一种用于冻土路基保护热防护结构及方法技术

本发明专利技术涉及一种用于冻土路基保护热防护结构及方法，该热防护结构是由两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成的多层结构，辅设于路基下并将待保护的冻土路基覆盖。本发明专利技术的冻土路基热防护的路基材料，根据热超构材料性质，能有效控制热传导方向。当气温变化，温度升高时，可以使路面结构传导的热量流走，阻止热量进入冻土路基内部，减小暖季进入冻土路基中的热量，缓解冻土的冻融，避免冻土上限退化；本发明专利技术由于采用部分金属，能提高路基强度。超构材料成分简单，制备工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种用于冻土路基保护热防护结构及方法
本专利技术属于高铁冻土道路路基热防护
，具体涉及一种用于冻土路基保护热防护结构及方法。
技术介绍
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，按照冻结的持续时间又可将冻土分为季节性冻土和多年冻土，我国是世界第三冻土大国。由于冰在冻土中起着胶结的作用，冻土的物理力学性质与温度密切相关。当冻土内部的冰发生相变时，冻土的工程特征将发生巨大的变化。据青藏公路的病害原因统计，有85％的病害发生都是冻土融沉造成的，包括路基边坡开裂、路基凹陷、坍塌等，而冻土冻胀造成了另外15％的灾害。为了应对因温度引发的路基灾害，国内外学者开发了热棒、块石层、通风管、保温层等技术措施来进行冻土的保护，然而，虽然这些技术措施都具有一定的冻土保护作用，但同时也存在许多的问题，比如：热棒技术工作效率低，有效工作范围小，通风管造价高，块石层和保温层技术散热效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了缓解冻土路基冻融发生、避免冻土上限退化而提供一种用于冻土路基保护热防护结构及方法，本专利技术可控制材料内热传导的流向，使热流不流经被保护的冻土路基，使其不受热流的扰动，从而缓解冻土路基冻融的发生，并避免冻土上限退化。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种用于冻土路基保护的热防护结构，辅设于路基下并将待保护的冻土路基覆盖，该热防护结构是由两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成的多层结构，该热防护结构可调制材料内热传导的流向，使热流不流经被保护的冻土路基，使其不受热流的扰动，从而缓解冻土路基冻融的发生，并避免冻土上限退化。优选地，两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成“斗篷”状结构。优选地，所述“斗篷”状结构的截面呈圆弧形状，例如圆环形状或椭圆环形状。优选地，所述材料A与材料B的导热系数相差300倍以上。优选地，所述材料A为导热系数在10以上的导热材料，所述材料B为导热系数在0.5以下的绝热材料。优选地，所述材料A为金属材料，选自不锈钢、铝、铜等。优选地，所述材料B为挤塑聚苯板、橡塑保温板、聚乙烯木材料、真空绝热版、气凝胶保温材料、泡沫玻璃保温板等。优选地，所述材料A及材料B交替重叠5-15层，优选为10层。一种用于冻土路基保护的热防护方法，在需要保护的冻土路基上铺设所述的热防护结构，具体方法为：将材料A及材料B交替辅设于冻土地基，形成圆弧斗篷状，覆盖在冻土路基上。本专利技术基于超构材料理论和等效介质原理，按照材料特性，由一个各向异性的多层两材料热导率相差较大的同心环叠加构成热防护结构。根据热超构材料性质，多层各向异性的热防护结构改变了热流在冻土中的传递路径，使热流在传递过程中从环状热超构材料内部绕流通过，从而有效控制了热传导方向。基于此，被该热防护结构包覆的下部冻土没有温度场分布，避免冻土受到扰动。此外，由于采用部分金属，能提高路基强度；超构材料成分简单，制备工艺简单，成本也不高。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术中的各项异性复合热防护材料，含有材料内热隐身绕流特性，其能够通过热流传导绕行，如当气温变化，温度升高时，可以使路面结构传导的热量流走，阻止热量进入冻土路基内部，减小暖季进入冻土路基中的热量，缓解冻土的冻融，避免冻土上限退化。2、冻土地区路基填土多为不良土，本专利技术采用各项异性复合热防护材料后，由于含有金属，能使地基强度增高，地基稳定性提高。3、本专利技术中的路基热防护材料成分简单，工艺更简单，成本不高。4、本专利技术从源头上主动调制热传导流向，可阻止冻土路基内部的温度增高，有效缓解冻土的冻融循环，可减少因为冻土的冻融循环所导致的路基冻胀或融沉灾害，保证了路面服务质量。附图说明图1为冻土路基的几何模型图；图2为基于热超构材料的铁路路基热保护施工示意图；图3为图2的热超构材料的局部放大图；图4为实施例1的0℃线分布图线；图5为实施例2的0℃线分布图线；图6为实施例3的0℃线分布图线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例冻土地基几何模型高度取为10m，路基模型高度取为4.2m(上0.4m为级配碎石层；下3.8m为A/B组土层)，几何模型总高度为14.2m；冻土地基宽度取为48m，路基上表面宽度为13.4m，下底面宽度为26m，边坡坡度1：1.5，如图1所示。用于冻土路基保护的热防护方法，可采用圆弧状的铺设方式，如图2、3，根据冻土路基的几何模型尺寸，本例取圆弧状热隐身斗篷的外径为14m，内径为13.8m。在基床表层上方铺设热防护结构，热防护结构是由两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成的多层结构，此保温层有效减轻铁路路基冻胀效果，增强保温板的稳定性和耐久性，有效避免线路的变形。实施例1将10层结构的热隐身斗篷作为研究对象，每一层的厚度取为2cm，总厚度为0.2m。热隐身斗篷是由两种导热系数相差较大的材料交替重叠排列在一起，材料为不锈钢(15.1)+挤塑聚苯板(0.041)，括号内为材料的导热系数。将构建的热隐身斗篷覆盖于路基上方，并添加随着季节发生周期性变化的温度边界条件，进行冻土的水热耦合有限元模拟。其中在土层达到最大冻结深度时刻，0℃线的位置如图4所示。分析可知：热隐身斗篷有良好的热防护效果，其保护区域土体未发生冻结，中轴线位置的0℃线提高到13.857m，路肩处0℃线提高到12.129m处的位置。实施例2基于实施例1，更换其他导热系数相差较大的材料，如铝(237)+挤塑聚苯板(0.041)，每一层的厚度仍取为2cm，总厚度为0.2米。将构建的热隐身斗篷覆盖于路基上方，并添加随着季节发生周期性变化的温度边界条件，进行冻土的水热耦合有限元模拟。其中在土层达到最大冻结深度时刻，0℃线的位置如图5所示。分析可知：热隐身斗篷有良好的热防护效果，能够有效缓解冻土路基冻融发生，避免冻土上限的退化。中轴线位置的0℃线提高到13.878m，路肩处0℃线提高到12.152m处的位置。实施例3基于实施例2，进一步增大材料A和材料B导热系数的倍数关系，选用铜(401)+挤塑聚苯板(0.041)，每一层的厚度仍取为2cm，总厚度为0.2米。经过有限元模拟计算，在土层达到最大冻结深度时刻，0℃线的位置如图6所示，中轴线位置的0℃线提高到13.878m，路肩处0℃线提高到12.153m处的位置。上述的对实施例的描述是为便于该
的普通技术人员能理解和使用专利技术。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本专利技术不限于上述实施例，本领域技术人员根据本专利技术的揭示，不脱离本专利技术范畴所做出的改进和修改都应该在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于冻土路基保护的热防护结构，辅设于路基下并将待保护的冻土路基覆盖，其特征在于，该热防护结构是由两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成的多层结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于冻土路基保护的热防护结构，辅设于路基下并将待保护的冻土路基覆盖，其特征在于，该热防护结构是由两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成的多层结构。


2.根据权利要求1所述的一种用于冻土路基保护的热防护结构，其特征在于，两类导热系数相差较大的材料A及材料B交替重叠形成“斗篷”状结构。


3.根据权利要求2所述的一种用于冻土路基保护的热防护结构，其特征在于，所述“斗篷”状结构的截面呈圆弧形状。


4.根据权利要求1所述的一种用于冻土路基保护的热防护结构，其特征在于，所述材料A与材料B的导热系数相差300倍以上。


5.根据权利要求4所述的一种用于冻土路基保护的热防护结构，其特征在于，所述材料A为导热系数在10以上的导热材料，所述材料B为导热系数在0.5以下的绝热材料。

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【专利技术属性】
技术研发人员：倪玉山，丰火雷，邓璇，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31