[发明专利]块碎石护坡与通风管复合路基

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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275km处于高温多年冻土区(年平均地温≥-1.0℃)，有221km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134km。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。

发明内容

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，本发明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。

本发明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0.2～1.0m，管与管轴线间距为2～3倍管径，通风管轴线距天然地表为0.5～4.0m。护坡块碎石粒径为10～30cm，水平厚度为0.5～2.5m。

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0℃，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。本发明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，本发明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：