一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。本实用新型专利技术是一种主动型的多年冻土路基降温方法，能够持久的维持多年冻土路基热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构
：本技术涉及一种多年冻土路基结构，特别是涉及一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构。
技术介绍
：冻土是温度低于0℃并含有冰的岩土体。冻土按其存在时间的长短可分为短时冻土、季节性冻土和多年冻土。其中，多年冻土约占我国国土面积的21.5％，主要分布在我国的青藏高原、西部高山和东北大小兴安岭地区。近些年，随着我国西部大开发战略、振兴东北老工业基地战略以及一带一路等战略的实施，很多已建工程需要重新进行维修，许多新规划的工程需要在这些多年冻土区进行建设，而多年冻土区的冻胀融沉问题则是制约这些工程修建以及运营安全及稳定性的关键。以公路工程为例，青藏公路从修建到二期的运营维护，融沉问题始终是青藏公路冻害的主要形式，新规划修建的青藏高速公路为宽幅黑色沥青路面，其吸热量将远大于青藏公路，因此也将面临吸热后多年冻土路基的融沉问题。如图1所示，多年冻土路基1修建过程中，一般需要对活动层4处于路基范围内的部分进行换填，由于传热介质和边界条件的变化，活动层4和多年冻土层5中的温度会发生重新分布。其中，边界条件的变化主要体现在从天然地表向路基边坡以及路面材料的转变。根据附面层原理，左右边坡的增温本来就会略高于天然地表，造成路基温度的上升，更重要的是在高等级路面中常采用以沥青宽幅路面为主的吸热路面进行铺设，此时根据附面层原理，路基温度附面层升温将比天然地表高出3.5℃左右，此时多余的热量吸收并向下传导将会打破原来多年冻土地层中的热平衡，其累计效应将造成多年冻土层5中温度升高或部分融化，导致多年冻土层中的强度降低，路基发生附加固结沉降，当沉降不均匀时就会造成路基路面出现波浪、不均匀融沉、滑塌等冻害问题。在青藏公路、青藏铁路等多年冻土区公路工程的修建过程中，国内冻土学者提出了通过调控热辐射(遮阳棚、生态护坡等)、调控对流(块碎石路基、抛石路基等)和调控热传导(通风管、热管、保温板)等措施进行多年冻土的保护。其中，保温板由于具有较低的导热系数且具有较高的强度被广泛应用于多年冻土路基中，起到隔热保温的措施。然而，由于保温板不但在暖季有效阻挡了上部热量的传入，在冷季时也阻挡了上部冷能向路基下多年冻土地基中的传入，其累计效应是以消耗路基下多年冻土中存储的冷能作为代价，因此是一种被动型的多年冻土区路基降温措施，并不能持久的维持路基热稳定性。
技术实现思路
：本技术的目的在于提供一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其基本原理是基于水在负温下发生相变后变成冰，导热系数增大约4倍，从而导致冷季空气中的冷能向路基下多年冻土层中输入大于暖季中热量的输入，以此来抵消沥青等黑色路面的吸热效应，从而维持路基热稳定性。本技术的目的由如下技术方案实施：一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。硬质保温板为具有一定强度的导热系数较小的保温板，一般有PUR(聚氨酯)保温板、EPS(聚苯乙烯泡沫)保温板和XPS(多孔聚苯乙烯)保温板。填充在每个所述水格栅内的所述水的体积为所述水格栅体积的92％～93％。其中水格栅在硬质保温板的预制过程中进行设置，每个水格栅中的水量约为水格栅体积的92％，每个水格栅形成独立空间，水分不能发生渗漏。在正温下其水量设置可保证水格栅起到隔热的作用：水格栅中水分上部为封闭空气，导热系数约为0.025W/m·k，基本和硬质保温板的导热系数0.03W/m·k相近，可以起到很好的阻隔沥青路面热量传入下部土层中的作用，此时，水的导热系数约为0.55W/m·k，但由于垂直方向上，水格栅中的水的上界面未与水格栅盖板下界面直接接触，因此，对垂直方向的热传导影响较小，不利于热能的传入。在负温条件下，水格栅中的水发生相变成冰，体积增大到1.09倍，此时冰可以充满整个水格栅，而冰的导热系数为2.22W/m·k，是水的4倍，是空气和硬质保温板的74倍，因此是良好的热导体，可将冷季的冷能传递到多年冻土路基下方的活动层和多年冻土层中，有利于冷能的输入。气候冷暖交替的冷能的累计效应有利于吸热路面的吸热效应的抵消，多年冻土层中的年平均温度的降低和强度提高，从而有利于维持多年冻土路基的热稳定性。在实际操作中，多年冻土路基，硬质保温板以及水格栅的尺寸和布置均可根据实际工况进行理论计算和数值仿真确定。所述硬质保温板包括硬质保温板上盖和硬质保温板下盖，所述硬质保温板上盖的底部设有若干上凹槽，所述硬质保温板下盖的顶部设有与所述上凹槽对应的下凹槽，所述上凹槽与所述下凹槽扣合后形成的凹槽形状与所述水格栅相同；每个所述水格栅对应镶嵌在所述凹槽内。所述水格栅包括顶部敞口的水格栅槽和与所述水格栅槽的顶部敞口相匹配的水格栅盖板，沿所述水格栅槽的顶部槽壁设有环形插槽，所述水格栅盖板的底部对应所述环形插槽设有环形插销，环形插销上安装有橡胶密封环；所述环形插销密封插接于所述环形插槽内，通过橡胶密封环密封，使得所述水格栅盖板与所述水格栅槽密封扣合，可保证纯净水的密封性，不会在施工和运营过程中发生泄漏。水格栅槽和水格栅盖板的材料与硬质保温板的材料相同。所述水格栅槽的内壁上设有水位线，所述水位线所标记的体积与填充在每个所述水格栅内的所述水的体积相同，设置水位线可保证加水过程的精确性。本技术的优点：在暖季冰相变成水体积减小，垂直方向空气的低导热性能体现出了硬质保温板的隔热作用，而在冷季水相变成冰体积增大，导热系数增大，增加了硬质保温板的冷能输入作用，因此本技术是一种主动型的路基降温方法，能够持久的维持路基热稳定性；且本技术结构简单，便于施工。附图说明：图1为实施例1整体结构示意图。图2为实施例1中硬质保温板及水格栅拆分状态示意图。图3为路基几何模型图。图4为地基土体中的初始温度曲线。图5为不同工况下多年冻土上限位置随路基修筑时间变化关系图。多年冻土路基1，硬质保温板2，硬质保温板上盖2-1，硬质保温板下盖2-2，上凹槽2-3，下凹槽2-4，水格栅3，水格栅槽3-1，水格栅盖板3-2，环形插槽3-3，环形插销3-4，活动层4，多年冻土层5。具体实施方式：实施例1：如图1～2所示，一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其包括多年冻土路基1，多年冻土路基1内部沿铺设方向设有硬质保温板2，硬质保温板2内部设有若干个水格栅3，每个水格栅3内均填充有水。填充在每个水格栅3内的水的体积为水格栅3体积的92％，也可以为水格栅3体积的93％，或为水格栅体积的92％～93％之间的任意一个数值。其中水格栅3在硬质保温板2的预制过程中进行设置，每个水格栅3中的水量约为水格栅3体积的92％，每个水格栅3形成独立空间，水分不能发生渗漏。在正温下其水量设置可保证水格栅3起到隔热的作用：水格栅3中水分上部为封闭空气，导热系数约为0.025W/m·k，基本和硬质保温板2的导热系数0.03W/m·k相近，可以起到很好的阻隔沥青路面热量传入下部多年冻土层中的作用，此时，水的导热系数约为0.55W/m·k，但由于垂直方向上水格栅中的水的上界面未与水格栅盖板3-2下界面直接接触，因此，对垂直方向的热传导影响较小，不利于热能的传入。在负温条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，其包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。

【技术特征摘要】
1.一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，其包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。2.根据权利要求1所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，填充在每个所述水格栅内的所述水的体积为所述水格栅体积的92％～93％。3.根据权利要求1或2所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，所述硬质保温板包括硬质保温板上盖和硬质保温板下盖，所述硬质保温板上盖的底部设有若干上凹槽，所述硬质保温板下盖的顶部设有与所述上凹槽对应的下凹槽，所述上凹槽与所述下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永涛，徐湘田，范彩霞，邵帅，曹阳，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：新型
国别省市：内蒙古,15