專利名稱：通風(fēng)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(shí)用新型涉及一種道路的結(jié)構(gòu)，尤其是一種通風(fēng)混凝土板與塊碎石層聚冷路基。其可有效地降低路基下部?jī)鐾翜囟龋齼鐾辽舷蓿岣邇鐾谅坊姆€(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(duì)工程產(chǎn)生極大的影響。統(tǒng)計(jì)研究表明，多年凍土區(qū)主要的工程病害來(lái)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(zhǎng)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?jī)鐾羺^(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(dòng)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(yán)重影響道路路基的穩(wěn)定性，這就為高溫、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。
為了解決好凍土問題，美國(guó)科學(xué)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(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(duì)流效應(yīng)變?nèi)酰踔料?，不能有效地將外界冷能傳到路堤下部的凍土中。因此，在高溫凍土區(qū)要想單獨(dú)利用現(xiàn)有的這些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下部?jī)鐾恋谋Ｗo(hù)，確保路基穩(wěn)定是相當(dāng)困難的。

發(fā)明內(nèi)容
在全球氣候變暖的大背景下，為實(shí)現(xiàn)在青藏高原多年凍土(尤其高溫多年凍土)區(qū)對(duì)路堤下多年凍土的保護(hù)，確保路基的穩(wěn)定，本實(shí)用新型提供一種通風(fēng)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(duì)流降溫效應(yīng)，通過混凝土板中的通風(fēng)孔來(lái)降低塊碎石層的上表面溫度，增大塊碎石層頂?shù)诇夭?，加?qiáng)自然對(duì)流降溫效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下部?jī)鐾翜囟鹊慕档停嗄陜鐾辽舷?，提高凍土路基的多年穩(wěn)定性。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種通風(fēng)混凝土板與塊碎石層聚冷路基，是在壓實(shí)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(fēng)孔的混凝土板，通風(fēng)孔垂直于路基走向；混凝土板上部有壓密夯實(shí)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(fēng)孔形狀可為圓形、或半圓、或方形、或三角形。
這種通風(fēng)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(duì)流降溫效應(yīng)。其工作過程可描述為當(dāng)冬季外界氣溫較低時(shí)，通過混凝土板的通風(fēng)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)路堤內(nèi)部與外界低溫氣流進(jìn)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(duì)流發(fā)生，空氣的流動(dòng)將外部冷量帶入路基中，同時(shí)下部較輕空氣的上浮流動(dòng)也會(huì)把路基中大量的熱量帶出，實(shí)現(xiàn)對(duì)路堤填土及下部天然土層的降溫作用；當(dāng)夏季外界溫度較高時(shí)，混凝土板的通風(fēng)孔雖然同樣會(huì)造成塊碎石層上表面溫度的升高，但此時(shí)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(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，從而能夠阻隔來(lái)自塊碎石層頂部的熱量。本實(shí)用新型利用了通風(fēng)孔來(lái)加強(qiáng)塊碎石層的自然對(duì)流降溫效應(yīng)，有效降低其下部?jī)鐾翜囟?，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(yàn)研究結(jié)果表明了本通風(fēng)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(yàn)在特制的大型保溫模型箱(尺寸8.0×1.84×2.7m)中進(jìn)行，箱中環(huán)境溫度按照正弦函數(shù)T＝1.0+12sin(2πt/360+π/2)進(jìn)行控制，式中T為環(huán)境溫度(℃)，t為時(shí)間(h)，風(fēng)速為2.5m/s。試驗(yàn)分為無(wú)混凝土板和有通風(fēng)混凝土板兩種情況。圖3顯示了無(wú)混凝土板和有通風(fēng)混凝土板兩種情況下試驗(yàn)?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(wú)混凝土板情況、C表示有通風(fēng)混凝土板情況。從圖3中可以看出在等同的試驗(yàn)條件下，有通風(fēng)混凝土板的塊碎石層底部溫度明顯低于無(wú)混凝土板的塊碎石層底部溫度。并且，在最后一個(gè)試驗(yàn)周期，有通風(fēng)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(wú)混凝土板情況(-0.1℃)低1.6℃。
以上室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果表明本實(shí)用新型具有良好的冷卻降溫作用，可使其下部?jī)鐾翜囟冉档停蛊涮幱谳^高的穩(wěn)定狀態(tài)，確保凍土路基的多年穩(wěn)定。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與產(chǎn)生的有益效果是1、本實(shí)用新型由于塊碎石層頂部通風(fēng)混凝土板的存在，充分利用了多孔介質(zhì)的自然對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)路基下部?jī)鐾恋慕禍刈饔茫蛊涮幵谳^低的溫度狀態(tài)，提升凍土上限，解決由于季節(jié)活動(dòng)層在凍融過程中產(chǎn)生的凍脹與融沉給路基所帶來(lái)的破壞；2、本實(shí)用新型無(wú)需任何外部動(dòng)力設(shè)施，無(wú)污染，保護(hù)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(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)直接鋪設(shè)，對(duì)凍土不會(huì)產(chǎn)生大的人為擾動(dòng)，可滿足高溫、高含冰量?jī)鐾恋貐^(qū)工程穩(wěn)定性的特殊要求；3、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要材料為塊碎石和混凝土，成本低，易于施工與維護(hù)，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(jià)僅為旱橋的40～50％。


圖1是本實(shí)用新型橫向剖面示意圖圖2是本實(shí)用新型縱向剖面示意圖圖3為無(wú)混凝土板和有通風(fēng)混凝土板兩種情況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袎K碎石層底部溫度過程線具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，將對(duì)本實(shí)用新型再做進(jìn)一步的說明。
參照附圖1～2，一種利用天然冷能的通風(fēng)混凝土板與塊碎石層聚冷路基，首先將天然地表6壓實(shí)，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(fēng)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(shí)。
當(dāng)冬季外界氣溫較低時(shí)，通過混凝土板1的通風(fēng)孔2實(shí)現(xiàn)路堤內(nèi)部與外界低溫氣流進(jìn)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(duì)流強(qiáng)度，增強(qiáng)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)夏季外界溫度較高時(shí)，塊碎石層3內(nèi)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。另外，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，從而能夠阻隔來(lái)自塊碎石層頂部的熱量。因此，實(shí)現(xiàn)了這種通風(fēng)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(dá)到了積累冷量，保護(hù)凍土的目的。
權(quán)利要求1.一種通風(fēng)混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其特征是在壓實(shí)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(fēng)孔(2)的混凝土板(1)，通風(fēng)孔(2)垂直于路基走向；混凝土板(1)上部有壓密夯實(shí)的路堤填土(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通風(fēng)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(fēng)混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其特征是通風(fēng)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(fēng)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(shí)用新型涉及一種通風(fēng)混凝土板與塊碎石層聚冷路基，其結(jié)構(gòu)特征是在壓實(shí)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(fēng)孔的混凝土板，通風(fēng)孔垂直于路基走向；混凝土板上部有壓密夯實(shí)的路堤填土。本實(shí)用新型將塊碎石層與通風(fēng)混凝土板相結(jié)合，充分利用了通風(fēng)孔能夠與外界空氣進(jìn)行快速熱交換的功能和塊碎石層自然對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)路基下部?jī)鐾恋慕禍刈饔茫嵘齼鐾辽舷?，解決由于季節(jié)活動(dòng)層在凍融過程中產(chǎn)生的凍脹與融沉給路基所帶來(lái)的破壞，確保凍土路基的多年穩(wěn)定。
文檔編號(hào)E01C3/00GK2835328SQ20052007931
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)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(yuǎn)明, 馬小杰, 張淑娟 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