專利名稱：一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基在寬幅道路中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種路基結(jié)構(gòu)形式，尤其是一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合 路基的結(jié)構(gòu)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(wěn)定性。
背景技術(shù)：
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(jié)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。凍土中由于冰以及 未凍水的存在，其性質(zhì)極其復(fù)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(qū)道路的穩(wěn)定性。在多年凍土區(qū)修建道路工程，一個至為關(guān)鍵的問題是在全球變暖的大背景下，如 何維護多年凍土區(qū)道路路基的穩(wěn)定性。為解決好凍土問題，確保多年凍土區(qū)道路的安全穩(wěn) 定，相關(guān)科研人員提出了主動冷卻地基，保護凍土的總思路，并依據(jù)這一思路設(shè)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(yīng)用于青藏鐵路工程中。該措施利用 寒季下高上低的邊界溫差驅(qū)動的自然對流效應(yīng)來發(fā)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(jīng)濟社會效益。為了促進西藏地 區(qū)經(jīng)濟社會的進一步發(fā)展，加快青藏高原和周邊地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)，在西藏地區(qū)修建高等級 公路已進入國家規(guī)劃?，F(xiàn)有的多年凍土區(qū)路基型式大部分適用于路基幅面較窄、路面形 式采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，且采用吸 熱量較大的浙青路面。相關(guān)研究指出，在相同氣溫條件下，寬幅高等級公路所采用的浙青 路面的溫度比普通公路所采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?；谏鲜隹紤]，亟需尋求新的措施來保護多年凍土區(qū)寬幅高等級道路的下 伏多年凍土，確保寒區(qū)道路的穩(wěn)定和暢通。如果在寬幅高等級道路中使用塊碎石層，那么 塊碎石層變寬，它內(nèi)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(fēng)管，那么通風(fēng)管長度大大增加，其內(nèi)部的空氣流動 減緩，將削弱其降溫效果的發(fā)揮，且無法阻止熱量通過通風(fēng)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(fēng)管等現(xiàn)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(yīng)用于寬幅高等級道路， 路基穩(wěn)定性將難以得到保證。為使現(xiàn)有的凍土保護技術(shù)能夠應(yīng)用于寬幅高等級道路，就需 要對它們進行強化或者優(yōu)化組合。李國玉等(李國玉，李寧，牛富俊，等.強化通風(fēng)隔熱路 基中國，200710017288. 3[P]. 2007-08-08.)提出了一種強化通風(fēng)隔熱路基，將塊碎石層 置于透壁通風(fēng)管之上，置于塊碎石層之下的透壁通風(fēng)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(yīng)；而在暖季透壁通風(fēng)管又會將外界較熱的空氣帶 入路基，增加吸熱量，所以這種路基不利于大幅增加路基的凈放熱量，難以發(fā)揮高效的降 溫作用。張明義等(張明義，賴遠明，董元宏.通風(fēng)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(shè)縱向通風(fēng)的混 凝土板來加強塊碎石層的對流降溫效應(yīng)。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(fā)生熱量交換，不利于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于多年凍土區(qū)寬幅高等級道路的凍土保護措施。

發(fā)明內(nèi)容
為了有效降低多年凍土區(qū)高等級道路路基的溫度，維護路基的長期穩(wěn)定，本發(fā)明 的目的在于提供一種透壁通風(fēng)管_塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基。該路基結(jié)構(gòu)通過對透壁通 風(fēng)管和塊碎石層的降溫作用進行優(yōu)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(wěn)定。本發(fā)明的另一目的旨在提供一種透壁通風(fēng)管_塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基在寬 幅道路中的應(yīng)用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種透壁通風(fēng)管_塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基在寬幅道路中的應(yīng)用，由透壁通風(fēng) 管、塊碎石層、土工布、保溫層和路基填土構(gòu)成。在夯實的天然地表上鋪筑塊碎石層；帶透壁 孔眼的透壁通風(fēng)管沿路基橫向埋入塊碎石層的頂部；透壁通風(fēng)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%，管與管間凈 間距為1 5倍的管外徑，塊碎石層上鋪設(shè)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(shè)保溫層和鋪筑路提填土。本發(fā)明的優(yōu)點與產(chǎn)生的有益效果是1、降溫效果十分明顯。本發(fā)明專利通過將透壁通風(fēng)管和塊碎石層的降溫作用進行 優(yōu)化加強，相互取長補短；再與保溫層的隔熱保溫特性相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，實現(xiàn) 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(nèi)的 凈放熱量，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(fā)生，取得很好的效果。2、便于施工。塊碎石可就近取材，透壁通風(fēng)管可預(yù)制后直接運往現(xiàn)場安裝。路基 鋪筑工序簡單，施工簡便。3、本發(fā)明專利無需任何外部動力設(shè)施，無污染，保護生態(tài)環(huán)境。塊碎石取材方便， 成本低廉；透壁通風(fēng)管可預(yù)制，易于施工和維護，對凍土不會產(chǎn)生大的人為擾動，可滿足高 溫、高含冰量多年凍土地區(qū)工程穩(wěn)定性的特殊要求。4、在應(yīng)用范圍方面，它可以直接應(yīng)用于高溫凍土區(qū)、鋪設(shè)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(shè)透壁通風(fēng)管的塊石層路基和增 設(shè)了普通通風(fēng)管的塊石層路基相比，增設(shè)了透壁通風(fēng)管的路基比增設(shè)普通通風(fēng)管的路基溫 度低1 2°C，從而產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的工程效果。


圖1是本發(fā)明橫斷面圖。圖2是本發(fā)明縱斷面圖。圖3是最低氣溫時普通通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基中間斷面的等溫線圖。
圖4是最低氣溫時透壁通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基中間斷面的等溫線圖。圖5是兩組復(fù)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(fēng) 管_塊石層復(fù)合路基，b曲線為普通通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基。圖6是兩組復(fù)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(fēng)管_塊石層復(fù)合路基，d曲線為普通通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，將對本發(fā)明再做進一步的說明。實施例1參照附圖1，一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基在寬幅道路中的應(yīng)用。 路提填土的頂寬為23. 0m。路基由透壁通風(fēng)管1、塊碎石層2、土工布3、保溫層4和路基填 土 5構(gòu)成；在夯實的天然地表6上鋪筑塊碎石層2 ；帶透壁孔眼7的透壁通風(fēng)管1沿路基橫 向埋入塊碎石層2的頂部。透壁通風(fēng)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%，管與管間凈間距為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(shè)土工布3，再在土工布上面依次鋪設(shè)EPS 保溫層4和鋪筑路提填土 5。其工作過程可描述為在冷季，青藏高原風(fēng)速較大，外界較冷的空氣流經(jīng)通風(fēng)管 時，一方面通過通風(fēng)管管壁的熱傳導(dǎo)；更為主要的一方面，空氣可經(jīng)通風(fēng)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(jié)果是快速有效地降低了塊碎石層頂部的溫 度。而相關(guān)研究已經(jīng)表明，決定塊碎石層內(nèi)自然對流強度的一個主要因素就是其上下邊界 的溫差?？梢?，降低塊碎石層頂部的溫度有助于提高其上下邊界的溫差，增加其內(nèi)空氣密度 梯度，從而加強其內(nèi)部的自然對流強度。直接結(jié)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，由于此時青藏高原的風(fēng)速較小，透壁通風(fēng)管內(nèi)的空氣 流動微弱；而塊碎石層內(nèi)空氣溫度上部高于下部，空氣密度上部小于下部，因此塊碎石層內(nèi) 部無自然對流產(chǎn)生，內(nèi)部空氣基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。盡管外界的熱量依然會經(jīng)由透壁通風(fēng)管 進入路基。但是塊碎石層內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)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?zhèn)魅肼坊鶅?nèi)部。綜合上述，在一個凍融周期內(nèi)，這種路基在冷 季大量吸入“冷能”，而在暖季的吸熱量很小，因而有著較高的凈放熱量，能夠?qū)崿F(xiàn)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(fēng)管_塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基應(yīng)用于寬幅高等級道路的有效 性，本發(fā)明專利在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室模型試 驗廳內(nèi)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(fēng)管、塊碎石層、土工布、保溫層和路基填土構(gòu)成；在夯實 的填土上鋪筑塊碎石層；帶透壁孔眼的透壁通風(fēng)管沿路基橫向埋入塊碎石層的頂部。透壁 通風(fēng)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 與管間凈間距為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(shè)土工布，再在土工布上面依次鋪設(shè)EPS保溫層和鋪筑路提填土。普通通風(fēng)管-塊石層降溫隔熱復(fù)合路基模型的尺寸數(shù)據(jù)與透壁通風(fēng)管-塊碎石層 降溫隔熱復(fù)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(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)由SANYO雙頭壓縮機組、 電腦溫控器、氟利昂液體循環(huán)管道、蒸發(fā)器及溫度傳感器組成；通風(fēng)系統(tǒng)由冷風(fēng)扇、加速風(fēng) 扇、風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置、回流風(fēng)道等組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器、DT500數(shù)采儀和計算機 組成。試驗?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)的空氣平均溫度為-4. 0°C，氣溫周期較差為24°C，試驗?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)的 風(fēng)速為2. 80m/s,并設(shè)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(fā)明——透壁通風(fēng)管-塊石層降溫隔熱復(fù)合路基與普通 通風(fēng)管_塊石層降溫隔熱復(fù)合路基進行了對比試驗。試驗結(jié)果如圖3 圖5所示。圖3和圖4分別是最低氣溫時兩組復(fù)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(nèi)均產(chǎn)生自然對流，如圖中箭頭所示。但對流強度有所 不同，圖4內(nèi)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(fēng)管-塊 石層復(fù)合路基自然對流強度較普通通風(fēng)管-塊石層復(fù)合路基明顯的要強。以圖中-7.0°C等 溫線為例，在普通通風(fēng)管復(fù)合路基內(nèi)，它尚處在路基中上部位置；而在透壁通風(fēng)管復(fù)合路基 內(nèi)，則下降到了路基中下部。由此可以看出，由于透壁通風(fēng)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(nèi)部的自然對流強度。圖5為兩組復(fù)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(fēng)管-塊石層復(fù)合路基的a曲線相對于普通通風(fēng)管-塊石層復(fù)合路基的b曲線的優(yōu)越降 溫效果。從試驗開始起，透壁通風(fēng)管-塊石層復(fù)合路基的a曲線的溫度始終低于普通通風(fēng) 管-塊石層復(fù)合路基的b曲線，且透壁通風(fēng)管-塊石層復(fù)合路基的a曲線的降溫速率高于 普通通風(fēng)管-塊石層復(fù)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(fēng) 管_塊石層復(fù)合路基的a曲線的降溫效果遠優(yōu)于普通通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的b曲線。圖6為兩組復(fù)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(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的c曲線相對于普通通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的d 曲線的優(yōu)越降溫效果。第1個試驗周期時，透壁通風(fēng)管-塊石層復(fù)合路基的c曲線的周期 平均溫度已降至-0. 240C ；而普通通風(fēng)管-塊石層復(fù)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(fēng)管-塊石層復(fù)合路基的c曲線的周期平均溫度已降 至-3. 530C ；而普通通風(fēng)管-塊石層復(fù)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(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的c曲線的周期平均溫度為-4. 05°C，比普通 通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的d曲線的-1. 36°C低2. 69°C。以上對比試驗的結(jié)果充分表明了透壁通風(fēng)管具有對塊石層內(nèi)自然對流的顯著加強作用，以及透壁通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的相對于普通通風(fēng)管_塊石層復(fù)合路基的顯著 降溫效果。試驗證實了透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基應(yīng)用于寬幅道路中，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(wěn)定性將產(chǎn)生良好效果。
權(quán)利要求
一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基，是由透壁通風(fēng)管(1)、塊碎石層(2)、土工布(3)、保溫層(4)和路基填土(5)構(gòu)成；其特征是在夯實的天然地表(6)上鋪筑塊碎石層(2)；帶透壁孔眼(7)的透壁通風(fēng)管(1)沿路基橫向埋入塊碎石層(2)的頂部；透壁通風(fēng)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％，管與管間凈間距為1～5倍的管外徑，塊碎石層上鋪設(shè)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(shè)保溫層(4)和鋪筑路堤填土(5)。
2.權(quán)利要求1所述的一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基在寬幅道路中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開一種透壁通風(fēng)管-塊碎石層降溫隔熱復(fù)合路基在寬幅道路中的應(yīng)用。路基結(jié)構(gòu)是由透壁通風(fēng)管、塊碎石層、土工布、保溫層和路基填土構(gòu)成，塊碎石層鋪筑在夯實的天然地表上；在塊碎石層頂部埋入透壁通風(fēng)管；然后在塊碎石層上依次鋪設(shè)土工布，保溫層與路基填土。本發(fā)明利用透壁通風(fēng)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，并結(jié)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(nèi)路基的凈放熱量，從而實現(xiàn)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，并且滿足高溫多年凍土區(qū)寬幅高等級道路路基穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者張明義, 董元宏, 賴遠明 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所