專利名稱：塊(碎)石聚冷路基的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種道路的構(gòu)造，尤其是一種塊(碎)石聚冷路基。這種U型結(jié)構(gòu)利用多孔介質(zhì)的自然對(duì)流降溫效應(yīng)，將自然冷能輸送到路堤下部及其下伏凍土中，可有效保護(hù)其下部的多年凍土，維持凍土路基的多年穩(wěn)定。
背景技術(shù)：
我國(guó)多年凍土面積約占國(guó)土面積的22.4％，居世界第三位。目前青藏鐵路、青藏公路、青康公路、大小興安嶺等地的道路均有相當(dāng)長(zhǎng)的路段通過(guò)多年凍土區(qū)。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，在多年凍土區(qū)影響道路穩(wěn)定的主要因素是由于凍土升溫、地下冰融化導(dǎo)致的融沉。由于全球變暖和道路興建造成凍土退化的雙重影響，尤其為高溫、高含冰量?jī)鐾恋貐^(qū)道路的修建與維護(hù)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。因此，解決好凍土問(wèn)題成為確保路基多年穩(wěn)定、保證道路安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。
為了解決好凍土問(wèn)題，美國(guó)科學(xué)家Douglas J.Goering(Goering D J.Passively cooled railway embankments for use in permafrost areas[J].Journal ofCold Regions Engineering，2003，17(3)119～133)提出了一種完全以塊(碎)石堆積而成的路基結(jié)構(gòu)形式。該措施利用了多孔介質(zhì)的自然對(duì)流降溫效應(yīng)對(duì)其下部土體進(jìn)行降溫，但由于松散的塊(碎)石體整體性很差，力學(xué)穩(wěn)定性很難保證，在機(jī)車等外力作用下容易變形，甚至坍塌。我國(guó)在青藏鐵路建設(shè)中采取了一種在塊(碎)石層頂部添加一定厚度土層的水平塊(碎)石路基，該結(jié)構(gòu)形式可以確保路基的整體穩(wěn)定，但由于路堤上部填土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?shù)诇夭钭冃。蟠鬁p弱了塊(碎)石層的對(duì)流降溫效應(yīng)，在高溫多年凍土區(qū)確保路基的穩(wěn)定存在一定問(wèn)題。孫志忠等在《厚層地下冰段路橋涵關(guān)鍵技術(shù)的研究階段成果報(bào)告(北麓河)之子報(bào)告碎石及拋片石護(hù)坡保溫試驗(yàn)工程研究報(bào)告，2003.》中研究了青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段塊(碎)石護(hù)坡路基的降溫效果，同時(shí)指出塊(碎)石護(hù)坡路基對(duì)路基坡腳處凍土起到較好的冷卻降溫作用，但路基中部土體溫度仍處于相對(duì)較高狀態(tài)，這種溫度場(chǎng)的不均衡容易造成路基的不均勻變形，引起道路的縱向開裂，影響交通安全。

發(fā)明內(nèi)容
為在全球氣候變暖的大背景下，在高溫凍土區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)路基下部?jī)鐾恋谋Ｗo(hù)，保證路基長(zhǎng)期穩(wěn)定，本實(shí)用新型提供一種塊(碎)石聚冷路基。其充分結(jié)合塊(碎)石護(hù)坡路基和水平塊(碎)石路基的優(yōu)點(diǎn)，利用多孔介質(zhì)的自然對(duì)流降溫效應(yīng)，通過(guò)塊(碎)石護(hù)坡與水平塊(碎)石層相連接，形成U型結(jié)構(gòu)，將天然冷能有效地傳至路堤及其下部土體中，從而使路堤下部?jī)鐾翜囟日w降低，提高路基的整體穩(wěn)定性，確保道路的行車安全。
本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種塊(碎)石聚冷路基，是在路堤深度處置有貫通的水平塊碎石層，其上部覆蓋土工布，土工布上部填筑厚度≥0.5m路堤填土，塊碎石護(hù)坡填加于路堤兩側(cè)且與水平塊碎石層連通，呈U型，水平塊碎石層下部座落在與天然地表接觸且壓密的砂礫石墊層上。
砂礫石墊層厚度0～0.5m，塊碎石粒徑為10～30cm，水平塊碎石層鉛直方向厚度為1.0～2.0m，兩側(cè)塊碎石護(hù)坡水平厚度為0.5～2.5m。
這種U型聚冷路基的工作原理為多孔介質(zhì)的自然對(duì)流降溫效應(yīng)，其過(guò)程可描述為當(dāng)冬季外界氣溫較低，塊(碎)石護(hù)坡和水平塊(碎)石層內(nèi)出現(xiàn)上部溫度低于下部，空氣密度上大下小，在重力的作用下塊(碎)石層內(nèi)的空氣就會(huì)有自然對(duì)流發(fā)生，空氣的流動(dòng)將外部冷量攜帶至塊(碎)石護(hù)坡底部，部分傳給其下部土層，部分通過(guò)水平塊(碎)石層中空氣的流動(dòng)傳至路堤中部，并且下部較輕的熱空氣的上浮流動(dòng)也會(huì)把路基中大量的熱量帶出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路堤自身及其下部土層的降溫作用；當(dāng)夏季外界溫度較高時(shí)，造成塊(碎)石護(hù)坡和水平塊(碎)石層內(nèi)出現(xiàn)上部溫度高于下部，空氣密度上小下大，空氣處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)對(duì)流發(fā)生，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，接近于絕熱，阻隔了外界熱量的侵入。從而實(shí)現(xiàn)了這種路堤結(jié)構(gòu)在寒季的散熱量遠(yuǎn)大于暖季的吸熱量，達(dá)到了對(duì)下部土體降溫，保護(hù)凍土的目的。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與產(chǎn)生的有益效果1、本U型聚冷路基結(jié)構(gòu)充分利用多孔介質(zhì)的自然對(duì)流降溫效應(yīng)，通過(guò)夏季阻隔熱量向路基內(nèi)傳遞，冬季加強(qiáng)熱量的散出，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基下部土體的降溫作用，從而提高凍土路基的穩(wěn)定性，確保寒區(qū)道路的暢通，解決高溫、高含冰量?jī)鐾恋貐^(qū)工程穩(wěn)定性的特殊要求；2、本路基結(jié)構(gòu)可使路基下部土體溫度降低，凍土上限提升，避免了由于季節(jié)活動(dòng)層在凍融過(guò)程中產(chǎn)生的凍脹與融沉給路基所帶來(lái)的破壞；
3、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要材料為塊(碎)石，取材方便，成本低，降溫效果好，易于施工與維護(hù)，無(wú)需任何外部動(dòng)力設(shè)施，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(jià)僅為旱橋的40～50％。


圖1是本實(shí)用新型斷面示意圖圖2是水平塊(碎)石路基、塊(碎)石護(hù)坡路基和U型聚冷路基中心線在2003年7月30日地溫比照示意圖圖3是水平塊(碎)石路基、塊(碎)石護(hù)坡路基和U型聚冷路基中心線在2004年1月30日地溫比照示意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，將對(duì)本實(shí)用新型再做進(jìn)一步的說(shuō)明。
參照附圖1，一種塊(碎)石聚冷路基，首先將天然地表6壓實(shí)，然后填筑0.3m厚砂礫石墊層3，并壓密；砂礫石墊層3上部填加貫通的水平塊(碎)石層2，粒徑為10～30cm，鉛直方向厚度為1.5m，然后上部覆蓋土工布4，在土工布4上部再填加路堤填土5，并壓密夯實(shí)，土工布4的作用是防止路堤填土5進(jìn)入水平塊(碎)石層2；最后將塊(碎)石護(hù)坡1填加于路堤兩側(cè)，水平厚度為1.6m，粒徑為10～30cm，塊(碎)石護(hù)坡與水平塊(碎)石層相連通，呈U型結(jié)構(gòu)。
當(dāng)外界氣溫較低，塊(碎)石護(hù)坡和水平塊(碎)石層內(nèi)出現(xiàn)上部溫度低于下部，內(nèi)部空氣就會(huì)有自然對(duì)流發(fā)生，空氣的流動(dòng)增強(qiáng)了路基的整體導(dǎo)熱性，從而加大了路堤自身及其下部土層熱量的散失；當(dāng)外界溫度較高時(shí)，造成塊(碎)石護(hù)坡和水平塊(碎)石層內(nèi)出現(xiàn)上部溫度高于下部，空氣處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)對(duì)流發(fā)生，阻隔了外界熱量的侵入。從而實(shí)現(xiàn)了這種U型聚冷路基在冬季放熱量遠(yuǎn)大于夏季的吸熱量，達(dá)到對(duì)路堤下部?jī)鐾恋慕禍刈饔茫岣呗坊€(wěn)定性的目的。
野外試驗(yàn)圖2為水平塊(碎)石路基、塊(碎)石護(hù)坡路基和U型聚冷路基中心線在2003年7月30日地溫比照示意圖。圖3是水平塊(碎)石路基、塊(碎)石護(hù)坡路基和U型聚冷路基中心線在2004年1月30日地溫比照示意圖。圖中縱坐標(biāo)為路基縱向深度軸，0刻度以上為天然地面以上路堤部分，0刻度以下為天然地面以下天然土層部分；橫坐標(biāo)為溫度值。下面對(duì)三種路基結(jié)構(gòu)形式下部地溫進(jìn)行對(duì)比分析，圖2所示在2003年7月30日時(shí)，深度為0m刻度處水平塊(碎)石路基地溫為-1.5℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-0.1℃，U型聚冷路基為-2.2℃；深度為2m刻度處水平塊(碎)石路基為-1.6℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-0.3℃，U型聚冷路基為-2.3℃；深度為5m刻度處水平塊(碎)石路基為-1.3℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-0.8℃，U型聚冷路基為-1.9℃；深度為10m刻度處水平塊(碎)石路基為-1.1℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-1.0℃，U型聚冷路基為-1.5℃。圖3所示在2004年1月30日，深度為0m刻度處水平塊(碎)石路基為-0.2℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為0.1℃，U型聚冷路基為-0.8℃；深度為2m刻度處水平塊(碎)石路基為-0.7℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-0.1℃，U型聚冷路基為-1.2℃；深度為5m刻度處水平塊(碎)石路基為-1.2℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-0.6℃，U型聚冷路基為-1.6℃；深度為10m刻度處水平塊(碎)石路基為-1.4℃，塊(碎)石護(hù)坡路基為-0.9℃，U型聚冷路基為-1.6℃。從以上數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看本U型聚冷路基降溫效果最好，在路堤以下0～10m范圍內(nèi)地溫始終保持最低，在同等深度處，與水平塊碎石路基最大差值為0.7℃，與塊(碎)石護(hù)坡路基最大可達(dá)2.1℃。另外，從圖2、圖3中也可看出本U型聚冷路基結(jié)構(gòu)將凍土上限(0℃)終年維持在原天然地面以上，消除了原天然活動(dòng)層在凍融循環(huán)中產(chǎn)生的凍脹和融沉對(duì)路基的破壞。因此本實(shí)用新型可有效降低其下部多年凍土溫度，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。
權(quán)利要求1.一種塊(碎)石聚冷路基，其特征是在路堤深度處，置有貫通的水平塊碎石層(2)，其上部覆蓋土工布(4)，土工布(4)上部填筑厚度≥0.5m路堤填土(5)，塊碎石護(hù)坡(1)填加于路堤兩側(cè)且與水平塊碎石層(2)連通，呈U型，水平塊碎石層(2)下部座落在與天然地表(6)接觸且壓密的砂礫石墊層(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種塊(碎)石聚冷路基，其特征是砂礫石墊層(3)厚度為0～0.5m，塊碎石粒徑為10～30cm，水平塊碎石層(2)鉛直方向厚度為1.0～2.0m，兩側(cè)塊碎石護(hù)坡(1)水平厚度為0.5～2.5m。
專利摘要一種塊(碎)石聚冷路基，其結(jié)構(gòu)是在路堤深度處置有貫通的水平塊(碎)石層，其上部覆蓋土工布，土工布上部再填筑厚度≥0.5m路堤填土，夯實(shí)，再將塊(碎)石護(hù)坡填加于路堤兩側(cè)且與水平塊(碎)石層連通，呈U型，水平塊(碎)石層下部座落在與天然地表接觸且壓密的砂礫石墊層上。本實(shí)用新型充分利用多孔介質(zhì)的自然對(duì)流降溫效應(yīng)，通過(guò)夏季阻隔熱量向路基內(nèi)傳遞，冬季加強(qiáng)熱量的散出，達(dá)到冬季放熱量遠(yuǎn)大于夏季的吸熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基下部?jī)鐾恋慕禍刈饔茫瑥亩岣呗坊姆€(wěn)定性，確保寒區(qū)道路的暢通，解決高溫、高含冰量?jī)鐾恋貐^(qū)工程穩(wěn)定性的特殊要求。
文檔編號(hào)E01C3/00GK2846476SQ20052007926
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2005年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者賴遠(yuǎn)明, 張明義, 馬小杰, 高志華 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