專利名稱：復(fù)合溫控通風(fēng)路基的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在多年凍土地區(qū)進(jìn)行鐵路、公路和工程建筑建設(shè)中，有效地保護(hù)道路路基和建筑物基礎(chǔ)下部多年凍土，提高工程建筑穩(wěn)定性的一種模式。
背景技術(shù)：
土的凍結(jié)和融化作用塑造出獨(dú)特的冷生現(xiàn)象和自然景觀，人類活動(dòng)積極地參與了這一作用，在這獨(dú)特的環(huán)境下造就了協(xié)同發(fā)展著的脆弱生態(tài)環(huán)境，這個(gè)特殊的寒冷環(huán)境被稱為凍土環(huán)境。由于凍土所含有的厚層地下冰處于脆弱的熱平衡狀態(tài)，人類工程活動(dòng)極易誘發(fā)厚層地下冰的融化和凍土環(huán)境發(fā)生變化，對工程建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。我國興建的青藏鐵路、青藏公路工程項(xiàng)目以及將要進(jìn)行的新藏公路、新藏鐵路、南水北調(diào)西線工程都面臨高溫(即溫度接近0℃的多年凍土)、高含冰量凍土(即體積含冰量基本超過30％的多年凍土)、氣候轉(zhuǎn)暖和多年凍土不斷退化等諸多難題。如何解決好路基和基礎(chǔ)與多年凍土的相互作用，保證路基和基礎(chǔ)長期年穩(wěn)定、確保工程建筑安全運(yùn)營也就成為亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
脆弱寒區(qū)凍土、生態(tài)環(huán)境與人類積極的工程活動(dòng)之間的突出矛盾一直困擾著該類地區(qū)工程建設(shè)的順利進(jìn)行。為此，世界各凍土大國的科學(xué)家為尋找有效、工程施工便利，造價(jià)低、不污染環(huán)境的工程措施一直進(jìn)行著不懈的努力。俄羅斯科學(xué)家J F Nixon(Geothermal aspects of ventilated pad design.Proceedings of the Third International conference on Permafrost.1978，Edmonton，Alberta，Canada841～846)進(jìn)行了管通通風(fēng)制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。盛煜、張魯新、楊成松等在“保溫處理措施在多年凍土區(qū)道路工程中的應(yīng)用”(冰川凍土，2002，24(5)618-622)中報(bào)道了保護(hù)多年凍土的工程措施是在路基內(nèi)加鋪一層保溫材料。美國阿拉斯加交通科學(xué)報(bào)道的新式保護(hù)多年凍土的措施是將發(fā)卡熱管與保溫材料的組合放置于路堤的上部(見圖7)。該措施主要特點(diǎn)是利用熱管在保溫材料下部溫度高于上部溫度時(shí)開始工作，將下部熱量傳遞到上部，在相反溫度條件下則停止工作，阻止熱量的下傳，總體效果起到單向?qū)岬摹盁岫O管”的作用。但由于熱管埋置于路堤內(nèi)部，一旦熱管中的工質(zhì)發(fā)生泄漏，所導(dǎo)致熱管效能的喪失將無法修復(fù)。我國科學(xué)工作者立足國情，圍繞青藏鐵路國家重大工程項(xiàng)目，將已往在凍土區(qū)路基基礎(chǔ)等常用的以增加熱阻為手段的消極的保護(hù)凍土原則，改變?yōu)橐浴袄鋮s路基”為手段的積極的保護(hù)多年凍土原則，利用環(huán)境溫度變化的特征，調(diào)控路堤與外界的熱量傳遞與交換，達(dá)到和增強(qiáng)多年凍土地溫場的熱平衡，從而對工程建筑物的穩(wěn)定提供可靠的保證。申請的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，中國科學(xué)院“西部之光——凍土工程中保護(hù)凍土溫控關(guān)鍵技術(shù)研究”，中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程的重大項(xiàng)目“青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)”著重就上述問題開展了專題研究，在研究中完成了“自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置”和“液壓式自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置”的專利申請(申請?zhí)?3114640.6、03114641.4)。野外實(shí)施情況見圖4、圖5。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的基于上述思路和開展的專題研究，旨在提供一種高效復(fù)合溫控路基，即將帶有自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的通風(fēng)管和保溫材料的組合鋪設(shè)在路基中，通過自動(dòng)溫控系統(tǒng)控制路基內(nèi)部土體僅與外界的低溫氣流進(jìn)行熱量交換；設(shè)置在通風(fēng)管之間或上部的保溫材料可以阻隔外界熱量侵入，有效保存其下部的冷能，由此可以維持和增強(qiáng)多年凍土的熱量平衡，或通過冷能的積累和地溫場的不斷降低使工程建筑的穩(wěn)定性建立在較高的水平上；同時(shí)，也可有效避免季節(jié)活動(dòng)的凍融循環(huán)所帶來的凍脹、融沉對路基穩(wěn)定性的影響。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種復(fù)合溫控通風(fēng)路基，是將帶有自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置的通風(fēng)管、保溫材料埋設(shè)在路堤填土一定深度的位置處，自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置安裝在通風(fēng)管的端部，通風(fēng)管垂直于路基走向，保溫材料設(shè)置在通風(fēng)管之間，或整個(gè)通風(fēng)管的上部。
所謂的保溫材料是指聚苯乙烯(EPS)、聚氨脂(PU)、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯(XPS)中的一種。
上述的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置有兩種形式1、記憶合金式自動(dòng)溫控裝置通過對記憶合金彈簧(SMS)與普通彈簧(GS)的結(jié)合，就可以在不同溫度環(huán)境條件下進(jìn)行不同的相互作用；即在高溫AF溫度環(huán)境下，SMS的彈性系數(shù)高于GS的彈性系數(shù)，SMS可以對GS完成推動(dòng)作用；而在低于MF溫度環(huán)境下，SMS的彈性系數(shù)低于GS的彈性系數(shù)，GS可以對SMS完成反向推動(dòng)作用。AF、MF可以通過結(jié)合現(xiàn)場輻射條件、溫度條件和室內(nèi)試驗(yàn)，在加工和處理記憶合金彈簧的過程中完成設(shè)定。通過復(fù)合彈簧與風(fēng)門軸桿的連接，可以完成不同溫度條件下對風(fēng)門開啟或關(guān)閉的動(dòng)作，從而達(dá)到控制氣溫的目的。
2、液壓式自動(dòng)溫控裝置利用系統(tǒng)中的溫度感應(yīng)單元中的水體感應(yīng)外界氣溫的變化。在外界氣溫低于0℃的時(shí)候，單元中的水體發(fā)生凍結(jié)，并產(chǎn)生9％的體積膨脹。單元中的水體在凍結(jié)膨脹后對對周圍的液壓油產(chǎn)生壓力，在液壓油壓力的作用下，推動(dòng)液壓塞產(chǎn)生移動(dòng)，并推動(dòng)氣流控制單元打開通風(fēng)管中的風(fēng)門進(jìn)行通風(fēng)降溫；外界氣溫高于0℃的時(shí)候，溫度感應(yīng)單元中被凍結(jié)的冰體會(huì)發(fā)生融化，同時(shí)體積產(chǎn)生收縮，活塞在彈簧的作用下，回復(fù)到凍結(jié)前的位置，并關(guān)閉通風(fēng)管中的風(fēng)門，阻止熱空氣進(jìn)入，起到保護(hù)路基內(nèi)部冷能的作用。
圖6顯示了自控溫控通風(fēng)路基在青藏鐵路試驗(yàn)段的實(shí)測地溫資料。a～d分別表示自控路堤經(jīng)歷整個(gè)夏季4個(gè)典型時(shí)期路基中心地溫狀況。a中以虛線示意了路堤結(jié)構(gòu)和高度，通風(fēng)管所在的位置?？v坐標(biāo)為從路堤頂表明起算的深度軸；橫坐標(biāo)為溫度鉆孔觀測的地溫值。由圖可見，通風(fēng)管以上土體的溫度曲線斜率總體基本相同，即在土體導(dǎo)熱系數(shù)基本不變的情況下，存在一個(gè)較為穩(wěn)定的熱流向下部土體傳遞熱量。通過實(shí)測土體導(dǎo)熱系數(shù)基本為1.1W/(m·K)，由熱傳導(dǎo)方程Φ=λAΔtδ,]]>式中Φ單位時(shí)間從表面1傳導(dǎo)到表面2的熱量；λ導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；A導(dǎo)熱面積；Δt表面1與表面2溫度的差值；δ厚度。取距離路堤頂面1～2m的地層，6～9月的端面溫度平均值，單位面積熱流，即熱流密度為ΦA=λΔtδ=1.1W/(m·K)×5.8-2.31m=3.85W/m2]]>為簡化計(jì)算，自控部分使用液壓溫控裝置，在整個(gè)暖季(氣溫高于0℃)關(guān)閉風(fēng)門，通風(fēng)管在關(guān)閉之后其中的空氣的導(dǎo)熱系數(shù)保持0.02W/(m·K)，現(xiàn)以最常用EPS保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)0.03W/(m·K)計(jì)算，通風(fēng)管之間鋪設(shè)10cm的保溫材料，維持保溫材料上下端面3℃的溫差(綜合圖3a和保溫材料應(yīng)用實(shí)測資料)，通過保溫材料層面的熱流密度約為
ΦA=λΔtδ=0.03W/(m·K)×2-(-1)0.1m=0.9W/m2]]>由于暖季進(jìn)入下部土體的熱量需要靠冷季的放熱加以消除，多余的放熱用于土體溫度的降低。由此可以計(jì)算出，降低1倍的熱通量就可以提高整體2倍的降溫功效。通過計(jì)算，通過通風(fēng)路基中通風(fēng)管層面的熱通量，本發(fā)明熱流密度為自控通風(fēng)路基的23.4％，本發(fā)明的降溫功效是自動(dòng)溫控通風(fēng)路基的8.6倍。綜合通風(fēng)管在關(guān)閉狀態(tài)下，通風(fēng)管兩側(cè)外端面受輻射吸熱引起的通風(fēng)管內(nèi)部自然對流換熱，以及由于保溫材料界面以下路堤填土在兩側(cè)熱邊界條件下的熱傳導(dǎo)的影響，以及通風(fēng)管管壁熱傳導(dǎo)等其它次要因素的影響，以較為保守消減效能40～50％計(jì)算，本專利的降溫功效將是自動(dòng)溫控通風(fēng)路基的3～4倍。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是1、安裝在通風(fēng)管端部的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，具有容許相對低溫氣流的流動(dòng)，而阻止高溫氣流流動(dòng)的功能，即在環(huán)境氣溫低于0℃時(shí)，自動(dòng)打開風(fēng)門，通過通風(fēng)管進(jìn)行內(nèi)部土體與外界氣流的對流傳熱；當(dāng)環(huán)境溫度高于0℃時(shí)，關(guān)閉風(fēng)門，阻止氣流和上部土體熱量傳入，達(dá)到單向制冷作用，從而保護(hù)路基底部凍土的穩(wěn)定性。經(jīng)現(xiàn)場半年多的實(shí)踐，該套裝置在設(shè)定溫度范圍內(nèi)自動(dòng)完成規(guī)定動(dòng)作，打開或關(guān)閉風(fēng)門，動(dòng)作準(zhǔn)確，工作正常；2、在通風(fēng)管之間或整個(gè)上部鋪設(shè)一層保溫材料。從整個(gè)路基底部的降溫效能來看，自控通風(fēng)路基降溫效能有很大的提高，在白天阻止了氣流對路堤內(nèi)部的直接加熱作用，但在夏季路堤表面熱邊界條件作用下，由于路堤填土的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)相對提高，依然有較為強(qiáng)烈的熱流會(huì)通過通風(fēng)管之間的土體向下部多年凍土傳導(dǎo)，對其效能產(chǎn)生很大影響，本發(fā)明通過在通風(fēng)管之間，或在通風(fēng)管的上部鋪設(shè)保溫材料就可以極大削減這種熱傳導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸熱量，提高了整體的降溫效能；3、本發(fā)明將自動(dòng)溫控通風(fēng)路基與保溫材料的有機(jī)結(jié)合，充分利用兩者的突出優(yōu)點(diǎn)，通過對自然界冷能的采用，儲(chǔ)藏，達(dá)到對路基的最大降溫效果，有效地解決脆弱寒區(qū)凍土與人類工程活動(dòng)之間的突出矛盾，滿足工程建筑在高溫、高含冰量凍土區(qū)域工程穩(wěn)定性的特殊要求；4、在工程穩(wěn)定性方面，由于本發(fā)明在青藏鐵路工程中的實(shí)施，使工程建筑基礎(chǔ)中冷能的不斷積累，使多年凍土可以維持在一個(gè)較低、穩(wěn)定的溫度場中，有效避免常見的工程實(shí)施后地溫的升溫現(xiàn)象，以及由此而造成的路基沉降變形，使基礎(chǔ)工程穩(wěn)定性得以建立在較高的水平上。同時(shí)由于人為多年凍土上限的提高，避免了季節(jié)活動(dòng)層的凍融循環(huán)所帶來的凍脹、融沉對工程穩(wěn)定性的影響；5、本發(fā)明在滿足路基下部多年凍土的溫度場穩(wěn)定要求的前提下，可以通過降低路堤高度和通風(fēng)管與保溫材料的合理布局，來減少總體工程的造價(jià)，縮短建設(shè)周期，參照青藏鐵路建設(shè)的實(shí)際工程施工費(fèi)用，該項(xiàng)發(fā)明的工程費(fèi)用約為拋石路基的1/2-1/3，與青藏公路熱棒試驗(yàn)段的工程措施費(fèi)用基本持平，但本發(fā)明的降溫效果明顯優(yōu)于前者。因此，從整個(gè)工程措施的投入產(chǎn)出來看，復(fù)合溫控路基的造價(jià)要明顯優(yōu)于其它工程措施，強(qiáng)度高，工程穩(wěn)定性好；6、在應(yīng)用范圍方面，由于儲(chǔ)冷作用機(jī)理，除了高含冰量多年凍土區(qū)，在高溫多年凍土、島狀多年凍土等環(huán)境溫度較高地區(qū)本發(fā)明的技術(shù)措施均可應(yīng)用。
圖1是復(fù)合溫控通風(fēng)路基斷面示意2是圖1自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置圖3是圖1保溫材料設(shè)置在通風(fēng)路基通風(fēng)管之間示意4是圖1清晨自動(dòng)溫控風(fēng)門處于開啟并正在關(guān)閉狀態(tài)示意5是圖1中午自動(dòng)溫控風(fēng)門處于關(guān)團(tuán)狀態(tài)6是不同日期自控與無自控管間中心鉆孔溫示對比示意7是發(fā)卡式熱管與保溫材料組合的路基結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合附圖，將對本發(fā)明再作進(jìn)一步的說明實(shí)施例1，一種復(fù)合溫控通風(fēng)路基，是由自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置1(自制，已申請中國發(fā)明專利，申請?zhí)枮?3114640.6，03114641.4)、水泥通風(fēng)管2、聚苯乙烯(EPS)板、土石組成。通風(fēng)管2垂直于路基走向并埋設(shè)在路堤填土的下部，其端部安裝自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置1，聚苯乙烯(EPS)板設(shè)置在通風(fēng)路基通風(fēng)管2的上部，用土石覆蓋夯實(shí)。
當(dāng)外界氣溫低于0℃時(shí)，自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置1的風(fēng)門4自動(dòng)張開，促使路堤和基礎(chǔ)內(nèi)部土體通過通風(fēng)管2與外界冷空氣進(jìn)行對流換熱；當(dāng)外界氣溫高于0℃時(shí)，自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置1的風(fēng)門4自動(dòng)閉合，阻止外界熱量的傳入。
在通風(fēng)管上部鋪設(shè)一層10cm聚苯乙烯(EPS)保溫板，克服低溫?zé)崃康姆懦?，極大的削減路堤填土通過熱傳導(dǎo)對通風(fēng)管2下部土體和多年凍土熱量的傳遞。
通過自動(dòng)溫控裝置1、通風(fēng)管2和聚苯乙烯(EPS)保溫板的有機(jī)結(jié)合，克服了低溫?zé)崃康姆懦?，高溫?zé)崃康膫魅?，極大地提高了路基的降溫效能，實(shí)現(xiàn)了對冷能的采用、儲(chǔ)藏，保證了多年凍土的穩(wěn)定性，滿足了青藏鐵路路基在多年凍土穩(wěn)定性的技術(shù)需求。
實(shí)施例2，將通風(fēng)管2埋設(shè)在路堤填土一定深度的位置處，其端部安裝自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置1，注塑聚苯乙烯(XPS)保溫板鋪設(shè)在通風(fēng)管之間，其隔熱降溫效果與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合溫控通風(fēng)路基，是由自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置(1)、通風(fēng)管(2)、保溫材料(3)、土石組成，其特征在于通風(fēng)管垂直于路基走向并埋設(shè)路堤填土一定深度的位置處，其端部安裝自動(dòng)溫控透風(fēng)裝置(1)，保溫材料(3)設(shè)置在透風(fēng)路基透風(fēng)管(2)之間/或整個(gè)通風(fēng)管(2)的上部，用土石覆蓋夯實(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書所述的一種復(fù)合溫控透風(fēng)路基，其特征在于所述的保溫材料(3)至少為聚苯乙烯(EPS)、聚氨脂(PU)、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯(XPS)中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及在多年凍土地區(qū)進(jìn)行鐵路、公路和工程建筑建設(shè)中，有效地保護(hù)道路路基和建筑物基礎(chǔ)下部多年凍土，提高工程建筑穩(wěn)定性的一種模式。其結(jié)構(gòu)特征為通風(fēng)管垂直于路基走向并埋設(shè)路堤填土一定深度的位置處，其端部安裝自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，保溫材料設(shè)置在通風(fēng)路基通風(fēng)管之間/或整個(gè)通風(fēng)管的上部，填土石覆蓋夯實(shí)。通過自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置控制路基內(nèi)部土體僅與外界的低溫氣流進(jìn)行熱量交換；設(shè)置在通風(fēng)管之間或上部的保溫材料可以阻隔外界熱量侵入；有效保護(hù)其下部的多年凍土，使路基在多年凍土的穩(wěn)定性維持在較高的水平上；有效地避免季節(jié)活動(dòng)層的凍融循環(huán)所帶來的凍脹、融沉對路基穩(wěn)定性的影響，這種新型路基充分利用自然冷能，確保多年凍土區(qū)的工程建筑的穩(wěn)定性，解決了多年凍土區(qū)建設(shè)中的問題。
文檔編號E01C3/06GK1556284SQ20041000213
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月8日
發(fā)明者俞祁浩, 程國棟, 牛富俊, 鄧友生 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所