複合通風聚冷路基的製作方法

2023-05-11 04:31:46

專利名稱：複合通風聚冷路基的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種道路的結構，尤其是一種複合通風聚冷路基。其可有效地降低路基下部凍土溫度，抬升凍土上限，提高凍土路基的穩定性。
背景技術：
青藏高原凍土區，由於反覆的凍融作用，在多年凍土區產生了許多特殊的自然地質現象，如凍脹、融沉、凍拔、凍融分選等，它們對工程產生極大的影響。統計研究表明，多年凍土區主要的工程病害來自融沉和凍脹。目前，正在修建中的青藏鐵路(格爾木至拉薩段)是世界上海拔最高、裡程最長的高原鐵路，穿越多年凍土區約為632公裡，其中高溫凍土區為76％，高含冰量凍土區為59％。由於凍土中大量厚層地下冰的存在決定了其特殊而複雜的工程特性。在全球變暖和人類活動造成凍土退化的雙重影響下，凍土融化或升溫後承載力將大大地降低，嚴重影響道路路基的穩定性，這就為高溫、高含冰量凍土地區道路的修建與維護帶來極大的挑戰。因此，解決好凍土問題成為確保路基多年穩定、保證道路安全運營的關鍵。
為了解決好凍土問題，美國科學家Douglas J.Goering(Goering D J.Passively Cooled Railway Embankments for Use in Permafrost Areas[J].Journalof Cold Regions Engineering，2003，17(3)119-133)提出了一種完全以塊(碎)石堆積的路基結構形式。該措施利用了多孔介質的自然對流降溫效應對其下部土體進行降溫，但由於鬆散的塊(碎)石體整體性很差，力學穩定性很難保證，在機車等外力作用下容易變形，甚至坍塌。我國在青藏鐵路建設中採取了一種在塊(碎)石層頂部填加一定厚度土層的路基結構形式，該結構形式可以確保路基的整體穩定，但由於路堤上部土層的影響不僅減少了塊(碎)石層與空氣的接觸面積，而且造成了塊(碎)石層頂底溫差變小，從而導致塊(碎)石層內自然對流效應變弱，甚至消失，不能有效地將外界冷能傳到路堤下部的凍土中。因此，在高溫凍土區要想單獨利用現有的這些技術來實現對下部凍土的保護，確保路基穩定是相當困難的。

發明內容
在全球氣候變暖的大背景下，為實現在青藏高原多年凍土(尤其高溫多年凍土)區對路堤下多年凍土的保護，確保路基的穩定，本發明提供一種複合通風聚冷路基。其根據青藏高原四季溫差大、氣溫通常比地表溫度低的氣候特徵，利用多孔介質的自然對流降溫效應，通過混凝土板中的通風孔來降低塊(碎)石層的上表面溫度，增大塊(碎)石層頂部和底部溫差，加強自然對流降溫效應，實現對下部凍土溫度的降低，抬升多年凍土上限，提高凍土路基的多年穩定性。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種複合通風聚冷路基，是在壓實的天然地表上置有填築壓密的砂礫石墊層，砂礫石墊層上部填加有貫通的水平塊(碎)石層，在水平塊(碎)石層的上部鋪設帶有縱向貫通的通風孔的混凝土板，通風孔垂直於路基走向；混凝土板上部有壓密夯實的路堤填土。
水平塊(碎)石層厚度為1.0～3.0m，塊(碎)石粒徑為10～30cm，砂礫石墊層厚度≤0.5m。
混凝土板由混凝土和鋼筋鑄模而成。通風孔形狀可為圓形、或半圓、或方形、或三角形。
這種複合通風聚冷路基工作原理為多孔介質的自然對流降溫效應。其工作過程可描述為當冬季外界氣溫較低時，通過混凝土板的通風孔來實現路堤內部與外界低溫氣流進行熱交換，從而降低塊(碎)石層上表面溫度，增大塊(碎)石層頂部和底部表面溫差，塊(碎)石層中出現上部溫度低於下部，空氣密度上大下小，在重力和浮升力的作用下，內部有空氣自然對流發生，空氣的流動將外部冷量帶入路基中，同時下部較輕空氣的上浮流動也會把路基中大量的熱量帶出，實現對路堤填土及下部天然土層的降溫作用；當夏季外界溫度較高時，混凝土板的通風孔雖然同樣會造成塊(碎)石層上表面溫度的升高，但此時塊(碎)石層內上部溫度高於下部，空氣密度上小下大，空氣處於相對靜止狀態，無對流發生。由於空氣的導熱係數很小，從而能夠阻隔來自塊(碎)石層項部的熱量。本發明利用了通風孔來加強塊(碎)石層的自然對流降溫效應，有效降低其下部凍土溫度，提高凍土上限，防止凍土路基凍脹和融沉的發生。
多孔介質中的這種熱對流方式為非穩態的非等溫滲流，其滲流控制方程可表述為如下的連續性方程、動量方程和能量方程連續性方程vxx+vyy=0]]>動量方程px=-ukvx-aB|v|vxpy=-ukvy-aB|v|vy-ag]]>能量方程Ce*Tt=x(e*Tx)+y(e*Ty)-caa((vxT)x+(vyT)y)]]>式中vx、vy分別為空氣在x和y方向上的速度分量，|v|=vx2+vy2,]]>B為非達西流的Beta因子，k為多孔介質的滲透率，μ為空氣的動力粘度，ρa為空氣密度，p為空氣壓強，T為溫度，t為時間，ca為空氣的定壓比熱，Ce*是介質等效體積熱容，λe*為等效導熱係數。
採用以上控制方程，通過有限元的方法，對該複合通風聚冷路基的溫度場進行數值模擬仿真計算，計算結果表明本發明具有良好的降溫效果，可使其下部多年凍土處於較低的溫度狀態；在同等條件下，本複合通風聚冷路基與現有塊(碎)石層頂部填加一定厚度土層的路基相比，可使其下部多年凍土溫度多降低1.5～2.0℃，並且其力學穩定性遠遠好於現有的由塊(碎)石堆積的路基。
室內試驗研究結果也同樣表明了本複合通風聚冷路基具有良好的冷卻降溫作用。試驗在特製的大型保溫模型箱(尺寸8.0×1.84×2.7m.)中進行，箱中環境溫度按照正弦函數T＝1.0+12sin(2πt/360+π/2)進行控制，式中T為環境溫度(℃)，t為時間(h)，風速為2.5m/s。試驗分為無混凝土板和有通風孔混凝土板兩種情況。圖3顯示了無混凝土板和有通風孔混凝土板兩種情況下試驗模型中塊(碎)石層底部溫度過程線。圖3中曲線A表示環境控溫曲線、B表示無混凝土板情況、C表示有通風孔混凝土板情況。從圖3中可以看出在等同的試驗條件下，有通風孔混凝土板的塊(碎)石層底部溫度明顯低於無混凝土板的塊(碎)石層底部溫度。並且，在最後一個試驗周期，有通風孔混凝土板的塊(碎)石層底部最高溫度已低於0℃，平均溫度為-1.7℃，比環境平均溫度(1.0℃)低2.7℃，比無混凝土板情況(-0.1℃)低1.6℃。
以上數值仿真和室內試驗結果均表明本發明具有良好的冷卻降溫作用，可使其下部多年凍土溫度降低，使其處於較高的穩定狀態，確保凍土路基的多年穩定。
本發明的優點與產生的有益效果是1、本發明由於塊(碎)石層頂部通風孔混凝土板的存在，充分利用了多孔介質的自然對流降溫效應，在冬季可最大限度地將熱量散出，夏季又可阻隔熱量向路基內傳遞，實現對路基下部凍土的降溫作用，使其處在較低的溫度狀態，提升凍土上限，解決由於季節活動層在凍融過程中產生的凍脹與融沉給路基所帶來的破壞；2、本發明無需任何外部動力設施，無汙染，保護生態環境。並且，塊(碎)石取材方便，混凝土板可在工廠加工完成後運往現場直接鋪設，對凍土不會產生大的人為擾動，可滿足高溫、高含冰量凍土地區工程穩定性的特殊要求；3、本發明結構簡單，主要材料為塊(碎)石、混凝土和鋼筋，成本低，易於施工與維護，降溫效果和工程穩定性好，具有較好的應用推廣前景。尤其在高溫、高含冰量的多年凍土區，它和旱橋一樣可以確保道路的穩定和安全，但其造價僅為旱橋的40～50％。


圖1是複合通風聚冷路基橫向剖面示意2是複合通風聚冷路基縱向剖面示意3為無混凝土板和有通風孔混凝土板兩種情況下試驗模型中塊(碎)石層底部溫度過程線
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。
參照附圖1～2，一種利用天然冷能的複合通風聚冷路基，首先將天然地表6壓實，然後填築厚度0.3m砂礫石墊層4，壓密；砂礫石墊層4上部填加貫通的水平塊(碎)石層3，厚度為1.5m，塊(碎)石粒徑為10～30cm，頂部以粒徑較小的碎石找平，然後在水平塊(碎)石層3上部鋪設帶縱向貫通的通風孔2的混凝土板1，板間接縫灌漿，增加混凝土板1的整體性和防止上部填土下漏，在混凝土板1上部再填加路堤填土5，並壓密夯實。
當冬季外界氣溫較低時，通過混凝土板1的通風孔2實現路堤內部與外界低溫氣流進行快速熱交換，降低塊(碎)石層3上表面溫度，增大塊(碎)石層3頂部和底部表面溫差(上部溫度低於下部)，加大其內部空氣自然對流強度，增強路基的整體導熱性，從而加大了路堤自身及其下部土層熱量的散失；當夏季外界溫度較高時，塊(碎)石層3內上部溫度高於下部，空氣處於相對靜止狀態，無對流發生。另外，由於空氣的導熱係數很小，從而能夠阻隔來自塊(碎)石層頂部的熱量。因此，實現了這種複合通風聚冷路基在寒季帶走熱量、輸入冷量，而在暖季阻隔熱量侵入的工效，達到了積累冷量，保護凍土的目的。
權利要求
1.一種複合通風聚冷路基，其特徵是在壓實的天然地表(6)上置有填築壓密的砂礫石墊層(4)，砂礫石墊層(4)上部填加有貫通的水平塊(碎)石層(3)，在水平塊(碎)石層(3)的上部鋪設帶有縱向貫通的通風孔(2)的混凝土板(1)，通風孔(2)垂直於路基走向；混凝土板(1)上部有壓密夯實的路堤填土(5)。
2.根據權利要求1所述的一種複合通風聚冷路基，其特徵是水平塊(碎)石層(3)厚度為1.0～3.0m，塊(碎)石粒徑為10～30cm，砂礫石墊層(4)厚度≤0.5m。
3.根據權利要求1所述的一種複合通風聚冷路基，其特徵是通風孔(2)形狀可為圓形、或半圓、或方形、或三角形。
4.根據權利要求1所述的一種複合通風聚冷路基，其特徵是混凝土板(1)是由混凝土和鋼筋鑄模而成。
全文摘要
本發明涉及一種複合通風聚冷路基，其結構特徵是在壓實的天然地表上置有填築壓密的砂礫石墊層，砂礫石墊層上部填加有貫通的水平塊(碎)石層，在水平塊(碎)石層的上部鋪設帶有縱向貫通的通風孔的混凝土板，通風孔垂直於路基走向；混凝土板上部有壓密夯實的路堤填土。本發明將塊(碎)石層與通風孔混凝土板相結合，充分利用了通風孔能夠與外界空氣進行快速熱交換的功能和塊(碎)石層自然對流降溫效應，在冬季可最大限度地將熱量散出，夏季又可阻隔熱量向路基內傳遞，實現對路基下部凍土的降溫作用，使其處在較低的溫度狀態，提升凍土上限，解決由於季節活動層在凍融過程中產生的凍脹與融沉給路基所帶來的破壞，確保凍土路基的多年穩定。
文檔編號E02D27/32GK1730822SQ20051004315
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月23日 優先權日2005年8月23日
發明者張明義, 賴遠明, 馬小傑, 張淑娟 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所