一种用于冻土路基降温的预制块以及冻土路基复合结构制造技术

本发明专利技术涉及一种用于冻土路基降温的预制块以及冻土路基复合结构。该预制块为一体化结构，包括位于上部或者中上部的通风通道（1）以及分别位于通风通道（1）左右两侧和下方的三个对流换热空间。本申请预制块为一体化设计，多个预制块依序拼装后能够使路堤温度调控层的整体通风通道和整体对流换热空间直接一次成型，方便、快速；同时，通过通风通道与对流换热空间的一体化结合强化了通风管强迫对流和对流换热空间自然对流的复合降温效能，使温度调控层的单向导热作用最大程度发挥，换热层的功率、降温效能成倍提高，调控工程效果显著改善。在大幅提高冻土路基稳定性的同时，突出解决冻土高速公路修筑难题，确保冻土工程的长期安全和稳定。

A Prefabricated Block for Cooling Permafrost Subgrade and Composite Structure of Permafrost Subgrade

The present invention relates to a prefabricated block for cooling permafrost roadbed and a composite structure of permafrost roadbed. The prefabricated block is an integral structure, which consists of a ventilation passage (1) located at the upper part or the middle and upper part, and three convective heat transfer spaces located at the left and right sides and the lower part of the ventilation passage (1), respectively. The prefabricated block is integrated design, and the whole ventilation passage and the whole convective heat transfer space of the embankment temperature control layer can be directly formed once after the prefabricated blocks are assembled in sequence, which is convenient and fast. At the same time, through the integration of ventilation passage and convective heat transfer space, the composite cooling efficiency of forced convection and natural convection in the ventilation duct heat transfer space is strengthened, so as to make the temperature lower. The single thermal conductivity of the control layer is maximized, the power and cooling efficiency of the heat transfer layer are doubled, and the control engineering effect is improved significantly. While greatly improving the stability of frozen soil roadbed, the construction of frozen soil expressway should be solved to ensure the long-term safety and stability of frozen soil engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种用于冻土路基降温的预制块以及冻土路基复合结构
本专利技术涉及冻土工程领域，尤其涉及一种用于冻土路基降温的预制块以及冻土路基复合结构。
技术介绍
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，我国多年冻土（保存时间到达2年至数百万年以上）面积占到国土面积的21.5%，属世界第三冻土大国，而高海拔多年冻土面积则位居世界之最。我国建设的青藏铁路、青藏公路，以及将要进行的青藏高速公路、新藏公路、新藏铁路、南水北调西线工程都面临高温（即温度接近0℃的多年冻土）、高含冰量冻土（即体积含冰量基本超过30%的多年冻土）、气候转暖和多年冻土不断退化等诸多难题。如何解决好路基和基础与多年冻土的相互作用，保证路基和基础长期年稳定、确保工程建筑安全运营也就成为亟待解决的关键科学问题。冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。因此，我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路、青藏公路等国家重大工程，在以“冷却路基”科学思想的指导下，针对各种调控路基温度场的工程措施开展了系统的科学实践，提出了诸如通风管-混凝土空心块复合路基、通风管-块石复合路基等调控效果较为优秀的复合路基结构。通风管和空心块层/块石层构成复合路基的路堤温度调控层，通风管置于空心块层/块石层的上部，由此改变空心块层/块石层顶面的热边界条件，从而使空心块层/块石层起到路堤内部整体单向导热的作用。但是，（1）为保证调控效果和结构稳定性，上述这种结构对空心块/块石的现场顺序堆放精度要求高，且堆放过程繁琐复杂，费时费力，（2）并且由于通风管与空心块/块石为相互独立的部件，两者的稳定结合也是一大难点，比如：通风管-块石复合路基中，由于块石粒径较大（一般为20~30cm），在已经铺筑的块石层中埋设通风管十分困难或者难以铺设；（3）此外，在换热效果上，块石层中块石的大小混杂、无序堆放，造成块石层中的对流换热通道大小不一、路径曲折、块石层顶底面难以进行直接对流换热，使得换热效能大打折扣。总之，这些致命缺陷的存在完全限制了上述两种复合路基在实际工程中的有效应用。因此，面对在多年冻土区修筑高速公路的实际工程需要，面对地温整体、均匀、有效调控的特殊要求，不断进行技术创新、进步，是解决工程难题的关键途径。而本申请正是针对这种工程实际迫切需要而进行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于冻土路基降温的预制块以及冻土路基复合结构，以克服现有复合路基结构在实际工程应用中的致命缺陷，为有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。为解决上述问题，本专利技术所述的一种用于冻土路基降温的预制块，该预制块为一体化结构，包括：位于预制块上部或者中上部的通风通道；分别位于所述通风通道左右两侧的对流换热空间I和对流换热空间II；以及位于所述通风通道下方的对流换热空间III；其中，所述通风通道和上述三个对流换热空间均在所述预制块的厚度方向上贯通，并且四者的中心轴相互平行；使用时，将多个所述预制块沿其厚度方向依序拼装成列，然后多列并排拼装形成路堤温度调控层，并且使位于所述路堤温度调控层两端的所述通风通道能够与外界环境相通、位于两端的三个对流换热空间均与外界环境隔绝。优选的，所述三个对流换热空间的空间相互独立。优选的，所述三个对流换热空间的空间相互连通。优选的，所述预制块的左右两侧壁均为实壁。优选的，所述预制块的左右两侧壁均为透壁，或者多列并排时相邻预制块之间相对的侧壁均为透壁。优选的，拼装后形成的所述长条形通风通道的一端或者两端设有自动温控风门，所述自动温控风门能够根据环境温度变化进行开闭操作。相应的，本专利技术还提供了一种冻土路基复合结构，包括从下到上依次设置的天然地表、路基填土I、路堤温度调控层以及位于最上层的路基填土II，其特征在于，所述路堤温度调控层由上述任意一项所述的用于冻土路基降温的预制块构成，并且多个预制块沿其厚度方向依序拼装后形成的长条形通风通道垂直路基走向。优选的，设在所述路堤温度调控层与所述路基填土II之间的保温材料。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、根本解决调控措施关键难题本申请中单个预制块为一体化设计，多个预制块沿其厚度方向依序拼装后能够使整体通风通道和整体对流换热空间直接一次成型，方便快速，既有效解决了现有技术中通风管与空心块/块石难以稳定结合的问题，又解决了现有技术中空心块/块石循序堆放过程繁琐复杂的问题。可见，本申请有效扫除了现有复合路基在实际工程应用中的致命缺陷，为有效解决多年冻土区高速公路修筑难题找到有效解决途径。2、实现冻土道路工程一体化、快速施工的目标由于本申请预制块结构简单、一体成型，可以通过制砖机等机械，快速成型、大量生产，同时，在道路施工过程中只需顺序排放，自然形成所需特殊调控结构，因此，完全可以随着道路施工过程一体化、快速施工。3、对流换热结构的根本改变、换热功率的成倍提高以往块石层中块石的大小混杂、无序堆放，造成块石层中的对流换热通道大小不一、路径曲折、块石层顶底面难以进行直接对流换热，使得换热效能大打折扣。而本申请通过通风通道与对流换热空间的一体化结合强化了通风管强迫对流和对流换热空间自然对流的复合降温效能，并且最大程度保证了自然对流换热效能的发挥，即也最大程度发挥温度调控层的单向导热作用，从而都使得温度调控层的换热功率和降温效能大幅提高或者成倍提高，进而实现对冻土路基温度场的高效降温。4、冻土路基稳定性的大幅提高基于第3点可以得到，通过本申请路堤温度调控层的调控，能够使得冻土基础大幅降温，这样冻土强度会成倍提高，进而大幅提高路基荷载能力和控制路基变形能力；同时，地温的显著降低能够使得暖季0℃线的融化深度大幅减少，从而极大消除由于冻胀、融沉问题所形成的工程病害。另外，本申请具有对地温场的平稳性、对称性的降温特性，能有效避免地温场不均匀可能导致的路基纵向开裂并随路面水分快速下渗过程导致的系列次生病害，进一步增加了路基的稳定性。5、突出解决高速公路修筑难题由于冻土高速公路强度的需求成倍提高，工程标准要求的更加严格，都对冻土工程调控技术提出更高要求。而现有技术难以满足工程修筑的技术要求，特别是高速公路全幅修筑、整体修筑，路面超宽条件下的技术要求。本申请由于特有的内部结构和换热方式、突出的地温调控效能、优异的工程降温效果，在完全满足工程实际要求的同时，也可以完全应对未来气候环境升温和冻土退化所造成的不利影响，由此保证冻土工程的长期安全和稳定。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为本专利技术用于冻土路基降温的预制块的一种结构示意图。图2为本专利技术用于冻土路基降温的预制块的另一种结构示意图。图3为本专利技术冻土路基复合结构的横断面示意图。图4为本专利技术冻土路基复合结构的纵断面示意图。图5为现有技术施以应用后的路基地温结果。图6为本专利技术施以应用后的路基地温结果。图中：1—通风通道，2—对流换热空间I，3—对流换热空间II，4—对流换热空间III，5—天然地表，6—路基填土I，7—路堤温度调控层，8—自动温控风门，9—保温材料，10—路基填土II。具体实施方式参考图1~4，本专利技术实施例提供了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于冻土路基降温的预制块，其特征在于，该预制块为一体化结构，包括：位于预制块上部或者中上部的通风通道（1）；分别位于所述通风通道（1）左右两侧的对流换热空间I（2）和对流换热空间II（3）；以及位于所述通风通道（1）下方的对流换热空间III（4）；其中，所述通风通道（1）和上述三个对流换热空间均在所述预制块的厚度方向上贯通，并且四者的中心轴相互平行；使用时，将多个所述预制块沿其厚度方向依序拼装成列，然后多列并排拼装形成路堤温度调控层，并且使位于所述路堤温度调控层两端的所述通风通道（1）能够与外界环境相通、位于两端的三个对流换热空间均与外界环境隔绝。

【技术特征摘要】
1.一种用于冻土路基降温的预制块，其特征在于，该预制块为一体化结构，包括：位于预制块上部或者中上部的通风通道（1）；分别位于所述通风通道（1）左右两侧的对流换热空间I（2）和对流换热空间II（3）；以及位于所述通风通道（1）下方的对流换热空间III（4）；其中，所述通风通道（1）和上述三个对流换热空间均在所述预制块的厚度方向上贯通，并且四者的中心轴相互平行；使用时，将多个所述预制块沿其厚度方向依序拼装成列，然后多列并排拼装形成路堤温度调控层，并且使位于所述路堤温度调控层两端的所述通风通道（1）能够与外界环境相通、位于两端的三个对流换热空间均与外界环境隔绝。2.如权利要求1所述的预制块，其特征在于：所述三个对流换热空间的空间相互独立。3.如权利要求1所述的预制块，其特征在于：所述三个对流换热空间的空间相互连通。4.如权利要求2或3所述的预制块，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞祁浩，罗晓晓，穆彦虎，
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：甘肃,62