專利名稱：通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種道路的結(jié)構(gòu)，尤其是一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基。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(wěn)定性。
背景技術(shù)：
青藏高原凍土區(qū)，由于反復(fù)的凍融作用，在多年凍土區(qū)產(chǎn)生了許多特殊的自然地質(zhì)現(xiàn)象，如凍脹、融沉、凍拔、凍融分選等，它們對工程產(chǎn)生極大的影響。統(tǒng)計研究表明，多年凍土區(qū)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、里程最長的高原鐵路，穿越多年凍土區(qū)約為632公里，其中高溫凍土區(qū)為76％，高含冰量凍土區(qū)為59％。由于凍土中大量厚層地下冰的存在決定了其特殊而復(fù)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，凍土融化或升溫后承載力將大大地降低，嚴重影響道路路基的穩(wěn)定性，這就為高溫、高含冰量凍土地區(qū)道路的修建與維護帶來極大的挑戰(zhàn)。因此，解決好凍土問題成為確保路基多年穩(wěn)定、保證道路安全運營的關(guān)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(jié)構(gòu)形式。該措施利用了多孔介質(zhì)的自然對流降溫效應(yīng)對其下部土體進行降溫，但由于松散的塊碎石體整體性很差，力學穩(wěn)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(shè)中采取了一種在塊碎石層頂部填加一定厚度土層的路基結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式可以確保路基的整體穩(wěn)定，但由于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部和底部溫差變小，從而導(dǎo)致塊碎石層內(nèi)自然對流效應(yīng)變?nèi)酰踔料В荒苡行У貙⑼饨缋淠軅鞯铰返滔虏康膬鐾林?。因此，在高溫凍土區(qū)要想單獨利用現(xiàn)有的這些技術(shù)來實現(xiàn)對下部凍土的保護，確保路基穩(wěn)定是相當困難的。

發(fā)明內(nèi)容
在全球氣候變暖的大背景下，為實現(xiàn)在青藏高原多年凍土(尤其高溫多年凍土)區(qū)對路堤下多年凍土的保護，確保路基的穩(wěn)定，本實用新型提供一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基。其根據(jù)青藏高原四季溫差大、氣溫通常比地表溫度低的氣候特征，利用多孔介質(zhì)的自然對流降溫效應(yīng)，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?shù)诇夭睿訌娮匀粚α鹘禍匦?yīng)，實現(xiàn)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(wěn)定性。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，是在壓實的天然地表上置有填筑壓密的砂礫石墊層，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(shè)帶有縱向貫通的通風孔的混凝土板，通風孔垂直于路基走向；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。
這種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基工作原理為多孔介質(zhì)的自然對流降溫效應(yīng)。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(xiàn)路堤內(nèi)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，增大塊碎石層頂部與底部表面溫差，塊碎石層中出現(xiàn)上部溫度低于底部，空氣密度上大下小，在重力和浮升力的作用下，內(nèi)部有空氣自然對流發(fā)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(xiàn)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(nèi)上部溫度高于下部，空氣密度上小下大，空氣處于相對靜止狀態(tài)，無對流發(fā)生。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，從而能夠阻隔來自塊碎石層頂部的熱量。本實用新型利用了通風孔來加強塊碎石層的自然對流降溫效應(yīng)，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(fā)生。
室內(nèi)試驗研究結(jié)果表明了本通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基具有較好的冷卻降溫作用。試驗在特制的大型保溫模型箱(尺寸8.0×1.84×2.7m)中進行，箱中環(huán)境溫度按照正弦函數(shù)T＝1.0+12sin(2πt/360+π/2)進行控制，式中T為環(huán)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混凝土板兩種情況。圖3顯示了無混凝土板和有通風混凝土板兩種情況下試驗?zāi)Ｐ椭袎K碎石層底部溫度過程線。圖3中曲線A表示環(huán)境控溫曲線、B表示無混凝土板情況、C表示有通風混凝土板情況。從圖3中可以看出在等同的試驗條件下，有通風混凝土板的塊碎石層底部溫度明顯低于無混凝土板的塊碎石層底部溫度。并且，在最后一個試驗周期，有通風混凝土板的塊碎石層底部最高溫度已低于0℃，平均溫度為-1.7℃，比環(huán)境平均溫度(1.0℃)低2.7℃，比無混凝土板情況(-0.1℃)低1.6℃。
以上室內(nèi)試驗研究結(jié)果表明本實用新型具有良好的冷卻降溫作用，可使其下部凍土溫度降低，使其處于較高的穩(wěn)定狀態(tài)，確保凍土路基的多年穩(wěn)定。
本實用新型的優(yōu)點與產(chǎn)生的有益效果是1、本實用新型由于塊碎石層頂部通風混凝土板的存在，充分利用了多孔介質(zhì)的自然對流降溫效應(yīng)，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(nèi)傳遞，實現(xiàn)對路基下部凍土的降溫作用，使其處在較低的溫度狀態(tài)，提升凍土上限，解決由于季節(jié)活動層在凍融過程中產(chǎn)生的凍脹與融沉給路基所帶來的破壞；2、本實用新型無需任何外部動力設(shè)施，無污染，保護生態(tài)環(huán)境。并且，塊碎石取材方便，混凝土板可在工廠加工完成后運往現(xiàn)場直接鋪設(shè)，對凍土不會產(chǎn)生大的人為擾動，可滿足高溫、高含冰量凍土地區(qū)工程穩(wěn)定性的特殊要求；3、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，主要材料為塊碎石和混凝土，成本低，易于施工與維護，降溫效果和工程穩(wěn)定性好，具有較好的應(yīng)用推廣前景。尤其在高溫、高含冰量的多年凍土區(qū)，它和旱橋一樣可以確保道路的穩(wěn)定和安全，但其造價僅為旱橋的40～50％。


圖1是本實用新型橫向剖面示意圖圖2是本實用新型縱向剖面示意圖圖3為無混凝土板和有通風混凝土板兩種情況下試驗?zāi)Ｐ椭袎K碎石層底部溫度過程線具體實施方式
以下結(jié)合附圖，將對本實用新型再做進一步的說明。
參照附圖1～2，一種利用天然冷能的通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，首先將天然地表6壓實，然后填筑厚度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，然后在水平塊碎石層3上部鋪設(shè)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，并壓密夯實。
當冬季外界氣溫較低時，通過混凝土板1的通風孔2實現(xiàn)路堤內(nèi)部與外界低溫氣流進行熱交換，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(上部溫度低于下部)，加大其內(nèi)部空氣自然對流強度，增強路基的整體導(dǎo)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(nèi)上部溫度高于下部，空氣處于相對靜止狀態(tài)，無對流發(fā)生。另外，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，從而能夠阻隔來自塊碎石層頂部的熱量。因此，實現(xiàn)了這種通風混凝土板與塊碎石層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(quán)利要求1.一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其特征是在壓實的天然地表(6)上置有填筑壓密的砂礫石墊層(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(shè)帶有縱向貫通的通風孔(2)的混凝土板(1)，通風孔(2)垂直于路基走向；混凝土板(1)上部有壓密夯實的路堤填土(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其特征是水平塊碎石層(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(jù)權(quán)利要求1所述的一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其特征是通風孔(2)形狀可為圓形、或半圓、或方形、或三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其特征是混凝土板(1)是由混凝土和鋼筋鑄模而成。
專利摘要本實用新型涉及一種通風混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其結(jié)構(gòu)特征是在壓實的天然地表上置有填筑壓密的砂礫石墊層，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(shè)帶有縱向貫通的通風孔的混凝土板，通風孔垂直于路基走向；混凝土板上部有壓密夯實的路堤填土。本實用新型將塊碎石層與通風混凝土板相結(jié)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(yīng)，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(nèi)傳遞，實現(xiàn)對路基下部凍土的降溫作用，提升凍土上限，解決由于季節(jié)活動層在凍融過程中產(chǎn)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(wěn)定。
文檔編號E01C3/00GK2835328SQ20052007931
公開日2006年11月8日 申請日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者張明義, 賴遠明, 馬小杰, 張淑娟 申請人:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所