一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種通風(fēng)管?通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，包括鋪設(shè)在天然地表上的路基填土，其特征在于：所述路基填土中交錯(cuò)堆放通風(fēng)塊層；所述通風(fēng)塊層的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設(shè)與外界相通的通風(fēng)管，該通風(fēng)管的一端或兩端安裝自動(dòng)溫控風(fēng)門；所述通風(fēng)管的上方鋪設(shè)有保溫材料。本實(shí)用新型通過對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，使得路基的換熱過程改變?yōu)槔浼镜膯蜗驌Q熱過程，換熱層的功率、降溫效能成倍提高，調(diào)控工程效果顯著改善。在大幅提高凍土路基穩(wěn)定性的同時(shí)，突出解決凍土高速公路修筑難題，確保凍土工程的長(zhǎng)期安全和穩(wěn)定。
【專利說明】
一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及凍土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]凍土是指具有負(fù)溫和含冰的土體和巖石，我國(guó)多年凍土分布面積約215萬平方公里，約占國(guó)土面積的22%，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等地區(qū)。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷加快，在這些特殊地區(qū)不斷興建各種交通設(shè)施，如青藏公路、青藏鐵路等國(guó)家重大項(xiàng)目。但是由于凍土中冰以及未凍水的存在，并且其對(duì)溫度極為敏感，而道路工程施工以及全球變暖等原因會(huì)引起凍土溫度的上升，使得路基產(chǎn)生融沉病害，嚴(yán)重危害多年凍土區(qū)道路的穩(wěn)定性。因此如何維護(hù)多年凍土區(qū)道路路基的穩(wěn)定性，從而因地制宜地采用技術(shù)措施，以達(dá)到正確進(jìn)行路基施工顯得尤為重要。
[0003]為解決好凍土問題，確保多年凍土區(qū)道路的安全穩(wěn)定，多年來科研人員提出了主動(dòng)冷卻路基，保護(hù)凍土的總思路，并依據(jù)這一思路設(shè)計(jì)出了一系列降溫措施。目前最常見的為塊碎石層路基、通風(fēng)管路基等，這些措施主要是利用寒季路基中下高上低的邊界溫差驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流效應(yīng)來達(dá)到降低凍土溫度和保護(hù)凍土的目的。但其中還存在不少問題，如塊碎石層路基還存在著內(nèi)部自然孔隙率達(dá)不到對(duì)流換熱要求，造成內(nèi)部對(duì)流換熱效能不均一，影響降溫效果；而單獨(dú)使用通風(fēng)管降溫，由于在通風(fēng)管尾部空氣流動(dòng)減緩，造成了降溫效果整體的減弱，且無法阻止熱量通過通風(fēng)管之間的路基填土傳入下部?jī)鐾?。所以塊碎石層、通風(fēng)管路基等現(xiàn)有措施仍I日不能從根本上滿足需要。
[0004]《一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路在寬幅道路中的應(yīng)用》(賴遠(yuǎn)明，董元宏，張明義.中國(guó)，201010133544.7)對(duì)通風(fēng)路基做出了改進(jìn)。雖然能夠起一定的保冷、隔熱作用，但是尚存在諸多不足。首先，青藏高原荒漠化的自然環(huán)境，經(jīng)常性的風(fēng)沙條件，會(huì)使得自然界的風(fēng)沙通過通風(fēng)管上的孔洞進(jìn)入塊石層中，在不斷積累過程中，逐步導(dǎo)致整個(gè)換熱層效能的喪失;其次，由于現(xiàn)場(chǎng)條件、施工條件的限制，往往導(dǎo)致塊石層的自然孔隙率達(dá)不到對(duì)流換熱要求，導(dǎo)致?lián)Q熱效能的下降，難以達(dá)到降溫要求;第三，最為關(guān)鍵的是，通風(fēng)管管口的不封閉，以及透壁通風(fēng)管與塊石層的強(qiáng)烈換熱機(jī)制，會(huì)使得暖季熱量快速進(jìn)入換熱層中，引起整體路基溫度的快速升高，由此，不僅不會(huì)起到降溫作用，反而可能會(huì)引起路基溫度的升高，從而導(dǎo)致路基內(nèi)部?jī)鋈谧饔玫募觿?，可能?huì)造成次生路基凍融病害的產(chǎn)生。
[0005]《強(qiáng)化通風(fēng)隔熱路基》(李國(guó)玉，李寧，牛富俊.中國(guó)，200710017288.3)雖然在通風(fēng)管口安裝了自動(dòng)溫控系統(tǒng)，但是由于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降、以及塊石層降溫效果的減弱。首先，通風(fēng)管上的孔洞會(huì)造成通風(fēng)管力學(xué)強(qiáng)度降低，極易損壞;其次，由于通風(fēng)管置于最底部，在暖季，由于暖空氣的比重較輕，可以通過管壁的孔洞進(jìn)入路基內(nèi)部，并在塊石層中上升、對(duì)流和換熱，快速升高路基的整體溫度，同時(shí)，由于通風(fēng)管更加靠近路基的底部，其溫度變化對(duì)路基整體溫度影響更為快捷;第三，由于冬季冷空氣的比重較大，在通風(fēng)管中的冷空氣難以通過管壁的孔洞進(jìn)入上部塊石層中，難以進(jìn)行對(duì)流和換熱，從而難以有效達(dá)到冷卻路基的效果。因此，該種技術(shù)難以有效發(fā)揮調(diào)控路基地溫的目的。
[0006]因此，面對(duì)在多年凍土區(qū)修筑各級(jí)公路的實(shí)際工程需要，面對(duì)地溫整體、均勻、有效調(diào)控的特殊要求，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、進(jìn)步，是解決工程難題的關(guān)鍵途徑。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種確保凍土路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)。
[0008]為解決上述問題，本實(shí)用新型所述的一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，包括鋪設(shè)在天然地表上的路基填土，其特征在于:所述路基填土中交錯(cuò)堆放通風(fēng)塊層；所述通風(fēng)塊層的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設(shè)與外界相通的通風(fēng)管，該通風(fēng)管的一端或兩端安裝自動(dòng)溫控風(fēng)門；所述通風(fēng)管的上方鋪設(shè)有保溫材料。
[0009]所述通風(fēng)管直徑為0.3?0.8 m，相鄰管軸線間距為I?5倍管徑，通風(fēng)管軸心距離地表高度為0.5?1.5m。
[00?0] 所述通風(fēng)塊層的厚度為0.3?1.5m，且兩側(cè)通過厚度為0.5m?2.0m的土層封閉于所述路基填土之中。
[0011 ] 所述通風(fēng)塊層中的通風(fēng)塊是指邊長(zhǎng)或直徑為0.2-0.5m、壁厚為10?30cm且中部具有空心通道的正方體或圓柱體混凝土空心塊。
[0012]所述保溫材料的厚度為10?50cm，其埋設(shè)高度距所述通風(fēng)管頂部0.0?1.0m。
[0013]所述自動(dòng)溫控風(fēng)門的溫度控制范圍為-5°05°C。
[0014]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)的根本改變、換熱功率的成倍提高。
[0016]以往塊石層中塊石的大小混雜、無序堆放，造成塊石層中的對(duì)流換熱通道大小不一、路徑曲折、塊石層頂?shù)酌骐y以進(jìn)行直接對(duì)流換熱，使得換熱效能大打折扣。而本實(shí)用新型通過預(yù)制通風(fēng)塊形狀的改進(jìn)、層內(nèi)通風(fēng)塊相互關(guān)系和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使得其內(nèi)部對(duì)流換熱通道大小均一、路徑通暢，可以直接進(jìn)行空心塊層頂面、底面的對(duì)流換熱，由于空氣自然對(duì)流速度、流量的增加，以及換熱界面的根本改變，都使得空心塊層的換熱功率大幅、成倍增加。
[0017]2、換熱過程的根本改變。
[0018]本實(shí)用新型改變以往相關(guān)技術(shù)只是注重結(jié)構(gòu)改變，忽略冷季、暖季路基對(duì)流換熱過程對(duì)路基整體調(diào)控效能的影響，通過通風(fēng)管溫控風(fēng)門根據(jù)環(huán)境變化，冷季自動(dòng)開啟、暖季自動(dòng)關(guān)閉的方式，有效調(diào)控路基的整體換熱過程。由此將以往技術(shù)整體路基冷季、暖季雙向換熱的過程，根本改變?yōu)槔浼镜膯蜗驌Q熱過程，通過有效阻止暖季熱量的侵入，使得冬季的冷能最大程度不斷蓄積到路基的內(nèi)部。
[0019]3、降溫效能的成倍提高、調(diào)控效果的顯著改善。
[0020]首先，在降溫效能提高方面，⑴本實(shí)用新型由于對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)、工作條件的根本改變，使得空心塊換熱功率成倍提高，為整體降溫效能提供關(guān)鍵基礎(chǔ);⑵本實(shí)用新型對(duì)路基整體換熱過程的根本改變，從方向上控制了路基整體地溫的變化。因此，通過對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵、重要環(huán)節(jié)的根本改變，使得本實(shí)用新型的降溫效能成倍提高;其次，在地溫調(diào)控效果方面，本實(shí)用新型由于空心塊特有的流暢的空氣流動(dòng)通道，使得整體地溫可以快速達(dá)到整體降溫、均勻降溫的效果，由此使得地溫的變化過程平整、均勻，較好達(dá)到高等級(jí)公路地溫調(diào)控的整體降溫、均勻降溫的要求。
[0021]4、凍土路基穩(wěn)定性的大幅提尚。
[0022]首先，由于凍土基礎(chǔ)的大幅降溫使得凍土強(qiáng)度成倍提高，致使路基荷載能力、控制路基變形能力大幅提高;其次，由于本實(shí)用新型對(duì)地溫場(chǎng)的平穩(wěn)性、對(duì)稱性的降溫特性，能有效避免地溫場(chǎng)不均勻可能導(dǎo)致的次生病害，進(jìn)一步增加路基的穩(wěn)定性;第三，由于地溫的顯著降低，使得暖季(TC線的融化深度大幅減少，從而極大消除由于凍脹、融沉問題所形成的工程病害。
[0023]5、突出解決高速公路修筑難題。
[0024]由于凍土高速公路強(qiáng)度的需求成倍提高，工程標(biāo)準(zhǔn)要求的更加嚴(yán)格，都對(duì)凍土工程調(diào)控技術(shù)提出更高要求。而現(xiàn)有技術(shù)難以滿足工程修筑的技術(shù)要求，特別是高速公路全幅修筑、整體修筑，路面超寬條件下的技術(shù)要求。本實(shí)用新型由于特有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和換熱方式、突出的地溫調(diào)控效能、優(yōu)異的工程降溫效果，在完全滿足工程實(shí)際要求的同時(shí)，也可以完全應(yīng)對(duì)未來氣候環(huán)境升溫和凍土退化所造成的不利影響，由此保證凍土工程的長(zhǎng)期安全和穩(wěn)定。
[0025]因此，本實(shí)用新型可有效地降低公路路基下部?jī)鐾翜囟?，抬升凍土上限，確保凍土路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027]圖1為本實(shí)用新型的橫斷面示意圖。
[0028]圖2為本實(shí)用新型的縱斷面示意圖。
[0029]圖3為本實(shí)用新型一種通風(fēng)塊示意圖。
[0030]圖4為本實(shí)用新型另一種通風(fēng)塊示意圖。
[0031]圖5為現(xiàn)有技術(shù)施工的路基地溫結(jié)果。
[0032]圖6為運(yùn)用本實(shí)用新型技術(shù)施工的路基地溫結(jié)果。
[0033]圖中:1一路基填土 2—保溫材料3—通風(fēng)管4一通風(fēng)塊層5—天然地表6一自動(dòng)溫控風(fēng)11。
【具體實(shí)施方式】
[0034]如圖1?2所示，一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，包括鋪設(shè)在天然地表5上的路基填土 I。路基填土 I中交錯(cuò)堆放通風(fēng)塊層4;通風(fēng)塊層4的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設(shè)與外界相通的通風(fēng)管3，該通風(fēng)管3的一端或兩端安裝自動(dòng)溫控風(fēng)門6;通風(fēng)管3的上方鋪設(shè)有保溫材料2。
[0035]其中:
[0036]通風(fēng)管3直徑為0.3?0.8 m，相鄰管軸線間距為I?5倍管徑，通風(fēng)管3軸心距離地表高度為0.5~1.5m。
[0037]通風(fēng)塊層4的厚度為0.3?1.5m，且兩側(cè)通過厚度為0.5m~2.0m的土層封閉于路基填土I之中。通風(fēng)塊層4中的通風(fēng)塊是指邊長(zhǎng)或直徑為0.2?0.5m、壁厚為10~30cm且中部具有空心通道的正方體或圓柱體混凝土空心塊(參見圖3、圖4)。
[0038]保溫材料2是指聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一種或者幾種組合，其厚度為10?50cm，其埋設(shè)高度距通風(fēng)管3頂部0.0-1.0 m。
[0039]自動(dòng)溫控風(fēng)門6的溫度控制范圍為-5°05°C?？筛鶕?jù)環(huán)境氣溫和時(shí)間變化，自動(dòng)開啟或關(guān)閉。高于控制溫度風(fēng)門關(guān)閉，低于控制溫度風(fēng)門開啟。
[0040]本實(shí)用新型工作原理:
[0041]這種設(shè)有保溫材料、通風(fēng)塊以及含有自動(dòng)溫控風(fēng)門的通風(fēng)管路基從對(duì)流和熱傳導(dǎo)兩方面進(jìn)行綜合調(diào)控，其工作過程為:
[0042]冬季低溫環(huán)境條件下，通風(fēng)管3的自動(dòng)溫控風(fēng)門6自動(dòng)打開，路基與外界通過通風(fēng)管3進(jìn)行對(duì)流換熱，對(duì)通風(fēng)管3周圍的土體進(jìn)行降溫。與此同時(shí)，路基中的通風(fēng)塊因?yàn)榇嬖趯挸?、?guī)則、有序的空氣流動(dòng)通道，在路基上下溫差的驅(qū)動(dòng)下，空心塊層內(nèi)存在較大的空氣自然對(duì)流，由此導(dǎo)致空心塊層頂面、底面的直接對(duì)流換熱，這樣不斷將熱量傳導(dǎo)至通風(fēng)管3壁面，大幅提升整體通風(fēng)管-通風(fēng)塊層的換熱效能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路基進(jìn)行整體、均勻、高效降溫的目的。暖季高溫環(huán)境條件下，通風(fēng)管3的自動(dòng)溫控風(fēng)門6自動(dòng)關(guān)閉，由此阻止路基與外界的換熱，有效阻止暖季熱量的侵入;其次，由于公路暖季的熱量主要來源于黑色路面的吸熱，保溫材料2有效阻止了上部熱量的下傳。由此最大程度保存了冬季蓄積的冷能、并將凍土溫度維持在較低的水平。
[0043]由此，本實(shí)用新型通過強(qiáng)化通風(fēng)管3和通風(fēng)塊的復(fù)合降溫效能，并利用保溫材料2實(shí)現(xiàn)阻熱蓄冷功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路基下部?jī)鐾吝M(jìn)行整體、平面式降溫，提高了凍土上限，防止凍土路基發(fā)生路面不均勻沉降類災(zāi)害問題。
[0044]本實(shí)用新型具體應(yīng)用實(shí)例1:
[0045]⑴在壓實(shí)的天然地表5上填筑路基填土I，首先在路基填土I內(nèi)距天然地表520cm處規(guī)則有序堆放厚度為0.6m的通風(fēng)塊層4，通風(fēng)塊層4是由尺寸為0.3m的中部具有空心通道的正方體混凝土空心塊組成，其次在通風(fēng)塊層4上部設(shè)置與路基走向垂直的水平通風(fēng)管3，通風(fēng)管3的直徑為0.6 m，相鄰?fù)L(fēng)管3中心軸線之間的間距為2 m。
[0046]⑵在通風(fēng)管3的兩端管口安裝自動(dòng)溫控風(fēng)門6，自動(dòng)溫控風(fēng)門開關(guān)的臨界溫度值為(TC。
[0047]⑶在相鄰?fù)L(fēng)管3之間鋪通風(fēng)塊層4，該層厚度為0.6m，位置與通風(fēng)管3平齊。
[0048]⑷在通風(fēng)管3上部水平鋪設(shè)10cm厚的XPS保溫板2。
[0049]為驗(yàn)證本實(shí)用新型路基結(jié)構(gòu)的調(diào)控效能，結(jié)合上述路基結(jié)構(gòu)，在高溫凍土區(qū)環(huán)境條件下對(duì)本實(shí)用新型路基結(jié)構(gòu)與已有技術(shù)(通風(fēng)管保溫材料復(fù)合路基)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算及對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果可見，本實(shí)用新型較以往技術(shù)具有突出先進(jìn)性。其中:
[0050]⑴有效提升凍土地基的持力強(qiáng)度，確保公路凍土路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。凍土路基的沉降變形與凍土上限有關(guān)，通過圖6可以看出，本實(shí)用新型的(TC的最大融化深度基本位于通風(fēng)塊層的底部，路基底部基本沒有土體的凍融過程;其次，與圖5相比，(TC溫度線頂面的寬度得到有效加寬，與此對(duì)應(yīng)，路基關(guān)鍵部位應(yīng)力地溫場(chǎng)得到根本改變，路基荷載作用全部為凍土層所承擔(dān)，有效增加了路基承載力，使得凍土地區(qū)公路施工所要求的整體、均勻溫度場(chǎng)得以有效實(shí)現(xiàn)。
[0051]⑵更為突出的降溫效能。通過對(duì)比圖5、圖6，可以看到，通過本實(shí)用新型的應(yīng)用，路基下部(TC等值線顯著高于已有的復(fù)合溫控路基結(jié)構(gòu)，在公路路基內(nèi)部顯著抬升了凍土上限，并有效地降低了路基下部?jī)鐾恋臏囟?，如圖5中所示，使用本實(shí)用新型路基結(jié)構(gòu)之后，路基下部出現(xiàn)了大面積的-2°C的區(qū)域，這些低溫區(qū)域更有利于保護(hù)路基的力學(xué)穩(wěn)定性，并且可以持續(xù)降低路基溫度。
[0052]⑶有效改善凍土路基地溫場(chǎng)分布。通過改變以往調(diào)控措施的降溫方式，從根本上解決凍土地區(qū)公路的修筑難題。從圖5、圖6中可以看出，與已有技術(shù)的沿通風(fēng)管線性降溫方式完全不同，本實(shí)用新型對(duì)路基下部土體呈整體、均勻、對(duì)稱式降溫，(TC等值線相比已有的復(fù)合溫控路基結(jié)構(gòu)更加平滑，且相對(duì)于路基更加對(duì)稱，這將消除路基由于地溫場(chǎng)不平整引起的路面不均勻變形，達(dá)到凍土路基平整性的標(biāo)準(zhǔn)。
[0053]⑷可以應(yīng)對(duì)未來各種不利影響。本實(shí)用新型各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)大幅提升，通過模擬計(jì)算，完全可以滿足未來青藏高原等凍土地區(qū)不斷變化的自然環(huán)境對(duì)工程建設(shè)所造成的不利影響，確保路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，包括鋪設(shè)在天然地表(5)上的路基填土(1)，其特征在于:所述路基填土(I)中交錯(cuò)堆放通風(fēng)塊層(4);所述通風(fēng)塊層(4)的頂部沿垂直路基走向等間距鋪設(shè)與外界相通的通風(fēng)管(3)，該通風(fēng)管(3)的一端或兩端安裝自動(dòng)溫控風(fēng)門(6);所述通風(fēng)管(3)的上方鋪設(shè)有保溫材料(2)。2.如權(quán)利要求1所述的一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述通風(fēng)管(3)直徑為0.3?0.8 m，相鄰管軸線間距為I?5倍管徑，通風(fēng)管(3)軸心距離地表高度為0.5?1.5m。3.如權(quán)利要求1所述的一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述通風(fēng)塊層(4)的厚度為0.3?1.5m，且兩側(cè)通過厚度為0.5m~2.0m的土層封閉于所述路基填土 (I)之中。4.如權(quán)利要求1所述的一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述通風(fēng)塊層(4)中的通風(fēng)塊是指邊長(zhǎng)或直徑為0.2-0.5m、壁厚為10?30cm且中部具有空心通道的正方體或圓柱體混凝土空心塊。5.如權(quán)利要求1所述的一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述保溫材料(2)的厚度為10?50cm，其埋設(shè)高度距所述通風(fēng)管(3)頂部0.0?1.0 m。6.如權(quán)利要求1所述的一種通風(fēng)管-通風(fēng)塊降溫隔熱的復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述自動(dòng)溫控風(fēng)門(6)的溫度控制范圍為-5 0C?5 0C。
【文檔編號(hào)】E01C3/06GK205557223SQ201620205160
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】王新斌, 俞祁浩, 袁昌
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所