块碎石护坡与通风管复合路基制造技术

本发明专利技术涉及一种块碎石护坡与通风管复合路基，其结构特征是在压实的天然地表上置有压密夯实的路堤填土，路堤填土内铺设有贯通的水平通风管，且垂直于路基走向，再将块碎石护坡填加于路基两侧，且水平通风管贯穿块碎石护坡。本发明专利技术充分利用了块碎石护坡的自然对流降温效应和通风管的快速通风降温特点，将两者优点相结合实现对下部冻土的降温作用，提升冻土上限，使路基下部冻土温度均匀分布，解决由于季节活动层在冻融过程中产生的冻胀与融沉给路基所带来的破坏，确保多年冻土区高等级公路路基的长期稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种道路的结构，尤其是一种块碎石护坡与通风管复合路基。 其可有效地降低高等级公路路基下部冻土温度，抬升冻土上限，提高冻土路 基的稳定性。
技术介绍
我国多年冻土主要分布在大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，约占国土面积的22.4 %。在我国许多道路工程，例如青藏铁路、青 藏公路(109国道)、214国道以及已纳入交通部规划之中的青藏高速公路等 都面临着冻土问题。就青藏铁路而言，共有632km穿越多年冻土区，其中有 275 km处于高温多年冻土区(年平均地温^-1.0 °C)，有221 km通过高含冰 量多年冻土区(体积含冰量^20%)，高温、高含冰量冻土重叠路段为134 km。 因此，对于寒区道路工程而言，都会面临严峻的冻土问题。就目前已纳入交 通部规划的青藏高速公路而言，解决好冻土问题将成为确保其安全稳定的核 心与关键。为了解决好冻土问题，确保多年冻土区道路的安全稳定，牛富俊等(牛 富俊，程国栋，赖远明.青藏铁路通风路堤室内模型试验研究.西安工程学院 学报，2002, 24 (3) : 1- 6)通过室内试验发现管道通风路基可有效降低下部土 体温度，但由于路基下部温度场出现不对称现象，会造成路基的不均匀沉降。 孙志忠等(孙志忠，马巍，李东庆.冻土区块石护坡路基调温效果试验研究.岩 土力学，2006， 27 (11) : 2001-2004)对青藏铁路某块石护坡路基的调温效果进 行了研究中发现块碎石护坡路基对路基坡脚处冻土起到较好的冷却降温作 用，但路基中部土体温度仍处于相对较高状态，这种温度场的不均衡将为路 基病害的发生埋下隐患。而对于路面温度较高，路基宽度较大的寒区高等级 公路而言，将会有更多的问题出现。因此，在全球气候变暖的条件下，在多年冻土区，尤其在高温多年冻土区修筑高等级公路仅采用一种工程措施来确 保路基稳定是相当困难的。
技术实现思路
在全球气候变暖的大背景下，为实现对多年冻土区(尤其高温多年冻土 区)高等级公路路基下多年冻土的保护，确保道路的安全稳定，本专利技术提供一种块碎石护坡与通风管复合路基。其根据青藏高原四季温差大、气温通常 比地表温度低的气候特征，利用块碎石护坡的自然对流降温效应和通风管的 快速通风降温特点，两者相结合实现对高等级公路路基下部冻土温度的降低， 抬升多年冻土上限，确保冻土路基的多年稳定。 本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现 一种块碎石护坡与通风管复合路基，是在压实的天然地表上置有压密夯 实的路堤填土，路堤填土内铺设有贯通的水平通风管，且垂直于路基走向， 再将块碎石护坡填加于路基两侧，且水平通风管贯穿块碎石护坡。通风管直径为0.2 1.0111，管与管轴线间距为2 3倍管径，通风管轴线 距天然地表为0.5 4. 0 m。护坡块碎石粒径为10 30 cm，水平厚度为0.5 2.5 m。上述块碎石护坡与通风管复合路基工作原理是利用块碎石护坡的自然对 流降温效应和通风管的快速通风降温特点，将两者优点相结合实现对下部冻 土的降温作用。其工作过程可描述为当冬季外界气温较低时，块碎石护坡 外侧及上部温度低于内侧，内部空气密度外上部大于内下部，在重力和浮升 力的作用下，外界冷空气从块碎石护坡底侧流入，内部热空气上浮，空气的 流动将外部"冷量"带入路基中，同时把路基中的"热量"带出，实现对路基边坡及下部土体的降温作用；当夏季外界温度较高时，块碎石护坡外上部温度高于内下部，空气密度外上部小于内下部，空气处于相对静止状态，无 对流发生。通风管横穿路基，通过快速通风来实现对周围土体温度的改变，由于多年冻土区年平均气温低于o°c，并且具有冬季风大、夏季风小的气候特点，从而通风管实现了对路基负温的积累，达到保护下部冻土的目的。本专利技术充分利用了块碎石护坡和通风管的工作特点，可有效降低其下部冻土温 度，提高冻土上限，防止冻土路基冻胀和融沉的发生。为了验证块碎石护坡与通风管复合路基的降温效果，本专利技术各区域能量 传递通过以下控制方程来求解 1)通风管区路基通风管内空气的流动为湍流，其控制方程如下-连续性方程<formula>formula see original document page 5</formula>动量方程:<formula>formula see original document page 5</formula>(2c)脉动动能A:方程:<formula>formula see original document page 5</formula>(3)耗散率e方程:<formula>formula see original document page 6</formula>(6)式中、、v,、 v,分别为X、 y、 Z轴方向的空气流动速度；p为空气压强; /7为空气的动力粘度，仅与空气的物性有关；",为空气的湍流粘性系数，取决 于流动状态，为空间坐标函数；p为空气密度；；t为脉动动能；e为脉动动能 的耗散率；r为温度；f为时间； 、 、&、 c,、 c2、 c^为常数；A 、 c分 别为空气的导热系数和比定压热容。2)块碎石区块碎石层能被看作多孔介质，其内部空气自然对流控制方程组为连续性方程<formula>formula see original document page 6</formula>式中、分别为空气在;c和少方向上的渗流速度分〗 动量方程(7)字=-S vz —潜2 — A g(8c)式中卜卜》 2 ， 5为惯性阻力系数，t为多孔介质的渗透率，为惯性损失项，/ 为空气的热膨胀系数，p。和r。分别为空气密度和温度的参考值。能量方程<formula>formula see original document page 7</formula>(io)式中C:、《是介质层等效体积热容、等效导热系数( 3)路基及下部土层区这些区域为固体区域，其热传导方程如下<formula>formula see original document page 7</formula>(11)式中《和《为路基土体的等效体积热容和等效导热系数，与温度有关。对以上各区域控制方程组采用数值计算的方法进行求解，可获得路基在 修筑完成后任意时刻的温度场。通过这种数值模拟仿真的方法我们对多年冻 土区高等级公路块碎石护坡路基、通风管路基和块碎石护坡与通风管复合路基三种路基结构在修筑完成后的温度场进行了对比分析。图3 5分别为块碎 石护坡路基、通风管路基和块碎石护坡与通风管复合路基在修筑完成50年后 10月30日模拟地温等值线图。从图3 5中可以看出块碎石护坡与通风管复合路基降温效果最好，路基下部出现了-o.8r等温线，其次是通风管路基，路基下部最低温度为-0.5 °C，但0 <€等温线在路基坡角处严重下移，这对路 基稳定非常不利；最差的是块碎石护坡路基，其下部冻土升温显著，0 。C等 温线在路基中心处下移到原天然地表以下约12.0 m，这将会对路基造成严重 破坏。通过以上等温线图对比分析，我们得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种块碎石护坡与通风管复合路基，其特征是在压实的天然地表（４）上置有压密夯实的路基填土（１），路基填土（１）内部铺有贯通的水平通风管（２），且垂直于路基走向；再将块碎石护坡（３）填加于路基两侧，且水平通风管（２）贯穿块碎石护坡（３）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张明义，赖远明，董元宏，
申请(专利权)人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，
类型：发明
国别省市：62[中国|甘肃]