專利名稱：路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種在多年凍土地區(qū)進(jìn)行工程建筑中，有效保護(hù)下部多年凍土穩(wěn)定性的工程建筑基礎(chǔ)降溫的裝置，尤指一種路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置。
背景技術(shù)：
凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤，多年凍土是指凍土不間斷地保持多年、若干世紀(jì)以至數(shù)千年。在多年凍土形成和發(fā)展過(guò)程中，由于凍融循環(huán)所導(dǎo)致的水分遷移往往會(huì)在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰層(稱為地下冰)。
隨著國(guó)民生產(chǎn)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)已在多年凍土地區(qū)不斷進(jìn)行鐵路、公路、輸油管線、光纜等工程建筑的建設(shè)。由于人為工程措施的影響，改變了地表?yè)Q熱條件，特別是在青藏高原太陽(yáng)高輻射地區(qū)，由于人為工程使實(shí)施后工程建筑吸熱面、吸熱量大為增加，使得各種工程措施基礎(chǔ)下部的多年凍土的熱量總體平衡遭到破壞，總體熱量收入大于支出，使得多年凍土的溫度不斷升高，多年凍土中的厚層地下冰不斷融化，由此導(dǎo)致工程建筑的基礎(chǔ)不斷下沉，嚴(yán)重影響各種相關(guān)工程的正常運(yùn)營(yíng)。目前正在建設(shè)中的青藏鐵路格拉段將穿越約547km多年凍土地段，全線線路海拔高程大于4000m地段約960km，在唐古拉山越嶺地段，線路最高海拔為5072m，為世界鐵路海拔之最?！案咴焙汀皟鐾痢眴?wèn)題是青藏線施工的兩大難題，其特殊性和復(fù)雜性在世界上獨(dú)一無(wú)二，是現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)、乃至世界上在凍土條件最為復(fù)雜情況下進(jìn)行的一項(xiàng)重大工程。與我國(guó)東北和世界上其它地區(qū)的多年凍土相比，青藏線所在的多年凍土地區(qū)的多年凍土類型最為多變、多年凍土受外界條件變化影響最為敏感、凍土路基穩(wěn)定性最為薄弱。青藏公路的長(zhǎng)期研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，地下冰是影響凍土路基穩(wěn)定的最為重要的影響之一，是產(chǎn)生凍融災(zāi)害或者不良凍土工程現(xiàn)象的根本問(wèn)題。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結(jié)果就會(huì)造成地下冰融化，導(dǎo)致路基產(chǎn)生融化下沉破壞。對(duì)于橋涵、路塹、高邊坡等工程建筑物，高含冰量?jī)鐾恋挠绊懯菢O為關(guān)鍵的問(wèn)題。因此，是否能采取和使用有效、實(shí)用的工程保護(hù)措施和技術(shù)，保護(hù)工程基礎(chǔ)下部的多年凍土少受或免受上部工程建筑的影響，就成為青藏鐵路和各種凍土工程建設(shè)成敗所在。目前就工程與凍土的相互作用的研究較多，但從工程實(shí)際應(yīng)用角度如何切實(shí)地有效地解決其相互作用問(wèn)題的成功措施不多。中國(guó)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(guó)科學(xué)院知識(shí)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)”(No.KZCX1-SW-04)，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(90102006)，“973”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2002CB412704)等課題就是針對(duì)上述關(guān)鍵實(shí)際工程問(wèn)題而開展了專題研究。
目前，用于保護(hù)鐵路、公路等線性工程下部多年凍土的工程措施主要有在路堤中加裝通風(fēng)管、保溫材料、拋石護(hù)坡、遮陽(yáng)板、使用熱管和提高路堤等措施達(dá)到保護(hù)路基下部多年凍土的目的。其中通風(fēng)路基在凍土保護(hù)措施中以其簡(jiǎn)便、快捷等優(yōu)點(diǎn)在工程措施中得到一定程度的應(yīng)用。其工作原理是在鐵路、公路或其它線性工程中的路基基礎(chǔ)中，在與線性工程走向垂直的方向、在其一定深度的部位、按照一定的間距、平行埋設(shè)多個(gè)一定口徑的水泥管或PVC管(見示意圖2)。在空氣溫度較低、由于太陽(yáng)輻射造成路基內(nèi)部積累了一定程度的熱量的條件下，利用空氣在流經(jīng)管道的時(shí)候通過(guò)對(duì)流換熱帶走管壁周圍的熱量，低通風(fēng)管周圍介質(zhì)的溫度，從而達(dá)到穩(wěn)定多年凍土穩(wěn)定性的目的。但存在的突出問(wèn)題是在春末、整個(gè)夏季和秋初，空氣溫度大多高于路基內(nèi)部溫度，在這種條件下，通風(fēng)路基非但不能對(duì)路基進(jìn)行降溫，反倒對(duì)路基起到加熱的反作用。由此會(huì)大大降低通風(fēng)路基的降溫效果，加大通風(fēng)管周圍溫度的振幅，在含水率高的地段會(huì)由于其中水分凍結(jié)和融化導(dǎo)致的路基凍脹和融沉；在部分地區(qū)由于融化范圍過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致多年凍土上部地下冰的融化所導(dǎo)致的路基沉陷；同時(shí)由于較大幅度的凍融循環(huán)也會(huì)對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)目前青藏鐵路保護(hù)多年凍土工程措施中的通風(fēng)路基存在的問(wèn)題而提出的一種路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置。該裝置可以根據(jù)外界溫度的變化自動(dòng)控制通風(fēng)管中的氣流，可以有效提高通風(fēng)路基的制冷效果，并可以避免可能出現(xiàn)的各種工程問(wèn)題。
本實(shí)用新型的目的還在于通過(guò)路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)大大提高通風(fēng)路基功效的同時(shí)，通過(guò)對(duì)鐵路、公路路堤或建筑物底部多年凍土的溫度場(chǎng)起到很好的穩(wěn)定作用的同時(shí)，可以降低路堤要求的最低高度，大大減少工程造價(jià)，縮短建設(shè)周期。
本實(shí)用新型的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，包括設(shè)在路基下的通風(fēng)管；其特征在于在通風(fēng)管上設(shè)自動(dòng)溫控裝置；其中所述的自動(dòng)溫控裝置包括溫度感應(yīng)單元，由其感應(yīng)路基處的溫度變化；及制動(dòng)單元，所述的制動(dòng)單元由溫度感應(yīng)單元控制其動(dòng)作；氣流控制單元，所述的氣流控制單元由制動(dòng)單元控制其開關(guān)。
所述的溫度感應(yīng)單元包括具一透光面的密閉盒及設(shè)于盒內(nèi)的吸熱板。
所述的密閉盒由保溫材料制成，所述的吸熱板由黑色吸熱材料制成。
所述的制動(dòng)單元設(shè)于溫度感應(yīng)單元內(nèi)，由記憶合金彈簧和普通彈簧連接而成。
所述的制動(dòng)單元的記憶合金彈簧和普通彈簧直線相連，或以一夾角相連。
所述的記憶合金彈簧選自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基記憶合金中的一種。
所述的氣流控制單元包括風(fēng)門和與風(fēng)門相連的軸桿，其中所述的軸桿與制動(dòng)單元的記憶合金與普通合金的連接點(diǎn)相連。
所述的風(fēng)門由單個(gè)或多個(gè)葉片組成。
本實(shí)用新型的原理是當(dāng)外界氣溫高于系統(tǒng)設(shè)定溫度條件下，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)管的風(fēng)門，阻止外界熱量的進(jìn)入通風(fēng)路基內(nèi)部；當(dāng)外界氣溫高于系統(tǒng)設(shè)定溫度條件下，系統(tǒng)自動(dòng)打開通風(fēng)管的風(fēng)門，對(duì)通風(fēng)管周圍的介質(zhì)進(jìn)行通風(fēng)換熱和降溫。
其工作原理為利用記憶合金彈簧在高于奧氏體(Austenite)相變溫度Af環(huán)境下，具有相對(duì)較高的彈性系數(shù)，和在低于馬氏體(Martenite)相變溫度Mf環(huán)境下具有相對(duì)很低的彈性系數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)記憶合金彈簧(shapememory spring以下簡(jiǎn)稱SMS)與普通彈簧(general spring以下簡(jiǎn)稱GS)的結(jié)合(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合彈簧)，就可以在不同溫度環(huán)境條件下進(jìn)行不同的相互作用，即在高于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(duì)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(duì)SMS完成反向推動(dòng)作用。Af、Mf可以通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中完成設(shè)定。通過(guò)復(fù)合彈簧與風(fēng)門軸桿的連接，就可以完成不同溫度條件下對(duì)風(fēng)門開啟或關(guān)閉的動(dòng)作，從而達(dá)到控制氣流的目的。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)充分避免了春末、整個(gè)夏季和秋初，空氣溫度大多高于路基內(nèi)部溫度條件下，通風(fēng)管對(duì)路基加熱的反作用；減緩了現(xiàn)有通風(fēng)管周圍溫度振幅過(guò)大的問(wèn)題，以及由此而引起在含水率高的地段由于其中水分凍結(jié)和融化所導(dǎo)致路基凍脹和融沉的工程問(wèn)題。由于自動(dòng)溫控系統(tǒng)的控制，會(huì)使路基內(nèi)部在冬季富集的冷能得到較好的保存，同時(shí)在氣溫較高的時(shí)期還會(huì)利用青藏高原夜間溫度較低的特點(diǎn)，會(huì)自動(dòng)打開風(fēng)門對(duì)通風(fēng)管周圍的介質(zhì)進(jìn)行降溫，這對(duì)路基下部多年凍土的穩(wěn)定性起到很好的促進(jìn)作用，由此會(huì)大大提高通風(fēng)路基保護(hù)多年凍土的功效。
本實(shí)用新型的自動(dòng)溫控裝置可以根據(jù)外界溫度的變化自動(dòng)控制通風(fēng)管中的氣流，可以有效提高通風(fēng)路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖風(fēng)進(jìn)入通風(fēng)管引起的加熱負(fù)作用，以及由此而引起的通風(fēng)管周圍溫度的振幅過(guò)大，在含水率高的地段會(huì)導(dǎo)致其中水分凍結(jié)和融化所導(dǎo)致的較大程度的凍脹、融沉和路基沉陷，以及對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用等工程病害問(wèn)題。


圖1為本實(shí)用新型的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置安裝在路基上的裝配示意圖圖2為本實(shí)用新型的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖A為普通通風(fēng)路基對(duì)地溫場(chǎng)的降溫過(guò)程模擬計(jì)算結(jié)果圖B為自動(dòng)溫控通風(fēng)路基對(duì)地溫場(chǎng)的降溫過(guò)程模擬計(jì)算結(jié)果圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下1-自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置2-通風(fēng)管3-路基4-風(fēng)門5-軸桿6-記憶合金彈簧7-吸熱板8-普通彈簧具體的實(shí)施方式本實(shí)用新型還將結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作進(jìn)一步詳述參照?qǐng)D1、2，為一種路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，包括設(shè)在路基3下的通風(fēng)管2；在通風(fēng)管2上設(shè)自動(dòng)溫控裝置1；其中所述的自動(dòng)溫控裝置1包括溫度感應(yīng)單元，由其感應(yīng)路基處的溫度變化；及制動(dòng)單元，所述制動(dòng)單元由溫度感應(yīng)單元控制其動(dòng)作；氣流控制單元，所述的氣流控制單元由制動(dòng)單元控制其開關(guān)。所述的溫度感應(yīng)單元包括具有透光面的密閉盒及設(shè)于盒內(nèi)的吸熱板7；所述的密閉盒由保溫材料制成，所述的吸熱板7由黑色吸熱材料制成。所述的制動(dòng)單元設(shè)于溫度感應(yīng)單元內(nèi)，由記憶合金彈簧6和普通彈簧8以直線相連，或以一夾角相連而成。
所述的記憶合金彈簧選自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基記憶合金中的一種。
所述的氣流控制單元包括風(fēng)門4和與風(fēng)門4相連的軸桿5，其中所述的軸桿5與制動(dòng)單元的記憶合金彈簧6與普通彈簧8的連接點(diǎn)相連。
所述的風(fēng)門4由單個(gè)或多個(gè)葉片組成。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下溫度感應(yīng)單元記憶合金的Af、Mf存在20℃一個(gè)較大的溫差，如果Mf的溫度設(shè)定在0℃，Af往往在20℃左右。一般要求通風(fēng)路基通風(fēng)管的開啟或關(guān)閉在年平均氣溫變化到0～3℃范圍內(nèi)完成，即在發(fā)生氣溫波動(dòng)的當(dāng)日或幾天之內(nèi)完成通風(fēng)管的開啟或關(guān)閉。青藏高原氣溫的日變化幅度和季節(jié)之間的變化幅度往往為10～15℃，如果復(fù)合彈簧僅靠氣溫提供的溫度環(huán)境很難達(dá)到工作要求的環(huán)境溫度，即在氣溫高于0～3℃時(shí)，工作環(huán)境溫度達(dá)到20℃以上。需要注意的是，青藏高原的氣溫變化與太陽(yáng)輻射具有較好的相關(guān)性，由此設(shè)計(jì)的溫度感應(yīng)盒可以充分利用這種特性，對(duì)氣溫的變化起到一個(gè)放大作用。為復(fù)合彈簧的提供要求的工作溫度。
溫度感應(yīng)單元主要由密閉容器、吸熱板和保溫材料組成。吸熱板安裝于密閉容器的頂部外表面；或安裝在頂部的內(nèi)表面，此時(shí)密閉容器的頂表面為透光材料。密閉容器的其余各內(nèi)表面加裝一層一定厚度的保溫材料，主要起到盒內(nèi)溫度與外界氣溫按一定比例的平衡作用。
制動(dòng)單元由復(fù)合彈簧、軸桿和風(fēng)門組成。復(fù)合彈簧安裝在溫度感應(yīng)單元的內(nèi)部，在其提供的溫度變化條件下，完成要求的規(guī)定動(dòng)作。通過(guò)與復(fù)合彈簧相連的軸桿帶動(dòng)風(fēng)門的開啟或關(guān)閉。復(fù)合彈簧中的記憶合金是指Ti Ni二元系、Ti Ni-X三元系、Cu基、Fe基等形狀記憶合金中的一種。
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬在如下條件鐵路路基高度為4m，路基頂面寬度為10m，路基坡面為1∶1.5，通風(fēng)管鋪設(shè)埋深為3m，通風(fēng)管為水泥管，管徑為0.3m、管間距為0.6m；路基土體條件為干密度為1.5g/cm3，含水率為12.0％，試驗(yàn)土體為蘭州黃土；結(jié)合青藏高原實(shí)測(cè)氣溫資料，以及氣溫日變化和全年日平均值變化特征，設(shè)定自動(dòng)溫控系統(tǒng)的控制溫度設(shè)定在0℃，即在氣溫大于0℃時(shí)氣流控制風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，氣溫小于0℃時(shí)氣流控制風(fēng)門處于開啟狀態(tài)。氣溫條件結(jié)合實(shí)測(cè)資料作近似調(diào)整不考慮全球氣候轉(zhuǎn)暖的因素的影響，設(shè)定氣溫在6℃～-16℃范圍內(nèi)做正弦波動(dòng)。在考慮上述條件下，模擬計(jì)算普通通風(fēng)路基和自動(dòng)溫控通風(fēng)路基下部11年，天然土體20m范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)的變化過(guò)程。計(jì)算結(jié)果見圖A和圖B。圖A表示普通通風(fēng)路基的計(jì)算結(jié)果，圖B顯示自動(dòng)溫控通風(fēng)路基的計(jì)算結(jié)果。
通過(guò)對(duì)比兩種情況下的計(jì)算結(jié)果可以看到，自動(dòng)溫控通風(fēng)路基在第三年的十一月份，5m的深度上地溫就已達(dá)到-1℃的穩(wěn)定溫度，而普通通風(fēng)路基則要第九年的一月份才能在5m的深度上達(dá)到-1℃的穩(wěn)定溫度。另外圖中2m范圍內(nèi)紅色線表示零度等溫線，通過(guò)兩種情況的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)溫控通風(fēng)路基的零度等溫線僅在1m的范圍內(nèi)波動(dòng)，并有逐漸減緩的趨勢(shì)；而普通通風(fēng)路基零度等溫線的波動(dòng)范圍則達(dá)到約2m的范圍。由此可以看見，自動(dòng)溫控通風(fēng)路基無(wú)論在降低多年凍土地溫場(chǎng)的溫度方面，還是在減少地溫波動(dòng)幅度方面都具有顯著的作用。
權(quán)利要求1.一種路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，包括設(shè)在路基下的通風(fēng)管；其特征在于在通風(fēng)管上設(shè)自動(dòng)溫控裝置；其中所述的自動(dòng)溫控裝置包括溫度感應(yīng)單元；及制動(dòng)單元，設(shè)于溫度感應(yīng)單元內(nèi)，由溫度感應(yīng)單元控制其動(dòng)作；氣流控制單元，與所述的制動(dòng)單元相連，由制動(dòng)單元控制其開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的溫度感應(yīng)單元包括具一透光面的密閉盒及設(shè)于盒內(nèi)的吸熱板。
3.如權(quán)利要求2所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的密閉盒由保溫材料制成，所述的吸熱板由黑色吸熱材料制成。
4.如權(quán)利要求2所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的制動(dòng)單元設(shè)于溫度感應(yīng)單元內(nèi)，由記憶合金彈簧和普通彈簧連接而成。
5.如權(quán)利要求4所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的制動(dòng)單元的記憶合金彈簧和普通彈簧直線相連，或以一夾角相連。
6.如權(quán)利要求4所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的記憶合金彈簧選自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基記憶合金中的一種。
7.如權(quán)利要求1或4所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的氣流控制單元包括風(fēng)門和與風(fēng)門相連的軸桿，其中所述的軸桿與制動(dòng)單元的記憶合金彈簧與普通彈簧的連接點(diǎn)相連。
8.如權(quán)利要求7所述的路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的風(fēng)門由單個(gè)或多個(gè)葉片組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種路基的自動(dòng)溫控通風(fēng)裝置；該裝置可根據(jù)外界溫度的變化自動(dòng)控制通風(fēng)管中的氣流，可以有效提高通風(fēng)路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖風(fēng)進(jìn)入通風(fēng)管引起的加熱負(fù)作用，以及由此而引起的通風(fēng)管周圍溫度的振幅過(guò)大，在含水率高的地段會(huì)導(dǎo)致其中水分凍結(jié)和融化所導(dǎo)致的較大程度的凍脹、融沉和路基沉陷，以及對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用等工程病害問(wèn)題。
文檔編號(hào)E01C3/00GK2633953SQ0321874
公開日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者俞祁浩, 程國(guó)棟, 馬魏 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