一種塊石層+通風煙囪寬幅路基結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于降低多年凍土溫度的散熱塊石層+通風煙囪寬幅路基結構。
【背景技術】
[0002]凍土是一種含冰的負溫地質體，按凍結持續時間可分為多年凍土和季節凍土，凍結時間在兩年或兩年以上的凍土稱為多年凍土。我國多年凍土面積約占國土面積的22.4%，是世界第三凍土大國。由于凍土中含有冰及未凍水，其性質復雜且對溫度極為敏感。人類工程活動以及全球變暖都會引起凍土升溫，導致多年凍土變化，給凍土區工程建設帶來很多困難。
[0003]隨著西部大開發戰略的不斷深入，青藏高速公路的修建顯得尤為必要，已進入國家相關部門的規劃。由于寬幅高等級公路的路面寬度明顯增大，且采用吸熱量較大的瀝青路面，從而導致現有的主動冷卻措施因吸熱面增加、路基內部換熱強度降低而受到極大的限制，因此，以往在青藏鐵路建設中的經驗以及運用成熟的降溫措施并不能直接適應于寬幅高等級公路的建設。基于這些考慮，亟需尋求新的措施來保護多年凍土區寬幅高等級公路的下覆多年凍土，確保寒區道路的穩定和暢通。如果在寬幅道路中使用塊碎石層，那么塊碎石層變寬，它內部，尤其中部的自然對流降溫作用將被削弱，難以保證路基有效的降溫效果。如果在寬幅高等級道路中使用通風管，那么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。寬幅高等級道路路基穩定性將難以得到保證。
[0004]為使現有的凍土保護技術能夠應用于寬幅高等級道路，就需要對它們進行強化或者優化組合。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.)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，較厚的混凝土板在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，不利于快速充分地利用外界冷能。喻文兵等(喻文兵，陳琳，郭明，易鑫.倒T型通風寬幅路基結構:中國，201310325965.3[P].2013-11-13)提出了一種倒T型通風寬幅路基結構，通過路基內部的水平通風管與豎向通風管的氣壓差，實現內外能量交換。但是該種措施造價較高，橫、豎向通風管安裝繁瑣，且風積沙容易堵塞通風管，造成其通風降溫能力下降。因此，必須尋求新的技術以適用于多年凍土區寬幅高等級公路的凍土保護。
【發明內容】
[0005]鑒于上述，本實用新型提供一種塊石層+通風煙囪的寬幅路基結構。通過在路基底部鋪設塊石層，路基中心部位安裝豎向通風煙囪，并且使煙囪底部貫通連接塊石層，煙囪頂部高出路基頂面，利用“煙囪效應”的“抽吸”作用，加快基底塊石層內的對流換熱速度，從而更快更多的帶走路基內的熱量，實現降低路基下部多年凍土的目的。
[0006]本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0007]一種塊石層+通風煙囪的寬幅路基，是由天然地基、塊石層、土工布、路基填土、煙囪組成。在壓實的天然地表上鋪設1.0-1.5m厚的塊石層，使塊石層在坡腳位置水平延伸1.0m寬，形成開放邊界，塊石粒徑控制在12-30cm，塊石強度為30-35MPa，空隙率為25%-30%;在塊石層上安裝豎向通風煙囪，使煙囪底部與塊石層貫通連接，煙囪垂直且高出路基頂部1.5-2.0m，煙囪口徑20-30cm ;塊石層上鋪設一層透水土工布，透水土工布上筑
1.0-3.0m厚路基填土。
[0008]本實用新型充分利用塊石層通風降溫效果，結合“煙囪效應”，一方面提高整個路基底部塊石層的對流換熱速度，另一方面又強化了路基中心部位的制冷。冷季，外界氣溫低于路基土體溫度時，路基煙囪內出現上部溫度低于下部，空氣密度上大下小，在重力和浮力的作用下，內部熱空氣從煙囪排出，外界冷空氣從路基兩側的塊石層補入，空氣的流動將外部“冷量”帶入路基中，同時把熱量帶出，從而實現對路基填土及下部土體的降溫作用。夏季，由于煙囪內上部溫度高于下部，空氣密度上大下小，空氣無對流發生，同時由于塊石層夏季較好的熱屏蔽作用，可有效阻隔外界熱量的侵入，同樣使路基溫度不會升高。實現路基下多年凍土的保護。
[0009]本實用新型的優點和有益效果是:
[0010]1.本實用新型由于在路基塊石層中安裝了豎向通風煙囪，充分利用了“煙囪效應”，使整個路基底部塊石層的對流換熱效率大幅提升，最大限度的帶走路基內的熱量，大幅提高一個凍融周期內路基的凈放熱量，同時還可實現路基中部的有效制冷，解決了寬幅路基中由于路基寬度增加所導致的中部降溫效果差的難題；
[0011]2.施工方便快捷，對環境擾動小，塊碎石、填土等取材方便，成本低廉。煙囪安裝簡易，且位于寬幅路基中間隔離帶內，不會對行車安全造成影響；
[0012]3.本實用新型可以直接應用于高溫凍土區、鋪設黑色路面的公路路基工程中，對于路基的高低沒有特殊要求。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型橫斷面。
[0014]圖2是本實用新型俯視面。
[0015]圖3是本實用新型工作原理圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖，將對本實用新型技術方案再做進一步的說明:
[0017]如圖1-2所示，一種塊石層+通風煙囪的寬幅路基，是由天然地基1、塊石層2、土工布3、路基填土 4、煙囪5組成。在壓實的天然地表上鋪設寬度為30m(滿足寬幅高等級公路路面寬度要求)、厚度為1.2 m的塊石層2，塊石粒徑控制在12-30cm，塊石強度為30MPa，塊石空隙率為30% ;塊石層2在坡腳位置水平延伸1.0m寬，形成開放邊界，其目的在于增大進風口面積，以利于外界風進入塊石層內。在塊石層2上安裝豎向通風煙囪5使煙囪5底部與塊石層2貫通連接，安裝于路基中部隔離帶內。煙囪5垂直且高出路基頂部2.0m，煙囪口徑30cm，管壁厚度約0.5cm ;塊石層2上鋪設一層透水土工布3，透水土工布3上筑1.5m厚路基填土 4。煙囪管壁周圍用填土壓實，以保證煙囪5在路基中的穩定性。
[0018]當冷季外界氣溫低于路基土體溫度時，在外界強風的作用下，路基底部的塊石層開始發生強迫對流和自然對流的復合過程，此時，由于路基中心部位設置了通風煙囪，在“煙囪效應”的作用下，塊石層中的空氣迅速通過煙囪排出，而將外界冷空氣從路基兩側的塊石層補入，空氣的流動將外部“冷量”帶入路基中，同時把熱量帶出，從而實現對路基土體及下部凍土的降溫作用，同時該過程也實現了路基中部的有效制冷。當暖季外界氣溫高于路基土體溫度時，由于煙囪內上部溫度高于下部，空氣密度上大下小，空氣無對流發生，同時由于塊石層夏季較好的熱屏蔽作用，可有效阻隔外界熱量的侵入，同樣保護路基溫度不會升高(參見圖3)。
[0019]綜合上述，在一個凍融周期內，該路基結構在冷季吸入大量的“冷能”，并把“熱能”及時帶走，大幅提尚了單一塊石措施的對流換熱效率，最大限度的帶走路基內的熱量；而在暖季可有效屏蔽外界熱量進入路基土體，因此，大幅提高一個凍融周期內路基的凈放熱量，達到了積累“冷量”，保護凍土，提高凍土路基穩定性的目的。
[0020]為驗證新型散熱塊石護坡路基的有效性，本實用新型在青藏高原214國道花石峽野外試驗場已作為試驗段進行觀測試驗。通過觀測試驗，本實用新型有效降低路基中心部位的溫度，保證了青藏高原214國道花石峽路段無沉陷，無翻漿現象的發生，保證此路段多年凍土路基的穩定。
【主權項】
1.一種散熱塊石層+通風煙囪寬幅路基結構，是由天然地基(I)、塊石層(2)、土工布(3)、路基填土(4)、煙囪(5)組成，其特征是在壓實的天然地表上鋪設寬度為30m、厚度為1.2 m的塊石層(2)，塊石粒徑控制在12-30cm，塊石強度為30MPa，塊石空隙率為30% ;塊石層(2)在坡腳位置水平延伸1.0m寬，形成開放邊界；在塊石層(2)上安裝豎向通風煙囪(5，)使煙囪(5)底部與塊石層(2)貫通連接，煙囪(5)垂直且高出路基頂部2.0m，煙囪口徑30cm，管壁厚度為0.5cm ;塊石層(2)上鋪設一層透水土工布(3)，透水土工布(3)上筑1.5m厚路基填土(4)。
【專利摘要】本實用新型涉及一種散熱塊石層+通風煙囪寬幅路基結構，其結構特征是在壓實的天然地表上鋪設塊石層，塊石層在坡腳位置水平延伸，形成開放邊界；在塊石層上安裝豎向通風煙囪，使煙囪底部與塊石層貫通連接，煙囪垂直且高出路基頂部，塊石層上鋪設一層透水土工布，透水土工布上筑路基填土。本實用新型通過在路基中心部位的塊石層中安裝豎向通風煙囪，利用“煙囪效應”的“抽拔”作用，可加快基底塊石層內的對流換熱速度，從而更快更多的帶走路基內的熱量，實現降低下部多年凍土溫度的目的，并有效對路基中心部位進行制冷，從而解決了寬幅高等級公路路基中部降溫效果差的難題，同時具有造價低，施工簡易，便于維護的優點，對維護多年凍土區寬幅路基的長期穩定性有重要意義。
【IPC分類】E01C3-00
【公開號】CN204417944
【申請號】CN201420802455
【發明人】劉明浩, 牛富俊, 林戰舉, 羅京, 李安原, 尹國安
【申請人】中國科學院寒區旱區環境與工程研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2014年12月17日