降低冻土路基温度场的架空层

摘要

本发明涉及一种用于有效降低多年冻土路基温度的新型结构的架空层。它是在密实稳定层基础上，是由混凝土(或钢筋混凝土)长方块和盖板组合的各个单元随路基走向有序地搭建而成，顶部棚有盖板，水平位于路堤一定的层面，并延伸出路堤坡面与外界相通。本发明具有降温效能突出、结构和施工简便、造价低廉、应用面广、有利于降低工程造价、保护脆弱生态环境等诸多优点。本发明对于维护路基下部多年冻土和工程建筑的长期稳定将产生积极和重要作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于降低和调控多年冻土路基温度的一种新型结构形式。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，按冻土保持时间的长短主要分为季节冻土(半月至数月)、多年冻土(一年以上)，其分布区域称为寒区。世界陆地面积的50％以上为寒区所覆盖，在我国寒区和多年冻土的面积分别占到国土面积的75％和21.5％。我国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。

冻土不仅由于冰的存在其性质会较融土发生复杂和根本性的改变，而且在多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，更会形成厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。在广阔的多年冻土地区，蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源。由于资源开发，日益加剧的人类活动极易诱发厚层地下冰的融化和冻土环境的变化。这些变化，对人类工程建筑和自然环境带来严重影响，甚至造成灾害。随着全球气候的不断转暖，使得这一形式变得更加严峻。由于冻土的抗压强度与其温度密切相关，尤其当冻土的温度高于-1℃，其强度按指数关系随之下降，往往当地温只发生零点几度的变化，对工程而言对冻土路基稳定性也会产生极大影响。如果通过工程措施来降低路基温度场，则对路基稳定性会产生根本性的影响。

我国兴建的青藏铁路、青藏公路工程项目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稳定，确保交通运输安全运营和工程建筑稳定已成为亟待解决的关键科学问题。

我国寒区科学工作者立足国情，围绕青藏铁路国家重大工程项目，在以“冷却路基”科学思想的指导下，为积极保护多年冻土，达到冻土工程的长期稳定，紧密围绕各种工程措施进行了积极的探索和系统研究，其中包括通风路基的系统试验研究。通风路基在冻土保护措施中以其简便、快捷等优点在工程措施中得到一定程度的应用。其工作原理是在铁路、公路或其它线性工程中的路基基础中，在与线性工程走向垂直的方向及其一定深度的部位、按照一定的间距、平行埋设一定口径的水泥管或PVC管。通过气流在通风管中的流动和换热，使路堤内部的热量得以直接散出，降低通风管周围介质的温度，从而达到稳定多年冻土和提高路基稳定性的目的。

但存在的突出问题是：第一，由于通风管之间填充的路堤填土导热系数相对较高，在一年四季的季节中，路堤表面吸收热量的较大部分还是通过这部分土体传入到下部路基中，由此会大大降低通风路基的降温效果；第二，通风路基的降温效能主要体现在通风管的通风量上，为增加通风量，要么需要增加通风管的管径，要么需要加密通风管，两者都较大程度的增加了工程施工难度和造价；第三，工程施工难度较大。在筑路过程中，如果在夯实的路堤表面直接摆放通风管，再回填路堤填土，则通风管之间的填土则难以达到劣实密度，在道路运营期间，在上部车辆振动荷载的作用下，由于这部分土体势必会造成路面的不均匀沉降。为避免这种情况的发生，在筑路过程中需要在夯实的路堤表面开槽、放置通风管、回填土料、最后振动压实。可见施工难度较一般的筑路过程较为复杂，并增加了工程投资。

需要注意的是，遮阳板工程措施也是一种简单、有效降低路基多年冻土温度的工程措施。马巍等研究表明(多年冻土地区主动冷却地基方法研究，冰川冻土，2002年5期)，该种工程措施通过在路堤坡面架空一层遮挡太阳辐射的板材，可以有效降低路基坡面的吸热，通过坡面的降温进而降低路基下部多年冻土的温度。但是，由于遮阳板对坡面的遮挡作用，难于进行日后对路基的维修和植被恢复，同时由于强烈的反光作用，造成了视觉污染和行车安全隐患。使遮阳板难以在工程实践中得到应用。

因此，针对不同冷却多年冻土的工程措施的优缺点，通过对不同降低路基多年冻土温度方法进行分析和优点集成，寻找一些更为有效降低多年冻土温度的工程措施，对于今后的多年冻土区工程建设具有重要的指导和借鉴作用。

发明内容

根据通风路基在青藏铁路应用中的科研成果和存在的一些问题，本发明提出一种用于降低多年冻土路基温度场的架空结构形式，并通过野外观测资料、室内仿真计算分析证明该种措施是一种简单、有效，工程造价相对低廉、施工简便的工程措施，该种措施集成了通风路基和遮阳板工程措施的优点，构筑了降低多年冻土路基温度场的架空结构形式，有效地实现了降低路基温度的目的，从而保证多年冻土和工程建筑的长期稳定。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种降低冻土路基温度场的架空层，其底部铺设一定厚度的稳定层，层面上由混凝土(或钢筋混凝土、或钢筋纤维混凝土)长方块和盖板组合的各个单元随路基走向有序地搭建而成，顶部棚有盖板，水平位于路堤一定的层面，并延伸出路堤坡面与外界相通。

上述的稳定层是指底部铺设的混凝土(或钢筋混凝土、或钢筋纤维混凝土)板；或为底部铺有由混凝土(或钢筋混凝土、或钢筋纤维混凝土)板条；或为底部铺有烧制砖；或为底部铺有一层具有一定厚度的水泥稳定层、或为石灰稳定层、或为工业废渣稳定层；或为密实路堤填土。

长方块和盖板单元或为多层的组合。

上述的长方块或为立方块；

长方块、立方块或为粘土烧制成的砖。

在路堤建造成型过程中，在路堤一定高度上，底部铺设一定厚度的密实的稳定层，将混凝土(或钢筋混凝土)长方块和盖板按照一定方式组合搭建成为0.1-2.0米厚度、与外界相通，再在其上填土，以此完成整个路基的建筑过程。

为了解架空层工程措施的优点所在，有必要对其降温效能从机理上做进一步了解。对于存在多年冻土的寒冷区域，地面表层年平均地温低于0℃是多年冻土存在的充分和必要条件。在太阳辐射的作用下地表不断吸热，所以地表温度较气温要高出一定的程度，这类地区对应的年平均气温往往为-2.0℃。遮阳板工程措施正是消除了这种辐射加热作用，可以使上部铺设了遮阳板的地表温度基本为气温温度。冯文杰等(遮阳棚在寒区道路工程中的应用研究，岩土工程学报，2003年9月)研究表明，在青藏高原风火山地区遮阳棚内外地表温度基本相差3℃。不难想象，如果在路堤的某一位置存在具有一定厚度、与外界充分相通的层面，即相当于把这一位置以上的路堤架空，同样可以使该层的温度接近年平均气温。更重要的是，的作用还相当于隔热层，这是由于架空层的支架的传热面相对整个路堤传热面要小的多，路堤表面吸收的热量通过该层很容易散出，而难以向下部路基传输，充分避免了上述通风路基由于通风管之间土体传递热量导致效能下降的不良影响。架空层集成了通风路基和遮阳板工程措施的优点，发挥了隔热和空气对流换热两种作用，可以有效地降低多年冻土路基温度，使多年冻土和路基稳定性得到很大程度的提高。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、降温效能突出、工程稳定性效能明显。这是该发明最大的优点。首先，架空层隔绝了路堤表面吸收热量向路基内部下传的通道，阻止了热量的向下部多年冻土的传递，即相当于起到现在青藏铁路以桥代路工程措施的作用；其次，通过架空层路堤内部可以充分与外界进行热量交换，上部土体相当于起到遮阳板的作用，由于热量随时的充分交换，架空层下表面总体接近空气温度，这样年平均温度要低于天然地表2℃左右。可见在这种工程措施的作用下，下部多年冻土地温可以得到持续降低，可以有效、维持冻土工程的长期稳定。

2、实施简便、造价相对低廉。由于使用的材料主要为混凝土(或钢筋混凝土)和板材，可以在现场快速大量加工生产、迅速搭建，无须通风路基和遮阳板复杂施工过程和繁复的工序，非常便于工程实际的应用。同时由于该层为空心层，其用料更为节省，工程成本较现在青藏铁路采用的块石路基大为降低。以青藏铁路为例，由于青藏高原多年冻土区多为高平原，石料场远离施工现场，就成型后的抛石路基而言，由于抛石层增加工程成本每公里约一千多万。如果使用该种空心材料，通过计算增加综合成本每公里约100～200万。通过室内计算分析，其强度相当于现用于工程实践中抛石路基的强度，完全可以满足工程实践对该层强度的要求。由此可见该种发明的优异的性价比。因此，施工简单、成本相对低廉也是该发明的突出优点之一。

3、应用面广、便于普及。由于该种措施结构简单、成本相对低廉，降温效能突出，容易得到普及和广泛的应用。多年冻土存在的充要条件是地表年平均温度为0℃，而实施该种措施可以使路堤底部的年平均地温接近-2℃。可见，只要在多年冻土存在的区域构筑路基，该种措施均可以发挥作用，不但可以使原有多年冻土的温度不断降低，而且还可以保持路基的长期稳定。

4、可以用于寒区不良工程病害的治理。由于该种措施使的路堤底部的年平均地温降低了2℃以上，对于一些由于冻胀和融沉剧烈的季节冻土区和多年冻土的冰缘地带，可以通过该种措施使路堤下部土体冻结，避免路基土体频繁冻结和融化导致的冻胀和融沉对道路产生的破坏作用。

5、该种措施的简便性和有效性有利于降低工程造价、缩短工程建设周期、并有利于脆弱生态环境的保护。

附图说明

图1为本发明实施例1示意图

图2为本发明实施架空层路基示意图

图3是普通路基实测资料与理论计算结果对比

图4为通风路基通风管内实测温度月平均曲线

图5为普通路基-4m和-8m深度处地温随时间变化过程

图6为通风路基-4m和-8m深度处地温随时间变化过程

图7为架空层路基-4m和-8m深度处地温随时间变化过程

具体实施方式

下面结合附图，对本发明再作进一步的说明：

实施例1

野外现场加工或室内工厂预制生产钢筋混凝土立方体、长方体和板。

如图1所示，一种降低冻土路基温度场的架空层，在路堤填土密实到0.5m进行搭建。首先路基底部铺设、压实0.2m铺的水泥稳定层，待水泥稳定层养护成型后，再在该稳定层面上随路基走向按照一定的方式有序地搭建混凝土(或钢筋混凝土、或钢筋纤维混凝土)长方块1和盖板2组合的各个单元。架空层内块与块四周有间距，形成通风道，厚度为0.30m，水平置于路基中一定位置(见图2)。随路基走向有序地搭建而成，块与块四周有间距，形成通风道，顶部棚有盖板2，水平位于路堤一定的层面，并与外界相通。

为防止路堤填土堵塞架空层端口，将架空层延伸出路堤坡面一定距离。

实施例2

如图1所示，一种降低冻土路基温度场架空层是按实施例1，在底部铺设一层石灰稳定层，稳定层面上用立方块搭建的多层架空层，层厚1.0m。上下块之间，上块中心对应下块的空隙，交错排放，置于路基中一定位置。然后在盖板2上填土，以此完成整个路基的建筑过程。

实验例：普通路基、通风路基、架空层路基试验对比

为验证该种技术的有效性，我们利用中国科学院冻土工程国家重点实验室青藏公路和铁路北麓河试验场的实测资料，构建了计算模型，利用中国科学院冻土工程国家重点实验室购置的Marc大型模拟计算软件进行了仿真模拟分析。为验证计算模型的真实性和有效性，首先对普通路基进行了模拟计算分析，并与实测资料进行了对比。实测结果取自北麓河青藏公路试验场的普通路基中心孔的测温资料。由图3普通路基成型后第三年9月15日实测和计算结果可以看到，两者温度基本一致，最大误差不超过0.5℃，而且只存在浅层面。图3中浅层实测资料略高于计算结果是由于路堤成型施工过程中，堆放填土温度较高所至，如果去处该种影响两者应该一致。通过对比表明，计算模型构建合理，可以用于相关的仿真计算分析。

为验证该种技术的有效性，在上述模型中，距离地表面0.5的高度，在路堤内部构建了一层30cm与外界相通的架空层，我们利用试验场通风路基通风管内2003～2004年的实测资料(图4)设定架空层的内部温度。其它边界条件、初始条件、本构关系与上述普通路基模型相同。为了解不同路基结构对路基地温场的影响，我们选取-4m和-8m深度对比地温随时间变化的计算结果。在工程实际中，该深度的位置上往往是地下冰含量最大的区段，而且是工程作用影响下地温变化最为剧烈，并对工程稳定性影响最大的区段。

由普通路基仿真计算结果图5可见，在路堤成型后，由于路堤表面的吸热作用，致使多年冻土的温度持续升高。在-4m深度，地温第三年由-1.4℃升高到-0.7℃；在-8m深度，地温第四年由约-1.2℃升高到-1℃以上。由于冻土压缩变形量随温度的升高呈现出指数增大的趋势，尤其是当冻土的温度高于-1℃时，冻土变形量将发生剧烈的变化。由计算结果可见，在路基成型后高含冰量冻土区段，冻土温度在-8m范围内，尤其在-4m深度范围，多年冻土的温度都快速升高到-1℃范围内。考虑地温对冻土应变的影响，路基将发生持续的剧烈沉降变形，在公路运营期间，路基将严重失稳。俞祁浩等(青藏公路路基变形分析，冰川冻土，2002年5期)对青藏公路沉降变形的研究发现，在青藏公路整治工程完工后的两年内，公路发生了持续的沉降变形，在多年冻土典型地段，最大沉降变形量达到年平均4.9cm。因此，考虑到地温度沉降变形的影响，进一步验证了模拟仿真计算中，构建模型和计算结果的准确性。

由通风路基仿真计算结果图6可见，在年平均气温为-3.5℃，地表温度为-1℃的地区，在20年的时间内，在-4m到-8m范围内地温基本稳定，并略有降低，通风路基稳定。由此可见，通风的降温作用。但需要注意的是，如果在年平均气温高于-3.5℃的地区，由于通风量的限制和通风管之间的传热作用，通风路基则难以维护多年冻土和路基的稳定。

从架空路基仿真计算结果图7可见，地温发生完全不同的变化形态。路基地温持续降低，在-4m到-8m范围内达到或超过-2℃以下，按照多年冻土工程区划和分类，该类多年冻土不稳定区在不到5年的时间里已转化为多年冻土稳定区，在20年的时间内多年冻土和路基非常稳定。

上述试验结果表明：架空层降低冻土路基温度场的效果明显的优于通风路基和遮阳板。在-4m到-8m范围内已达到或超过-2℃以下，远远低于通风路基和遮阳板自然界面深度为0刻度的温度。从架空路基仿真计算结果来看，在20年的时间内，可以保持多年冻土和路基的稳定。