一体式防冻胀聚热装置及其路基的制作方法

1.本发明涉及季节冻土多年冻土区工程建设技术领域，具体而言，涉及一种一体式防冻胀聚热装置及其路基。


背景技术：

2.青藏铁路西格段地处青藏高原东北部，铁路线路穿越青海湖北岸滨海平原、冲积平原、冰原台地，平均海拔3220m。年平均降水量376mm，降水分布不均，大部分集中在7
‑
9月。年平均气温
‑
0.6℃，最冷月1月平均气温为
‑
20.6℃。青藏铁路西格段气候寒冷，气温冻结能力强，冻结深度较大，最大冻结深度可达1.8m，属于典型深季节冻土区。由此因冻结、融化导致的路基冻胀、融沉等工程病害相对较严重。
3.近年来由于青藏高原降雨量的不断增加，造成地下水的富集和地下水位的提高，加之气候环境变化的加剧，导致该类地区冻融工程病害的进一步增加，对路基长期稳定性构成重要影响。虽然以往就季节冻土区工程作用下路基病害开展过一下研究，但研究主要针对公路工程，或东北、西北等地区高速铁路工况条件下，路基微冻胀工程作用和影响等问题开展研究。而针对青藏铁路西格段高水位、粗填料、强冻融等特殊条件下的冻融工程病害发育特征、分布规律尚缺乏研究。在常规地区所使用的粗颗粒换填、化学注浆、防水帷幕等方法在该类地区应用中由于受到列车正常行驶、不能中断施工等工程条件限制，以及受到土体冻融强烈作用导致的处置部位开裂、路基下部整体封闭极为困难，都导致了这些方法难以满足实际工程需要。由于以往关于该类工程病害整治工程措施的研究较为薄弱，工程问题长期影响路基稳定和运行安全。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种一体式防冻胀聚热装置及其路基，其能够充分利用太阳能资源，通过路基地温场平整加热、路基易冻胀部位重点调控，实现路基均衡、平整加热，有效避免季节冻土区路基冻胀、不均匀起伏等工程病害的产生。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.第一方面，本发明提供一种一体式防冻胀聚热装置，一体式防冻胀聚热装置包括：
7.太阳能加热器，用于安装在路基的一侧；
8.聚热传热管，包括相互连通的吸热部和放热部，其中，吸热部镶嵌在太阳能加热器的内部，放热部插入路基的内部。
9.这样，太阳能加热器吸收太阳能，并将热量传递给聚热传热管的吸热部，再由吸热部将热量传递至放热部，由放热部对路基的内部加热。本发明实施例针对路基冻胀的关键科技问题而提出，从路基冻胀产生的“水、土、温”三个必不可少的要素中的“路基温度”着手，通过本发明实施例提供的装置达到控制温度、防控路基冻胀的目的。
10.在可选的实施方式中，吸热部与放热部之间所成的角为钝角。
11.在可选的实施方式中，吸热部沿路基的坡面延伸，放热部与水平面所成的角度范
围为：
‑
30
°
～30
°
。
12.在可选的实施方式中，放热部与水平面所成的角度范围为：
‑
10
°
～10
°
。
13.这样，在路基上安装聚热传热管，只需要在路基的坡面钻孔，施工方式基本为水平打孔，对路基为点式施工，且面对路基填土钻进速度快，开孔口径小、钻孔深度小、数量少，对路基稳定性没有影响。
14.在可选的实施方式中，吸热部的数量为多个，多个吸热部连通在一个放热部的端部。
15.在可选的实施方式中，多个吸热部以放热部的端部为中心、呈放射状布置。
16.这样，多个吸热部能够提高聚热传热管对太阳能加热器的吸热效率，从而提高聚热传热管对路基的加热效率。
17.在可选的实施方式中，聚热传热管包括：
18.管体；
19.至少一层吸液芯，设置在管体的内壁上；
20.相变工质，填充在管体的内部。
21.这样，吸热部内部的液态的相变工质吸收太阳能加热器的热量转变为汽态，并在气压的推动下移动到放热部；在放热部汽态的相变工质冷凝转变为液态，并放出热量，同时，液态的相变工质在重力和吸液芯的毛细力的推动下，不断回流至吸热部。如此循环，聚热传热管不断将吸热部吸收的热能高效传输至路基内部的放热部，并加热聚热传热管周围的土体。
22.第二方面，本发明提供一种一体式防冻胀聚热路基，一体式防冻胀聚热路基包括：
23.路基；
24.前述实施方式任一项的一体式防冻胀聚热装置。
25.这样，一体式防冻胀聚热路基能够充分利用太阳能资源，实现路基均衡、平整加热，有效避免季节冻土区路基冻胀、不均匀起伏等工程病害的产生。
26.在可选的实施方式中，一体式防冻胀聚热路基还包括：
27.保温材料层，铺设在路基至少一侧的坡面上。
28.这样，保温材料层能够阻止路基内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基内部热量的留存。
29.在可选的实施方式中，放热部位于路基的坡脚与半坡之间的位置，吸热部从连通放热部的一端向路基的坡脚延伸。
30.这样，一体式防冻胀聚热装置整体的重心较低，有助于装置的整体热循环推力的形成和增加，并保证整个循环和换热过程的顺畅、高效工作，而且还能提高装置应对大风等恶劣环境的能力，提高稳定性。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
32.图1为本发明实施例提供的一体式防冻胀聚热路基的结构示意图；
33.图2为图1中一体式防冻胀聚热装置的结构示意图；
34.图3为图1中一体式防冻胀聚热装置的一种侧视示意图；
35.图4为图1中一体式防冻胀聚热装置的另一种侧视示意图；
36.图5为图1中聚热传热管的剖视示意图；
37.图6为图5中结构的左视图；
38.图7为路基布设聚热传热管天后的模拟计算结果地温场示意图。
39.图标：1
‑
一体式防冻胀聚热路基；2
‑
路基；3
‑
保温材料层；4
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锚杆；5
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一体式防冻胀聚热装置；6
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太阳能加热器；7
‑
聚热传热管；71
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吸热部；72
‑
放热部；73
‑
管体；74
‑
吸液芯。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
41.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
45.请参考图1，本实施例提供了一种一体式防冻胀聚热路基1，一体式防冻胀聚热路基1包括路基2、保温材料层3和一体式防冻胀聚热装置5。
46.具体的，请参考图1和图2，一体式防冻胀聚热装置5包括太阳能加热器6和聚热传热管7，其中，太阳能加热器6可以设置在路基2的阳坡侧、靠近坡脚天然地表区域，也可以设置在路基2的阴坡层、太阳冬季能够照射到的天然地表区域。太阳能加热器6主要采用高度适中、低矮宽大的设计方式，由此提高大风野外恶劣环境下的稳定性。
47.聚热传热管7属于异形热管的类型。聚热传热管7包括相互连通的吸热部71和放热部72，吸热部71与放热部72之间所成的角为钝角。其中，吸热部71镶嵌在太阳能加热器6的内部，吸热部71从连通放热部72的一端向路基2的坡脚延伸。
48.放热部72位于路基2的坡脚与半坡之间的位置，放热部72插入路基2的内部，而且插入方向垂直于路基2的长度方向。放热部72与水平面所成的角度范围为：
‑
30
°
～30
°
。本实施例中，优选放热部72与水平面所成的角度范围为：
‑
10
°
～10
°
，也就是说，如图1中所示，放热段72的长度沿x方向延伸，且沿y方向的上仰角可以为10
°
，使放热部72的高度位置基本位
于路基2高度的中上部位，长度方向延伸至路基2大部分区域。这样，在路基2中安装聚热传热管7方便，只需要在路基2的坡面钻孔，施工方式基本为水平打孔，对路基2为点式施工，且面对路基2填土钻进速度快，开孔口径小、钻孔深度小、数量少，对路基2稳定性没有影响，不会改变路基2原有的工程结构，保证了原有路基2的稳定，施工过程对列车正常行驶不构成影响，有效解决满足列车行驶条件下工程施工难题。
49.保温材料层3设置在路基2的坡面，可以覆盖路基2的整个坡面，并通过锚杆4固定。在其它实施例中，还可以通过在保温材料层3的外表面覆盖薄层土层或其它材料，以压实固定保温材料层3。保温材料层3可以选用建筑岩棉保温材料或一体保温板。具体的，路基2的阳坡坡面和阴坡坡面都可以设置保温材料层3，能够阻止路基2内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基2内部热量的留存。
50.连接在一个放热部72上的吸热部71可以有一个或多个，请参阅图3，一个放热部72上连接一个吸热部71，吸热部71沿着路基2的坡面延伸。请参阅图4，一个放热部72上也可以连接多个吸热部71，多个吸热部71以放热部72的端部为中心、呈放射状布置，优选地，所有吸热部71的重心都低于放热部72的重心，这样不仅提高了聚热传热管7对太阳能加热器6的吸热效率，从而提高聚热传热管7对路基2的加热效率，还保证了聚热传热管7的稳定性。
51.请参阅图5和图6，聚热传热管7包括管体73、吸液芯74和相变工质(图中未画出)，其中，吸液芯74设置在管体73的内壁上，相变工质填充在管体73的内部。这样，吸热部71内部的液态的相变工质吸收太阳能加热器6的热量转变为汽态，并在气压的推动下移动到放热部72；在放热部72汽态的相变工质冷凝转变为液态，并放出热量，同时，液态的相变工质浸入吸液芯74将产生毛细力，在毛细吸力作用下使得管体73的全壁吸附相变工质，在工作条件下全部壁面的相变工质汽化，由于汽化表面相对没有吸液芯74蒸发面积的成倍增加，使得汽化量和汽态工质数量成倍增加，由此使得整个聚热传热管7的工作效能成倍增加，同时通过毛细力的作用促进相变工质从放热部72能够顺利回流至吸热部71。为增加相变工质在管体73中从放热部72到吸热部71的回流速率，可以设置多层吸液芯74。如此循环，聚热传热管7不断将吸热部71吸收的热能高效传输至路基2内部的放热部72，并加热聚热传热管7周围的土体。
52.而且，聚热传热管7内部由于吸液芯74的布设，以及吸热部71相对放热部72存在一定的高度差，在重力、毛细力作用下很容易实现水平热管的功效，实现水平方向的热量的高效传递，由此实现整体装置的无动力高效传热。
53.本实施例中，聚热传热管7的放热部72以大致水平的方向插入，在路基2内呈现大致水平状态，通过聚热传热管7间隔一定距离、并排的大量布设，就会使路基2升温过程中地温等值线呈水平状的快速发展，由此有效改善路基2内部水热力相互耦合的作用过程，并进一步提高路基2的稳定性。
54.在实际应用过程中，可根据路基2走向、高低等工程条件，太阳辐射和场地周围环境条件等实际情况，进行聚热传热管7、保温材料层3和太阳能加热器6的多因素的灵活设置和组合，比如调整聚热传热管7的埋设角度和间距、保温材料层3的一侧或两侧的设置，甚至增加一层辅助保温层等，以调整路基2地温场升温强度和作用区域，达到最佳地温调控效果。
55.基于上述内容公开的一体式防冻胀聚热路基，可以看出，面对铁路双向或多股轨
道等宽幅路基，路面放热和冻结强度更大、路基下部和中心冻胀工程病害更加突出的问题，可以通过在路基的双侧、低位水平位置浅埋聚热传热管能够有效解决以上问题，实现在宽幅路基上的均衡、平整防冻胀的目标的实现。
56.本实施例提供的一体式防冻胀聚热装置及其路基与现有工程技术相比，至少具有以下优点：
57.1.与现有注浆工程技术相比，本实施例提供的一体式防冻胀聚热装置及其路基，首先，聚热传热管是从路基下部以大致水平的方向向路基内部延伸，主要覆盖路基底部大部分区域，相比现有注浆工程中竖直向下钻孔，可以减少钻孔数量和钻孔深度，其次，现有注浆工程会改变路基的工程结构，本实施例中主要为改变路基热学性质的地温调控，主要作用于路基中水分富集、冻结后产生体积膨胀的区域，不改变路基原有的工程结构；最后，现有注浆工程没有采用保温材料层，本实施例中保温材料层能够阻止路基内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基内部热量的留存；
58.2.与现有电加热工程技术相比，现有电加热工程通过路基内部电加热措施对路基加热，需要外在电力供给，要求专门电力线路修建和布设，每年不仅大量消耗电力资源，而且内部电子电加热系统在野外使用条件下，发生故障运维成本大，本实施例提供的一体式防冻胀聚热装置及其路基没有外在动力能源、自主循环，通过充分利用当地丰富太阳能资源，实现对路基加热的目的，节省能源，绿色环保；
59.综上，实施例提供的一体式防冻胀聚热装置及其路基与现有工程技术相比具有显著的进步，并且实现对季节冻土区路基病害中冻融关键要素的控制，起到事半功倍的效果，也实现了路基地温等值线水平均衡、对称分布，消除路基热力耦合的差异影响，进一步增强路基力学场稳定。这些都有效避免路基，特别是宽幅路基，不均匀冻胀、纵向开裂等工程病害的产生，保证路基的长期稳定性，因此本实施例具有突出科学性和先进性。
60.在施工方面，本实施例解决了现有工程施工的难题。本实施例中施工部位在路基的一侧或两侧，施工方式为水平打孔，对路基为点式施工，对路基填土钻进速度快，开孔口径小，对路基稳定性没有影响；而且在实施过程中仅为开孔、插孔，没有以往注浆、换填等措施，不会对路基产生大范围扰动和力学性质的改变，这些都进一步保证了原有路基的稳定，施工过程对列车正常行驶不构成影响，实现了在列车行驶条件下工程施工的要求。
61.在季节冻土区，为保证路基的稳定性，路基的热学特性是保证路基力学稳定性前提条件。而衡量工程措施作用下路基热学特性是否能够满足要求主要在于：(1)工程措施升温的有效性。在工程措施的作用下，地基持力层、路基下部水分含量相对较高部位的温度始终处于正温状态。(2)在冬季地温相对较低状态下，路基地温场分布平整，浅表层地温场0℃冻融界面在冻融过程中保持水平、平整分布。
62.为验证本实施例提供的一体式防冻胀聚热装置的调控效能，结合青藏铁路西宁至格尔木试验工程现场地质情况，进行工程措施作用下的数值模拟仿真计算。
63.实例：在高度为2.0m、顶面宽度为7.5m的青藏铁路路基的阴坡一侧坡面上，在1.0m高度位置大致水平地将聚热传热管从阳坡插入路基的内部，放热部72的长度为10m，聚热传热管沿路基长度方向的间距为2m。在装置加热参数的设置中，加热功率参照现有1m2的太阳能热水器在该类地区的加热功率900w，工作时间按照白天10点至下午4点，换热功率按照50％进行折减和计算。为进一步验证该种措施的在不利条件下的有效性，在模拟计算中路
基坡面没有铺设保温材料层。
64.在该工况下，当年冬季1月份在布设聚热传热管天后的模拟计算结果地温场如图7所示。图7为第30天路基经过一个晚上的散热过程，早晨8:30时刻、外界环境温度最低条件下路基地温剖面图。从图7可以得出以下信息：
65.(a)在地温量值特征方面，路基内大部分区域地温处于正温状态，路基下部持力层、水分较高部位地温处于相对高温区域，最高温度可达20℃；
66.(b)在地温场形态特性方面，地温等值线整体呈现水平、相互平行的形态特性，特别是0℃等温线分布平整，即冻结区域、正温区域相互平行，其中，冻结区域在路基上部仅有少量、呈薄层线分布均匀、对称分布，能有效解决冻土工程难题，具体表现如下：
67.(1)改善了原有路基中心区域温度场温度状态，满足季节冻土区铁路路基温度场调控要求，通过图7可以看出，本实施例实施后，路基中心区域、主要持力层的地温均处于正温状态，并在路基中心形成高温土核，提高路基对外界环境温度降低的抗冻胀能力；
68.(2)温度场0℃地温等值线及其他等温线分布完全水平、平整，且冻结区域呈薄层线分布在路基顶部及靠近护坡处，大幅度提高路基稳定性，从图7可以看出，路基温度场分布平整，尤其是0℃等温线分布平整，在路基内整体呈上凸分布，由此大幅减少路基内冻结层厚度、同时也有利于路基内水分的外排，这将显著消减路基的冻胀量；
69.(3)消除了阴阳坡效应影响，基本消除路基纵向开裂工程病害，从图7可以看出，路面以下的路基温度场基本以路基中心呈对称分布，且路基内温度场等温线分布平整，加上冻结区仅分布在路基顶面及护坡下较薄条形的区域，这将显著减弱路面横向的冻胀差异，从而消除路基纵向开裂的产生的根源。
70.本实例仅是为了本发明所做的代表性分析，其结论在趋势上(具体数值上会有区别)基本代表本发明所能达到的效果。
71.此外，模拟计算表明，按照本实施例提供的一体式防冻胀聚热路基的结构进行季节冻土区铁路修筑，冻土路基在运营期间一直进行热能的存储，路基内冻结区将随运行时间而减小，因此该结构可以满足路基力学稳定性所需要求，并可维持路基长期稳定。
72.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，所述一体式防冻胀聚热装置包括：太阳能加热器(6)，用于安装在路基(2)的一侧；聚热传热管(7)，包括相互连通的吸热部(71)和放热部(72)，其中，所述吸热部(71)镶嵌在所述太阳能加热器(6)的内部，所述放热部(72)插入所述路基(2)的内部。2.根据权利要求1所述的一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，所述吸热部(71)与所述放热部(72)之间所成的角为钝角。3.根据权利要求1所述的一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，所述吸热部(71)沿所述路基(2)的坡面延伸，所述放热部(72)与水平面所成的角度范围为：
‑
30
°
～30
°
。4.根据权利要求3所述的一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，所述放热部(72)与水平面所成的角度范围为：
‑
10
°
～10
°
。5.根据权利要求1所述的一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，所述吸热部(71)的数量为多个，多个所述吸热部(71)连通在一个所述放热部(72)的端部。6.根据权利要求5所述的一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，多个所述吸热部(71)以所述放热部(72)的端部为中心、呈放射状布置。7.根据权利要求1所述的一体式防冻胀聚热装置，其特征在于，所述聚热传热管(7)包括：管体(73)；至少一层吸液芯(74)，设置在所述管体(73)的内壁上；相变工质，填充在所述管体(73)的内部。8.一种一体式防冻胀聚热路基，其特征在于，所述一体式防冻胀聚热路基包括：路基(2)；权利要求1～7任一项所述的一体式防冻胀聚热装置。9.根据权利要求8所述的一体式防冻胀聚热路基，其特征在于，所述一体式防冻胀聚热路基还包括：保温材料层(3)，铺设在所述路基(2)至少一侧的坡面上。10.根据权利要求8所述的一体式防冻胀聚热路基，其特征在于，所述放热部(72)位于所述路基(2)的坡脚与半坡之间的位置，所述吸热部(71)从连通所述放热部(72)的一端向所述路基(2)的坡脚延伸。
技术总结
本发明的实施例提供了一种一体式防冻胀聚热装置及其路基，涉及季节冻土多年冻土区工程建设技术领域。一体式防冻胀聚热装置包括太阳能加热器和聚热传热管，其中，太阳能加热器用于安装在路基的一侧；聚热传热管包括相互连通的吸热部和放热部，其中，吸热部镶嵌在太阳能加热器的内部，放热部插入路基的内部。该装置能够充分利用太阳能资源，通过路基地温场平整加热、路基易冻胀部位重点调控，实现路基均衡、平整加热，有效避免季节冻土区路基冻胀、不均匀起伏等工程病害的产生。均匀起伏等工程病害的产生。均匀起伏等工程病害的产生。


技术研发人员：俞祁浩 张振宇 王进昌 孙永宁
受保护的技术使用者：中国科学院西北生态环境资源研究院
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29