CN107201708A - 一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，包括上部路堤填土、下部路堤填土及布设于所述上部路堤填土与所述下部路堤填土之间且垂直于道路走向的通风管，其特征在于：所述通风管的一端或两端安装风门；相邻所述通风管之间铺设空心块层，且该通风管及所述空心块上铺设有块碎石层；所述块碎石层上设有土工布，该土工布上铺设所述上部路堤填土。本发明可以有效达到高等级公路路基整体、均匀降温的关键技术指标，从而显著提升路基的降温效能，提高路基稳定性，对于减小路面可能的波浪起伏和裂缝发育具有显著优势。

Description

一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基。

背景技术

冻土是温度不高于0℃的含有冰的岩土体，按冻结期的长短可以分为瞬时冻土、季节冻土和多年冻土。随着经济、社会的发展，多年冻土区的工程建设逐渐增多，尤其是道路工程。道路工程的建设将显著改变下伏多年冻土的热状态，导致冻土温度升高、承载力降低，进而可能引起路基的沉降。因此，冻土问题已经成为了多年冻土区道路工程建设成功与否的关键问题。

在青藏铁路的研究中，为了确保路基的长期稳定性，研究人员提出了主动冷却路基的思路，并以该思路为核心开展了大量的主动冷却路基结构研究，并发现部分路基结构对于提高路基稳定性具有良好的应用效果。然而，在高温高含冰量冻土区，目前已有路基结构均存在降温效能不足的问题。同时，公路的沥青路面吸热强度显著高于铁路路面，相关研究表明，在多年冻土区，沥青路面强烈的吸热作用会引起下部多年冻土的持续退化，以及多年冻土上限下降、高含冰量冻土融化等，进而引起公路路基的沉降、塌陷等一系列的工程问题，在未来气候持续变暖的条件下该问题将更为突出。

目前，青藏高速公路的建设已经提上日程，由于高速公路的路面宽度相比青藏公路有了大幅增加，路基吸热强度也将成倍增加。为了保证青藏高速公路修筑后的稳定性，高温高含冰量冻土区路段必须采用合理的主动冷却调控措施。然而，由于路堤幅面大幅度增大，导致目前已有调控措施的应用效果将进一步降低。为此，研究人员尝试对已有的调控措施进行组合，以期提高工程措施的调控效能，但是由于设计结构的不足，难以满足工程实际需要。如：《一种透壁通风管-块碎石降温隔热复合路基在宽幅道路中的应用》（赖远明，董元宏，张明义：中国，201010133544.7[P]. 2010.09.01）提出了一种透壁通风管-块碎石复合路基，将透壁通风管置于块碎石层之上，其在冷季的降温效率不足；而在暖季，该种结构的透壁孔将大量热量传入块石层，降低了块石层的蓄冷效果。《复合温控通风路基》（俞祁浩，程国栋，牛富俊等：中国，200410002135.8[P]. 2004.12.22）提出了一种自动温控通风管-保温板复合路基结构，但该结构中通风管降温过程具有显著的不均匀性，对控制路基的不均匀沉降是不利的。《强化通风隔热路基》（李国玉，李宁，牛富俊等：中国，200710017288[P]. 2007.08.08）提出了一种自控透壁通风管-块碎石-保温材料的强化通风隔热路基，但该结构中通风管下的垫层较薄，通风管口在冷季易被雪和风沙等填堵，导致冷季降温大幅降低；另外，碎块石层在暖季会起到良好的隔热作用，其上部放置的保温材料对于增强路基的隔热效果意义较小，但却显著降低了路基冷季的降温效果；此外，虽然透壁通风管已经在部分工程中得到了试验，但并未有文献表明该措施相比普通通风管具有显著优势，而该措施却会引起工程造价的大幅提高。

此外，目前在冻土工程中常用的热管措施在道路工程中的应用也存在问题。由于该措施的降温过程具有显著的不均匀性，已有应用经验表明该措施在道路工程的应用已引起路基裂缝的发育，如图1~2为典型的热管作用下裂缝的发育情况（热管路基发育的裂缝（俞祁浩，樊凯，钱进，郭磊，游艳辉，我国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究，中国科学: 技术科学， 2014，44（4）: 425 ~ 432））。基于高速公路对于路基的沉降量及裂缝的严格要求，该类公路对于路基的整体、均匀降温具有特殊的要求。因此，目前已有的方法尚无法满足冻土区高速公路的建设要求，需要寻求更为高效、合理的冻土路基保护措施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效降低冻土地温、提高冻土稳定性的适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基。

为解决上述问题，本发明所述的一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，包括上部路堤填土、下部路堤填土及布设于所述上部路堤填土与所述下部路堤填土之间且垂直于道路走向的通风管，其特征在于：所述通风管的一端或两端安装风门；相邻所述通风管之间铺设空心块层，且该通风管及所述空心块上铺设有块碎石层；所述块碎石层上设有土工布，该土工布上铺设所述上部路堤填土。

所述通风管的管径为30~60cm，管壁厚度为3~6cm，管中心距离天然地表表面高度为0.5~2.0m。

相邻所述通风管的间距为所述通风管管径的1~3倍。

所述空心块层的厚度与所述通风管直径相一致，空心块由边长6~30cm、壁厚2~6cm的混凝土预制空心的立方体或长方体构成。

所述块碎石层的粒径为10~40cm、铺设厚度为1~2m。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、创新工程措施调控机制。

首先是路堤内的层面联动、降温机制。在冷季降温过程中，通风管管间空心块层内的大孔隙率使得通风管间对流换热效应大幅增强，有效形成通风管——空心块层面联动、降温机制，是实现路基整体、均匀降温的根本机制；其次是自我平衡机制。在暖季，由于路基阴坡、阳坡太阳辐射和坡面温度的不同，会引起路堤横剖面内，路基左、右两侧地温一定的差异性，由于块石层及空心块的大空隙条件的存在，可以在路堤横断面的块石、空心块层内，在路堤左、右侧不同部位之间产生一定的对流换热过程，由此平衡路堤的地温差异，产生路基的地温自我平衡机制；最后，本发明为路基的蓄冷机制。在升温过程中，由于温度自动感应、控制风门的及时关闭，通风管内、空心块及块石层中垂向对流换热过程的停止，导热性能大幅降低，有效储存路基内部冬季聚集的冷能，由此循环有效达到不断降低冻土温度的目的。

2、有效解决高等级公路路基整体、均匀调控地温的关键技术难题。

首先，由于上述层面联动、降温机制的形成，由此造成降温过程的路堤整体层面的同步、均匀降温，并形成0℃地温等值线、整体地温场的平整、对称的有利形态。其次，在上述自我平衡机制下，有效缓解暖季路基地温差异性，进一步保证地温场均匀性。由此，通过两者的综合，有效解决高等级公路整体、均匀地温调控的难题。

3、显著提升路基的降温效能。

正是由于本发明上述降温、平衡、蓄冷三重机制的存在、叠加，在有效保证路基整体、均匀降温的同时，也使得降温效能大幅提高。

4、有效增加路基稳定性。

虽然已有措施在很大程度有效降低路基的地温，但随着季节的变化和路基在一定深度范围内发生的冻融过程，不可避免会造成在一定程度上出现路基冻胀、融沉，并对路基稳定性造成一定的影响。由于块石层属于柔性、自我应力平衡基础，本发明铺设的块石层可以在很大程度缓解冻融作用导致的不利影响。因此，本发明的块石层具有调温、调变形双重作用。由此，大幅降低路基潜在次生路基工程病害的发生概率，提高路基的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为典型的热管作用下裂缝的发育情况a。

图2为典型的热管作用下裂缝的发育情况b。

图3为本发明的横断面图。

图4为本发明的纵断面图。

图5为使用本发明后通风管位置路基横剖面冻土上限和其他两种措施的对比。

图6为使用本发明后路基中心位置纵剖面冻土上限和其他两种措施的对比。

图中：1—通风管 2—风门 3—块碎石层 4—空心块层 5—土工布 6—上部路堤填土 7—下部路堤填土 8—天然地表。

具体实施方式

如图3、图4所示，一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，包括上部路堤填土6、下部路堤填土7及布设于上部路堤填土6与下部路堤填土7之间且垂直于道路走向的通风管1。通风管1的一端或两端安装风门2；相邻通风管1之间铺设空心块层4，且该通风管1及空心块层4上铺设有块碎石层3；块碎石层3上设有土工布5，该土工布5上铺设上部路堤填土6。

其中：通风管1的管径为30~60cm，管壁厚度为3~6cm，管中心距离天然地表8表面高度为0.5~2.0m。

相邻通风管1的间距为通风管1管径的1~3倍。

空心块层4的厚度与通风管1直径相一致，空心块由边长6~30cm、壁厚2~6cm的混凝土预制空心的立方体或长方体构成。

块碎石层3的粒径为10~40cm、铺设厚度为1~2m。

本发明工作机理：

在冷季，通风管1自控风门2自动打开，外界冷空气进入通风管1，快速降低周围路堤土体温度，路基内热量大量释放；同时，由于管壁温度非常低，且周围空心块层4内空隙较大，因而在空心块层4内形成强烈的对流换热作用下，增大管间土体的降温幅度，提高路基降温过程的整体性。在暖季，通风管1自控风门2自动关闭，阻止外界热量进入管内，大幅减小路基的吸热量；同时，由于温度上高下低的特性，块碎石层3及空心块内不存在对流换热作用，其自身的热传导性能较差，因而在暖季起到阻止热量向路基传递的作用，块碎石层3顶部土工布5的应用可以保证层内空隙在较长时间段内不发生显著降低，保证路基这种单向导热性能的长期有效性。

本发明具体应用实例1：

⑴在夯实的天然地表8填筑下部路堤填土7并夯实，填土高出原天然地表0.5~2.0m。

⑵在夯实的下部路堤填土7上布设垂直于道路走向的预制的带自控风门2的通风管1，通风管1直径为30~60cm，管壁厚度为3~6cm，管间距为管径的1~3倍。

⑶在通风管1之间随意堆放预制的混凝土空心块，混凝土空心块为立方体或长方体，边长为6~30cm，壁厚为2~6cm。

⑷在通风管1及空心块层4上部堆放块碎石层3，块碎石粒径为10~40cm，碎块石层厚度1~2m，然后进行振动密实。

⑸在块碎石层3上布设一层土工布5，然后填筑上部路堤填土6并夯实。

为了验证本发明的应用效能，并与已有技术的应用效能进行对比，进行了不同工程措施应用效能的数值模拟分析，并对计算得到的不同工况下的冻土上限分布进行了对比，如图5~6。其中图5表示通风管中心位置横剖面上的冻土上限分布，图6表示路基中心位置纵剖面上的冻土上限分布，图中“已有技术1”为申请号为200710017288的技术，“已有技术2”为申请号为201010133544.7的技术。可以看到，本发明相对目前已有技术具有显著应用优势，能够大幅降低冻土天然地表温度，并保证降温过程的整体性、均匀性。其中：

①效能提高方面：

相比目前已有的两种相近技术，本发明在冷季的降温效率大幅提高，暖季的隔热性能也有所增强，因此，本发明的使用使得路基的年际降温效能相比目前已有技术显著提高。图5为路基通风管位置横剖面上冻土上限（即0℃等温线）分布，由图中可以看到，目前已有两种相近技术仅仅能够抬升路中至阴坡下部冻土上限，且抬升幅度有限；而在阳坡附近，路基下部冻土上限位置甚至低于天然冻土上限，阴阳坡效应显著。本发明可以大幅提高路基的降温效率，阴坡冻土上限相对其他两种技术有小幅抬升。同时，本发明可以显著抬升阳坡下部的冻土上限，使得0℃等温线到达天然地表附近且沿路基横剖面基本保持水平，在很大程度上消除了路基的阴阳坡效应。

②降温整体性方面：

图6为路基中心位置纵剖面上冻土上限（即0℃等温线）分布，由图中可以看到，本发明的应用使得冻土上限位置相对目前已有技术有了显著抬升，且其更为显著的优点在于：管下及管间冻土上限位置相差很小，路基降温过程的整体性非常显著，而其它技术，尤其是已有技术1中冻土上限埋深沿路基走向的起伏较大，路基降温的整体性很差。

由于冻土的力学强度受到温度的影响显著，温度升高甚至融化会引起冻土力学强度的大幅降低。因此，若通风管间土体冻土上限埋深大于管下土体，管间土体的力学强度会显著降低，同时，该位置可能形成汇水区域，在上部车辆动荷载长期作用下可能会引起路面的波浪起伏、裂缝的发育、甚至是道路翻浆。由于高速公路对路面平整度和裂缝均有严格要求，因此目前已有技术无法满足未来高速公路的建设需求。本发明的应用增强了路基在冷季的降温幅度，大幅提升了路基降温的整体性；同时，路基在暖季的隔热性能得到增强。通过本发明的使用，不但可以有效提高路基的降温效率，还能够大幅提高路基温度场的整体性、均匀性，对于减小路面可能的波浪起伏和裂缝发育具有显著优势。

Claims (5)

1.一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，包括上部路堤填土（6）、下部路堤填土（7）及布设于所述上部路堤填土（6）与所述下部路堤填土（7）之间且垂直于道路走向的通风管（1），其特征在于：所述通风管（1）的一端或两端安装风门（2）；相邻所述通风管（1）之间铺设空心块层（4），且该通风管（1）及所述空心块层（4）上铺设有块碎石层（3）；所述块碎石层（3）上设有土工布（5），该土工布（5）上铺设所述上部路堤填土（6）。

2.如权利要求1所述的一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，其特征在于：所述通风管（1）的管径为30~60cm，管壁厚度为3~6cm，管中心距离天然地表（8）表面高度为0.5~2.0m。

3.如权利要求1所述的一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，其特征在于：相邻所述通风管（1）的间距为所述通风管（1）管径的1~3倍。

4.如权利要求1所述的一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，其特征在于：所述空心块层（4）的厚度与所述通风管（1）直径相一致，空心块由边长6~30cm、壁厚2~6cm的混凝土预制空心的立方体或长方体构成。

5.如权利要求1所述的一种适用于冻土区道路工程的复合蓄冷路基，其特征在于：所述块碎石层（3）的粒径为10~40cm、铺设厚度为1~2m。