基結構通過對透壁通 風管和塊碎石層的降溫作用進行優化組合，相互取長補短，降低高等級道路路基下部凍土 溫度，抬升多年凍土上限，確保寬幅高等級道路路基的多年穩定。本發明的另一目的旨在提供一種透壁通風管_塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬 幅道路中的應用。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種透壁通風管_塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬幅道路中的應用，由透壁通風 管、塊碎石層、土工布、保溫層和路基填土構成。在夯實的天然地表上鋪築塊碎石層；帶透壁 孔眼的透壁通風管沿路基橫向埋入塊碎石層的頂部；透壁通風管的外徑為30 80cm，管壁 厚度為2 10cm，管壁上透壁孔眼的孔徑為3 10cm，開孔率為10% 40%，管與管間淨 間距為1 5倍的管外徑，塊碎石層上鋪設土工布，塊碎石層的厚度為< 3. 0m，塊碎石層的 粒徑為IOcm 50cm，在土工布上面依次鋪設保溫層和鋪築路提填土。本發明的優點與產生的有益效果是1、降溫效果十分明顯。本發明專利通過將透壁通風管和塊碎石層的降溫作用進行 優化加強，相互取長補短；再與保溫層的隔熱保溫特性相結合，充分發揮各自的優點，實現 冷季大量吸入冷能的同時，有效限制暖季的吸熱量，大幅提高了路基在一個凍融周期內的 淨放熱量，從而更加有效地降低路基下伏凍土的溫度。因此，這種路基可提升多年凍土的人 為上限，保護路基下的多年凍土，避免凍脹和融沉發生，取得很好的效果。2、便於施工。塊碎石可就近取材，透壁通風管可預製後直接運往現場安裝。路基 鋪築工序簡單，施工簡便。3、本發明專利無需任何外部動力設施，無汙染，保護生態環境。塊碎石取材方便， 成本低廉；透壁通風管可預製，易於施工和維護，對凍土不會產生大的人為擾動，可滿足高 溫、高含冰量多年凍土地區工程穩定性的特殊要求。4、在應用範圍方面，它可以直接應用於高溫凍土區、鋪設黑色路面的寬幅高等級 道路工程中。在相同的試驗條件下進行了對比試驗即增設透壁通風管的塊石層路基和增 設了普通通風管的塊石層路基相比，增設了透壁通風管的路基比增設普通通風管的路基溫 度低1 2°C，從而產生穩定可靠的工程效果。


圖1是本發明橫斷面圖。圖2是本發明縱斷面圖。圖3是最低氣溫時普通通風管_塊石層複合路基中間斷面的等溫線圖。
圖4是最低氣溫時透壁通風管_塊石層複合路基中間斷面的等溫線圖。圖5是兩組複合路基中心線底部溫度隨時間的變化曲線，其中a曲線為透壁通風 管_塊石層複合路基，b曲線為普通通風管_塊石層複合路基。圖6是兩組複合路基底部填土中心處的周期平均溫度曲線，其中c曲線為透壁通 風管_塊石層複合路基，d曲線為普通通風管_塊石層複合路基。
具體實施例方式下面結合附圖，將對本發明再做進一步的說明。實施例1參照附圖1，一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬幅道路中的應用。 路提填土的頂寬為23. 0m。路基由透壁通風管1、塊碎石層2、土工布3、保溫層4和路基填 土 5構成；在夯實的天然地表6上鋪築塊碎石層2 ；帶透壁孔眼7的透壁通風管1沿路基橫 向埋入塊碎石層2的頂部。透壁通風管1的外徑為50cm，管壁厚度為5cm，管壁上透壁孔眼 7的孔徑為10cm，開孔率為20%，管與管間淨間距為150cm，塊碎石層2的厚度為1. 2m,塊碎 石層的粒徑為IOcm 30cm，在塊碎石層2上鋪設土工布3，再在土工布上面依次鋪設EPS 保溫層4和鋪築路提填土 5。其工作過程可描述為在冷季，青藏高原風速較大，外界較冷的空氣流經通風管 時，一方面通過通風管管壁的熱傳導；更為主要的一方面，空氣可經通風管管壁上的透壁孔 眼直接進入塊碎石層的頂部。這二者的共同結果是快速有效地降低了塊碎石層頂部的溫 度。而相關研究已經表明，決定塊碎石層內自然對流強度的一個主要因素就是其上下邊界 的溫差。可見，降低塊碎石層頂部的溫度有助於提高其上下邊界的溫差，增加其內空氣密度 梯度，從而加強其內部的自然對流強度。直接結果是加強了塊碎石層的降溫效果，向路基及 下伏凍土輸入了大量「冷能」。在暖季，由於此時青藏高原的風速較小，透壁通風管內的空氣 流動微弱；而塊碎石層內空氣溫度上部高於下部，空氣密度上部小於下部，因此塊碎石層內 部無自然對流產生，內部空氣基本處於靜止狀態。儘管外界的熱量依然會經由透壁通風管 進入路基。但是塊碎石層內導熱係數很小的空氣能夠阻隔外界熱量的侵入；此外，保溫層也 能夠阻隔外部熱量從路基頂面傳入路基內部。綜合上述，在一個凍融周期內，這種路基在冷 季大量吸入「冷能」，而在暖季的吸熱量很小，因而有著較高的淨放熱量，能夠實現降低下部 土體溫度，平衡溫度場，保護多年凍土的目的。為驗證透壁通風管_塊碎石層降溫隔熱複合路基應用於寬幅高等級道路的有效 性，本發明專利在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室模型試 驗廳內進行了模型試驗。試驗路基模型的幾何尺寸為實際路基的1/15。模型試驗的路提填 土的頂寬為2. Om。路基由透壁通風管、塊碎石層、土工布、保溫層和路基填土構成；在夯實 的填土上鋪築塊碎石層；帶透壁孔眼的透壁通風管沿路基橫向埋入塊碎石層的頂部。透壁 通風管的外徑為10cm，管壁厚度為0. Icm,管壁上透壁孔眼的孔徑為2cm，開孔率為20%，管 與管間淨間距為30cm，塊碎石層的厚度為1. 2m，塊碎石層的粒徑為IOcm 30cm，在塊碎石 層上鋪設土工布，再在土工布上面依次鋪設EPS保溫層和鋪築路提填土。普通通風管-塊石層降溫隔熱複合路基模型的尺寸數據與透壁通風管-塊碎石層 降溫隔熱複合路基相同。
試驗中的一個凍融周期為實際凍融周期的1/24。試驗裝置由試驗箱、溫度控制系統、通風系統和數據採集系統組成。試驗箱尺寸 為8. OOmXl. 84mX 2. 70m，箱體由冷庫保溫板組成；溫度控制系統由SANYO雙頭壓縮機組、 電腦溫控器、氟利昂液體循環管道、蒸發器及溫度傳感器組成；通風系統由冷風扇、加速風 扇、風速調節裝置、回流風道等組成；數據採集系統由溫度傳感器、DT500數採儀和計算機 組成。試驗模型箱內的空氣平均溫度為-4. 0°C，氣溫周期較差為24°C，試驗模型箱內的 風速為2. 80m/s,並設置浴霸燈泡來模擬太陽輻射，模型試驗共進行了 0 2 π、2 π 4 π、 4JI ~ 631 ,631 ~ 831 ,831 10 Ji等共5個周期，一個周期為15天。在相同的試驗條件下，本發明——透壁通風管-塊石層降溫隔熱複合路基與普通 通風管_塊石層降溫隔熱複合路基進行了對比試驗。試驗結果如圖3 圖5所示。圖3和圖4分別是最低氣溫時兩組複合路基中間斷面的等溫線圖。從圖3和圖4 中可以看出，最低氣溫時，兩組路基內均產生自然對流，如圖中箭頭所示。但對流強度有所 不同，圖4內等溫線彎曲程度較圖3的彎曲程度大，它表明在最低氣溫時，透壁通風管-塊 石層複合路基自然對流強度較普通通風管-塊石層複合路基明顯的要強。以圖中-7.0°C等 溫線為例，在普通通風管複合路基內，它尚處在路基中上部位置；而在透壁通風管複合路基 內，則下降到了路基中下部。由此可以看出，由於透壁通風管的作用，塊石層上邊界處的溫 度被大幅降低，增加了塊石層上下溫差，因此大幅增強了塊石層內部的自然對流強度。圖5為兩組複合路基中心線底部溫度隨時間的變化曲線。由圖5可以看出透壁通 風管-塊石層複合路基的a曲線相對於普通通風管-塊石層複合路基的b曲線的優越降 溫效果。從試驗開始起，透壁通風管-塊石層複合路基的a曲線的溫度始終低於普通通風 管-塊石層複合路基的b曲線，且透壁通風管-塊石層複合路基的a曲線的降溫速率高於 普通通風管-塊石層複合路基的b曲線。a、b曲線的最大溫差達6.43°C。可見，透壁通風 管_塊石層複合路基的a曲線的降溫效果遠優於普通通風管_塊石層複合路基的b曲線。圖6為兩組複合路基底部填土中心處的周期平均溫度曲線。由圖6可以更為明 顯地看出透壁通風管_塊石層複合路基的c曲線相對於普通通風管_塊石層複合路基的d 曲線的優越降溫效果。第1個試驗周期時，透壁通風管-塊石層複合路基的c曲線的周期 平均溫度已降至-0. 240C ；而普通通風管-塊石層複合路基的d曲線的周期平均溫度已達 3.02°C。第2個試驗周期時，透壁通風管-塊石層複合路基的c曲線的周期平均溫度已降 至-3. 530C ；而普通通風管-塊石層複合路基的d曲線的周期平均溫度高達-0. 300C。第5 個試驗周期時，透壁通風管_塊石層複合路基的c曲線的周期平均溫度為-4. 05°C，比普通 通風管_塊石層複合路基的d曲線的-1. 36°C低2. 69°C。以上對比試驗的結果充分表明了透壁通風管具有對塊石層內自然對流的顯著加強作用，以及透壁通風管_塊石層複合路基的相對於普通通風管_塊石層複合路基的顯著 降溫效果。試驗證實了透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基應用於寬幅道路中，能高 效地降低自身及下伏凍土溫度、確保凍土路基的長期穩定性將產生良好效果。
權利要求
一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基，是由透壁通風管(1)、塊碎石層(2)、土工布(3)、保溫層(4)和路基填土(5)構成；其特徵是在夯實的天然地表(6)上鋪築塊碎石層(2)；帶透壁孔眼(7)的透壁通風管(1)沿路基橫向埋入塊碎石層(2)的頂部；透壁通風管(1)的外徑為30～80cm，管壁厚度為2～10cm，孔眼(7)的孔徑為3～10cm，開孔率為10％～40％，管與管間淨間距為1～5倍的管外徑，塊碎石層上鋪設土工布(3)，塊碎石層(2)的厚度為≤3.0m，塊碎石層的粒徑為10cm～50cm，在土工布上面依次鋪設保溫層(4)和鋪築路堤填土(5)。
2.權利要求1所述的一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬幅道路中的應用。
全文摘要
本發明公開一種透壁通風管-塊碎石層降溫隔熱複合路基在寬幅道路中的應用。路基結構是由透壁通風管、塊碎石層、土工布、保溫層和路基填土構成，塊碎石層鋪築在夯實的天然地表上；在塊碎石層頂部埋入透壁通風管；然後在塊碎石層上依次鋪設土工布，保溫層與路基填土。本發明利用透壁通風管來降低塊石層頂部的溫度，增加塊石層上下邊界的溫差，加強塊碎石層在冷季的自然對流，提高了路基冷季的冷能吸入量，並結合保溫層的隔熱保溫特性，有效控制了暖季的吸熱量，大幅提高了一個凍融周期內路基的淨放熱量，從而實現對寬幅高等級道路路基下伏土體溫度的降低，平衡溫度場，提升凍土上限，並且滿足高溫多年凍土區寬幅高等級道路路基穩定性的特殊要求。
文檔編號E01C3/06GK101818471SQ20101013354
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者張明義, 董元宏, 賴遠明 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所