[发明专利]一种整体均衡降温蓄冷的路基

说明书

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种整体均衡降温蓄冷的路基。

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可分为季节冻土（半月至数月）和多年冻土（一年以上），我国青藏高原是世界上高海拔低纬度多年冻土分布最为广阔的区域。由于冻土中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。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，导致冻土和地下冰退化和融化，从而导致各种工程灾害的产生，对各种重大工程建筑稳定性产生重要影响。

我国兴建的青藏铁路、新藏公路、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受多年冻土影响所导致的工程病害，保证路基和基础长期稳定、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。

公路与铁路相比冻土问题更为突出。已有研究表明（俞祁浩等. 我国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究. 中国科学（技术科学），2014，44（4）: 425 ~ 432），在传热方面，由于铁路主要通过路堤填土坡面吸热，且吸收的热量主要集中在路堤填土底面的外侧部位，易于向外散热。但是对于公路，由于黑色路面的强烈吸热，以及沥青路面的隔水、阻止水分蒸发散热的影响，使得相同条件下公路路基的整体吸热强度是铁路的3 倍多，且通过路面吸收的热流主要集中于路堤填土底面的中心部位，难以向周围冻土散热。同时，高速公路与普通公路相比，当公路路基宽度增加约1 倍时，路堤底面的吸热强度增加0.6 倍，由此产生更加明显的“聚热效应”，并导致冻土更加快速的退化。面对更高的技术标准, 高速公路与冻土之间的热作用更加显著，在多年冻土区修筑高速公路将会面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。

通过采取一些较为有效保护多年冻土的工程措施，是解决冻土工程问题、保证冻土工程稳定性，并同时保护脆弱寒区冻土、生态环境和谐统一的唯一途径。在青藏铁路工程实践中，中国科学工作者创新性提出了“冷却路基”为手段的积极的保护冻土原则，即冷却路基土体，减少传入地基土体的热量，增加地基土体冷储量的方式，通过降低冻土路基温度，达到维持冻土路基长期稳定的目的。并由此系统进行了工程实践，先后对块石路基、U型路基、抛石护坡、空心块护坡、通风管路基、热棒（桩）、遮阳板（棚）等工程措施开展了系统的应用研究，并取得丰硕成果，保证了青藏铁路的长期稳定。

但由于铁路与公路、高速公路路基结构和条件的不同，导致了路基传热过程、量值特征、热量空间分布等方面的本质差别。面对公路、高速公路路基地温调控更高的技术要求和标准，青藏铁路所获取的成功经验，难以直接在青藏公路以及青藏高速公路中获得应用，或满足工程实践要求。

已公开的专利“复合温控通风路基”（专利号：ZL200410002135.8）主要针对青藏铁路路基，研究结果显示了该种措施的先进性、有效性（俞祁浩，程国栋，牛富俊. 自动温控通风路基的应用效果分析. 岩石力学与工程学报， 2004， 23 (24): 4221－4228）。但是，在公路路基强烈吸热条件下，该种设计结构却存在突出工程问题。通过青藏高原青藏高等级试验示范实体试验工程中的应用，由实测资料可见（图1），虽然该技术实施后，由于暖季通风管的关闭，以及保温材料的隔热作用，有效削弱了暖季传热的影响、保存了冬季储藏的冷能；由此大幅提升了0℃等值线高度，甚至接近原天然地表位置，同时有效降低了冻土温度。但是，由于设置的保温材料仅为通风管顶面的单向设置、单向阻热，路堤坡面侧向的吸热过程的影响显著。整体0℃等值线大幅抬升的同时，由于受到暖季坡面、路基侧向的热侵蚀作用的影响和叠加，导致了路基内部靠近路基边坡位置0℃线陡立、陡坎形态的形成，其落差甚至达到2m以上。而土体的冻胀上升、融化下沉，不仅会引起土体垂向位移的差异，同时也会引起冻结层与融化层土体力学性质和响应的差异，以及路堤体内不同部位之间的应力集中、错动和移动，诱发路基开裂等系列工程病害的产生。正是由于该种原因的存在，在青藏高等级公路试验示范工程中，在该种技术的实体试验工程中，路基发生连续的纵向开裂，路堤开裂宽度约到达2cm（图2），并呈现不断增大的趋势。随着大气降水的进一步侵入，会进一步导致不均匀冻胀、或融沉等次生工程病害的产生，严重影响了冻土路基的长期稳定性。