本發(fā)明涉及凍土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種通風(fēng)管塊石間夾式自控通風(fēng)管路基。

背景技術(shù)：

在我國青藏高原、東北等多年凍土區(qū)，通過長期的演化、發(fā)展和變化，形成了厚達(dá)幾米、甚至十幾米、各具形態(tài)的后增地下冰。隨著氣候環(huán)境的變化、人為工程活動的影響，導(dǎo)致凍土和地下冰退化和融化，從而導(dǎo)致各種工程災(zāi)害的產(chǎn)生，對各種重大工程建筑穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

通過采用保護(hù)凍土工程措施，主動冷卻凍土基礎(chǔ)，是保證凍土工程長期安全運(yùn)營、穩(wěn)定的關(guān)鍵途徑。在這些措施中，有效調(diào)控凍土工程的對流換熱措施，是一種保護(hù)凍土基礎(chǔ)重要的工程措施。該類措施通過有效促進(jìn)冬季、或夜晚低溫環(huán)境條件下基礎(chǔ)與外界環(huán)境的換熱過程，有效抑制暖季、或白天高溫環(huán)境條件下基礎(chǔ)的換熱過程，由此達(dá)到冷能在路基內(nèi)部不斷存儲、凍土地溫的不斷降低、基礎(chǔ)穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)的目的。

面對國家“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃的出臺，青藏高速公路即將修筑，但是，高速公路與普通公路、鐵路相比，凍土問題將更為突出。已有研究表明（俞祁浩等.我國多年凍土區(qū)高速公路修筑關(guān)鍵問題研究.中國科學(xué)（技術(shù)科學(xué)），2014，44（4）:425~432），由于黑色路面的強(qiáng)烈吸熱、瀝青路面隔水和阻止水分蒸發(fā)散熱的影響，使得相同條件下公路路基的吸熱強(qiáng)度是鐵路的3倍多，且吸收的熱量，主要集中在路堤的中心部位，并難以向周圍凍土散熱。而高速公路與普通公路相比，更加劇了該種現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)公路路基寬度增加約1倍時，路堤底面的吸熱強(qiáng)度增加約0.6倍，路基吸熱進(jìn)一步聚集在路基的中心部位，由此產(chǎn)生更加明顯的“聚熱效應(yīng)”，將導(dǎo)致凍土更加快速的退化。

面對更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、更寬的公路路面，高速公路與凍土之間的熱作用更加顯著，在多年凍土區(qū)修筑高速公路將會面對更為突出的凍土工程問題和修筑技術(shù)難題。由于傳熱途徑、強(qiáng)度等方面的根本改變，通過青藏鐵路等獲得的成功經(jīng)驗、先進(jìn)技術(shù)難以在青藏高速公路建設(shè)中直接應(yīng)用。

在道路路基內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)管，使得路基內(nèi)部與周圍環(huán)境空氣之間產(chǎn)生對流換熱作用，及時將路基吸收的熱量及時散出，由此達(dá)到降溫的目的。因此，通風(fēng)路基是多年凍土區(qū)保護(hù)凍土的一種重要工程措施。但是，由于結(jié)構(gòu)型式的不同、通風(fēng)管管壁換熱性能的不同都將對路基的整體換熱效能產(chǎn)生重要影響。由此，其就成為諸多技術(shù)關(guān)注和研發(fā)的重點。雖然相關(guān)技術(shù)具有一定的新穎性，但在實際應(yīng)用中尚存在不同問題，仍需要進(jìn)行研發(fā)。現(xiàn)有技術(shù)存在的問題主要為：

《保護(hù)凍土隔熱降溫裝置》（俞祁浩，200420041458.3），雖然在通風(fēng)管口安裝了自動溫控系統(tǒng)，能夠強(qiáng)化通風(fēng)管的降溫效能，在通風(fēng)管之上設(shè)置保溫材料，能夠起一定的保冷、隔熱作用，但是該調(diào)控路基對下部土體降溫方式仍為垂直路基的間隔、線式降溫模式，不僅會引起多年凍土上限、地溫場沿公路走向的起伏、不均勻變化，并導(dǎo)致路基開裂等潛在工程病害的產(chǎn)生，而且，降溫效能尚難以滿足實際工程需要。由于這些問題的存在，導(dǎo)致該種措施難以滿足凍土高速公路整體、均勻、高效降溫的特殊要求。

《基于xps保溫板與通風(fēng)管的復(fù)合路基》（王鐵權(quán)，201420016447.3），不僅屬于線式降溫方式，同時由于暖季通風(fēng)管換熱過程的重要影響，使得該種措施年循環(huán)的整體效能大幅下降，甚至難以降溫，這些都離凍土高速公路地溫調(diào)控的技術(shù)要求相去甚遠(yuǎn)。

因此，為滿足多年凍土區(qū)修筑高速公路的實際工程需要，面對地溫整體、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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能對高速公路凍土路基進(jìn)行整體、均勻、平面式快速降溫、對流儲冷的通風(fēng)管塊石間夾式自控通風(fēng)管路基。

為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種通風(fēng)管塊石間夾式自控通風(fēng)管路基，其特征在于：該路基包括設(shè)在路堤填土中的沿垂直路基走向設(shè)置與外界相通的水平通風(fēng)管；所述水平通風(fēng)管的一端或兩端管口安裝自動溫控風(fēng)門；相鄰所述水平通風(fēng)管之間鋪設(shè)塊石層；所述水平通風(fēng)管與所述塊石層的上方連續(xù)水平鋪設(shè)保溫材料。

所述水平通風(fēng)管的直徑為0.3~0.8m，其相鄰管軸線間距為2~8倍管徑，其管中心軸線距天然地表為0.5~1.5m。

所述自動溫控風(fēng)門的溫度控制閾范圍為-5℃~5℃。

所述塊石層為塊石或塊碎石，其厚度與所述水平通風(fēng)管的外徑相一致。

所述保溫材料的厚度為10~50cm，其埋設(shè)位置距所述水平通風(fēng)管頂部0.0~1.0m。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、平面、整體式新型降溫方式的實現(xiàn)。

通常的通風(fēng)管路基降溫方式是沿著通風(fēng)管對周圍土體進(jìn)行線式降溫，這樣在路基走向上表現(xiàn)出較不平整的地溫分布，容易出現(xiàn)路面波浪起伏問題。而本發(fā)明由于通風(fēng)管、管間塊石層整體對流換熱方式的存在，使得路基的降溫可以平面、整體進(jìn)行，根本解決公路、特別是高速公路整體、均勻降溫的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2、降溫效能的大幅提高。

由于空氣對流、換熱、降溫通道的拓寬，降溫效能在很大程度上得以提高；同時由于暖季風(fēng)門的關(guān)閉，以及保溫材料，通風(fēng)管和塊石層的雙層隔熱效能，都使得暖季的熱量難以進(jìn)入路基的內(nèi)部，冬季儲藏的冷能得到最大程度保護(hù)。因此，通過冬季降溫、暖季隔熱雙重效能的提升和組合，可以大幅提升本發(fā)明的降溫效能。

3、路基穩(wěn)定性的大幅增加。

以往工程措施作用下的次生工程病害主要來源于地溫場，特別是0℃等值線的平整性、均勻性。因此，對于高等級公路，降溫過程中0℃等值線變化過程的平整性、均勻性直接影響凍土路基工程的穩(wěn)定性。由于本發(fā)明降溫、隔熱的雙重平整性，都使得地溫場的平穩(wěn)性大幅提高。同時由于降溫效能的提升、凍土基礎(chǔ)強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)，都使得路基穩(wěn)定性大幅增加。

4、工程結(jié)構(gòu)簡單、有效縮短施工周期。

與塊石路基、或塊石與通風(fēng)管復(fù)合等工程措施相比，本發(fā)明僅為通風(fēng)管、塊石層單一層面的工程建材的鋪設(shè)，其上層的保溫材料鋪設(shè)也相對簡便，這些都使得工程建設(shè)周期大幅縮短。

5、有效降低工程建設(shè)成本。

由于青藏高原脆弱生態(tài)環(huán)境的限制，所需塊石需要單獨(dú)開采、長距離運(yùn)輸，材料成本在整個工程中的占比很大。由于本發(fā)明大量縮減石材的使用，其厚度僅為以往塊石層厚度的1/3~1/2，增加的通風(fēng)管、保溫材料、風(fēng)門的成本相對低廉，因此，可有效降低工程建設(shè)的綜合成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明的橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的縱斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為以往技術(shù)和本發(fā)明的路基下部凍土上限隨時間變化曲線對比圖。

圖4為以往技術(shù)降溫初期地溫剖面圖。

圖5為本發(fā)明降溫初期地溫剖面圖。

圖中：1-路基填土2-保溫材料3-水平通風(fēng)管4-自動溫控風(fēng)門5-塊石層6-天然地表。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，一種通風(fēng)管塊石間夾式自控通風(fēng)管路基，該路基包括設(shè)在路堤填土1中的沿垂直路基走向設(shè)置與外界相通的水平通風(fēng)管3。水平通風(fēng)管3的一端或兩端管口安裝自動溫控風(fēng)門4；相鄰水平通風(fēng)管3之間鋪設(shè)塊石層5；水平通風(fēng)管3與塊石層5的上方連續(xù)水平鋪設(shè)保溫材料2。

其中：

水平通風(fēng)管3的直徑為0.3~0.8m，其相鄰管軸線間距為2~8倍管徑，其管中心軸線距天然地表6為0.5~1.5m。

自動溫控風(fēng)門4的溫度控制閾范圍為-5℃~5℃。自動溫控風(fēng)門4可根據(jù)環(huán)境氣溫和時間變化，自動開啟、或關(guān)閉，高于溫度控制閾值風(fēng)門關(guān)閉，低于溫度控制閾值風(fēng)門開啟。

塊石層5為塊石或塊碎石，其厚度與水平通風(fēng)管3的外徑相一致。

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)位置距水平通風(fēng)管3頂部0.0~1.0m。

本發(fā)明工作原理：

這種設(shè)有保溫板、塊石層的自控通風(fēng)管路基從對流和熱傳導(dǎo)兩方面進(jìn)行綜合調(diào)控，其工作過程為：

冬季低溫環(huán)境條件下，水平通風(fēng)管3自動溫控風(fēng)門4自動打開，路堤與外界通過水平通風(fēng)管3進(jìn)行對流換熱，對水平通風(fēng)管3周圍的土體進(jìn)行降溫。與此同時，水平通風(fēng)管3之間塊石層由于大空隙條件的存在，在溫差、不同空氣密度推動下，塊石層5內(nèi)也存在自然對流換熱過程。由此導(dǎo)致整體換熱層面的形成，不僅大幅提升水平通風(fēng)管3換熱效能，而且對路堤實現(xiàn)了進(jìn)行整體、均勻、高效降溫的目的。

暖季高溫環(huán)境條件下，水平通風(fēng)管3自動溫控風(fēng)門4自動關(guān)閉，由此阻止路堤與外界的換熱過程，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，首先，保溫材料2有效阻止了上部熱量的下傳，其次，由于空氣的導(dǎo)熱性能非常低，較大孔隙度的塊石層5和水平通風(fēng)管3進(jìn)一步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。

由此，本發(fā)明通過強(qiáng)化水平通風(fēng)管3的降溫效能，并利用保溫材料2實現(xiàn)阻熱蓄冷功能，利用塊石層5的熱對流和單向?qū)嵝阅埽瑢崿F(xiàn)對路基下部凍土進(jìn)行整體、平面式降溫，提高凍土上限，防治凍土路基發(fā)生路面不均勻沉降類災(zāi)害問題。

本發(fā)明具體應(yīng)用實例1：

⑴在壓實的天然地表上填筑路堤填土1，在路基填土1內(nèi)設(shè)置與路基走向垂直的水平通風(fēng)管3，水平通風(fēng)管3的直徑為0.6m，相鄰水平通風(fēng)管3中心軸線之間的間距為2m，其管中心軸線距天然地表6為1m。

⑵在水平通風(fēng)管3的兩端管口安裝自動溫控風(fēng)門4，自動溫控風(fēng)門4溫度控制閾值為0℃。

⑶在相鄰水平通風(fēng)管3之間鋪設(shè)塊石層5，該層厚度為0.6m，位置與水平通風(fēng)管3平齊。

⑷在水平通風(fēng)管3上部水平鋪設(shè)10cm厚的xps保溫板2。

為驗證本發(fā)明路堤的調(diào)控效能，結(jié)合上述路基，在高溫凍土區(qū)環(huán)境條件下對本發(fā)明路基的降溫效果與已有技術(shù)（通風(fēng)管保溫材料復(fù)合路基）進(jìn)行了數(shù)值仿真計算及對比。由計算結(jié)果可見，本發(fā)明較以往技術(shù)具有突出先進(jìn)性。其中：

⑴更突出的降溫效能，有效提升凍土地基的持力強(qiáng)度，確保高速公路凍土路基的長期穩(wěn)定性。凍土路基的沉降變形與凍土上限有關(guān)，如圖3所示，本發(fā)明的上限隨年限變化趨勢（圖中“本發(fā)明”曲線）完全解決了已有技術(shù)（通風(fēng)管保溫材料復(fù)合路基，圖中“已有技術(shù)”曲線）上限隨運(yùn)行年限不斷下降的現(xiàn)象，路基下凍土上限在投入運(yùn)行的第2年之后將穩(wěn)定保持在原天然地表處。與此對應(yīng)，凍土地基的持力強(qiáng)度將得到大幅度提升，凍土路基沉降病害問題將得到根據(jù)解決，能夠確保高速公路凍土路基的長期穩(wěn)定性。

⑵有效改善凍土路基地溫場分布，改變以往調(diào)控措施的降溫方式，從根本上解決高速公路的修筑難題。圖4、圖5為調(diào)控路基降溫初期地溫剖面圖，由圖4、圖5中0℃地溫曲線可以看出，與已有技術(shù)（通風(fēng)管保溫材料復(fù)合路基，圖4）沿通風(fēng)管線性降溫方式完全不同，本發(fā)明（圖5）對下部土體呈整體、均勻、面式降溫，這將消除路基由于地溫場不平整引起的路面不均勻變形，根本解決路基走向上路面起伏問題，滿足高速公路凍土路基平整性的高標(biāo)準(zhǔn)。