專利名稱：路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種在多年凍土地區(qū)進行工程建筑中，有效保護下部多年凍土穩(wěn)定性的工程建筑基礎(chǔ)降溫的裝置，尤指一種路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置。
背景技術(shù)：
凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤，多年凍土是指凍土不間斷地保持多年、若干世紀(jì)以至數(shù)千年。在多年凍土形成和發(fā)展過程中，由于凍融循環(huán)所導(dǎo)致的水分遷移往往會在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰層(稱為地下冰)。
隨著國民生產(chǎn)和地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，我國現(xiàn)已在多年凍土地區(qū)不斷進行鐵路、公路、輸油管線、光纜等工程建筑的建設(shè)。由于人為工程措施的影響，改變了地表換熱條件，由于人為工程使實施后工程建筑吸熱面、吸熱量大為增加，使得各種工程措施基礎(chǔ)下部的多年凍土的熱量總體平衡遭到破壞，總體熱量收入大于支出，使得多年凍土的溫度不斷升高，多年凍土中的厚層地下冰不斷融化，由此導(dǎo)致工程建筑的基礎(chǔ)不斷下沉，嚴(yán)重影響各種相關(guān)工程的正常運營。其中地下冰是影響凍土路基穩(wěn)定的最為重要的影響之一，是產(chǎn)生凍融災(zāi)害或者不良凍土工程現(xiàn)象的根本問題，地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結(jié)果就會造成地下冰融化，導(dǎo)致路基產(chǎn)生融化下沉破壞。對于橋涵、路塹、高邊坡等工程建筑物，高含冰量凍土的影響是極為關(guān)鍵的問題。因此，是否能采取和使用有效、實用的工程保護措施和技術(shù)，保護工程基礎(chǔ)下部的多年凍土少受或免受上部工程建筑的影響，就成為凍土區(qū)進行各種凍土工程建設(shè)的關(guān)鍵所在。目前就工程與凍土的相互作用的研究較多，但從工程實際應(yīng)用角度如何切實地有效地解決其相互作用問題的成功措施不多。中國科學(xué)院“西部之光——凍土工程中保護凍土溫控關(guān)鍵技術(shù)研究”，中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程的重大項目“青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)”(No.KZCX1-SW-04)，國家自然科學(xué)基金重大項目(90102006)，“973”國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2002CB412704)等課題就是針對上述關(guān)鍵工程實際問題而開展了專題研究。
目前，用于保護鐵路、公路等線性工程下部多年凍土的工程措施主要有在路堤中加裝通風(fēng)管、保溫材料、拋石護坡、遮陽板、使用熱管和提高路堤等措施達到保護路基下部多年凍土的目的。其中通風(fēng)路基在凍土保護措施中以其簡便、快捷等優(yōu)點在工程措施中得到一定程度的應(yīng)用。其工作原理是在鐵路、公路或其它線性工程中的路基基礎(chǔ)中，在與線性工程走向垂直的方向、在其一定深度的部位、按照一定的間距、平行埋設(shè)多個一定口徑的水泥管或PVC管(見示意圖2)。在空氣溫度較低、由于太陽輻射造成路基內(nèi)部積累了一定程度的熱量的條件下，利用空氣在流經(jīng)管道的時候通過對流換熱帶走管壁周圍的熱量，低通風(fēng)管周圍介質(zhì)的溫度，從而達到穩(wěn)定多年凍土穩(wěn)定性的目的。但存在的突出問題是在春末、整個夏季和秋初，空氣溫度大多高于路基內(nèi)部溫度，在這種條件下，通風(fēng)路基非但不能對路基進行降溫，反倒對路基起到加熱的反作用。由此會大大降低通風(fēng)路基的降溫效果，加大通風(fēng)管周圍溫度的振幅，在含水率高的地段由于其中水分凍結(jié)和融化導(dǎo)致的凍脹和融沉；在部分地區(qū)由于融化范圍過大還會導(dǎo)致多年凍土上部地下冰的融化所導(dǎo)致的路基沉陷；同時由于較大幅度的凍融循環(huán)也會對路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對目前青藏鐵路保護多年凍土工程措施中的通風(fēng)路基存在的問題而提出的一種路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置。該裝置可以根據(jù)外界溫度的變化自動控制通風(fēng)管中的氣流，可以有效提高通風(fēng)路基的制冷效果，并可以避免可能出現(xiàn)的各種工程問題。
本實用新型的目的還在于通過路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)大大提高通風(fēng)路基功效的同時，通過對鐵路、公路路堤或建筑物底部多年凍土的溫度場起到很好的穩(wěn)定作用的同時，可以降低路堤要求的最低高度，大大減少工程造價，縮短建設(shè)周期。
本實用新型的目的可通過如下措施來實現(xiàn)一種路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，包括設(shè)在路基下的通風(fēng)管；其特征在于在通風(fēng)管上設(shè)自動溫控裝置；其中所述的自動溫控裝置包括溫度感應(yīng)單元，由其感應(yīng)路基處的溫度變化；及控制單元，所述的控制單元由溫度感應(yīng)單元控制其動作；氣流控制單元，所述的氣流控制單元由控制單元控制其開關(guān)。
所述的溫度感應(yīng)單元包括密閉容器及裝于容器內(nèi)的水和液壓油。
所述的密閉容器內(nèi)的水可封裝于塑性封閉容器中或直接與液壓油混裝。
所述的控制單元與溫度感應(yīng)單元相連，該控制單元包括活塞及與活塞相連的重物、及與重物相連的傳桿；其中所述的活塞由溫度感應(yīng)單元的液壓油和重物推動，所述的重物由金屬等高密度材料制成。
所述的氣流控制單元包括風(fēng)門和與風(fēng)門相連的軸桿。
所述的軸桿與控制單元的傳桿相連。
所述的風(fēng)門由單個或多個葉片組成。
本實用新型的原理是當(dāng)外界氣溫高于系統(tǒng)設(shè)定溫度條件下，系統(tǒng)自動關(guān)閉通風(fēng)管的風(fēng)門，阻止外界熱量的進入通風(fēng)路基內(nèi)部；當(dāng)外界氣溫高于系統(tǒng)設(shè)定溫度條件下，系統(tǒng)自動打開通風(fēng)管的風(fēng)門，對通風(fēng)管周圍的介質(zhì)進行通風(fēng)換熱和降溫。
其工作原理為本實用新型利用系統(tǒng)中的溫度感應(yīng)單元中的水體感應(yīng)外界氣溫的變化。在外界氣溫低于0℃的時候，單元中的水體會發(fā)生凍結(jié)，并產(chǎn)生9％的體積膨脹，單元中的水體在凍結(jié)膨脹后會對周圍的液壓油產(chǎn)生壓力，在液壓油壓力的作用下，推動液壓活塞產(chǎn)生移動，并推動氣流控制單元對打開通風(fēng)管中的風(fēng)門進行通風(fēng)降溫；將外界氣溫高于0℃的時候，溫度感應(yīng)單元中被凍結(jié)的冰體會發(fā)生融化，同時體積產(chǎn)生收縮，活塞在重物的作用下，回復(fù)到凍結(jié)前的位置，并關(guān)閉通風(fēng)管中的風(fēng)門，阻止熱空氣進入，起到保護路基內(nèi)部冷能的作用。
本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點本實用新型充分避免了春末、整個夏季和秋初，空氣溫度大多高于路基內(nèi)部溫度條件下，通風(fēng)管對路基加熱的反作用；減緩了現(xiàn)有通風(fēng)管周圍溫度振幅過大的問題，以及由此而引起在含水率高的地段會由于其中水分凍結(jié)和融化所導(dǎo)致的凍脹和融沉工程問題。由于自動溫控系統(tǒng)的控制，會使路基內(nèi)部在冬季富集的冷能得到較好的保存，同時在氣溫較高的時期還會利用青藏高原夜間溫度較低的特點，會自動打開風(fēng)門對通風(fēng)管周圍的介質(zhì)進行降溫，這對路基下部多年凍土的穩(wěn)定性起到很好的促進作用，由此會大大提高通風(fēng)路基保護多年凍土的功效。
本實用新型的自動溫控裝置可以根據(jù)外界溫度的變化自動控制通風(fēng)管中的氣流，可以有效提高通風(fēng)路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖風(fēng)進入通風(fēng)管引起的加熱負(fù)作用，以及由此而引起的通風(fēng)管周圍溫度的振幅過大，在含水率高的地段會導(dǎo)致其中水分凍結(jié)和融化所導(dǎo)致的較大程度的凍脹、融沉和路基沉陷，以及對路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用等工程病害問題。


圖1為本實用新型的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置安裝在路基上的裝配示意圖圖2為本實用新型的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置的實施例一正視結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本實用新型的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置的實施例二正視結(jié)構(gòu)示意圖圖4為本實用新型的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置的實施例二側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖圖5為本實用新型的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置的實施例二側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖圖A為普通通風(fēng)路基對地溫場的降溫過程模擬計算結(jié)果圖B為自動溫控通風(fēng)路基對地溫場的降溫過程模擬計算結(jié)果圖中標(biāo)號說明如下1-自動溫控通風(fēng)裝置2-通風(fēng)管3-路基4-風(fēng)門5-軸桿6-重物7-連接點 8-傳桿9-活塞10-液壓油11-密封水體12-水體具體的實施方式本實用新型還將結(jié)合附圖對實施例作進一步詳述參照圖1，在路基3下的通風(fēng)管3上設(shè)荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置。參照圖2、圖4為本實用新型的自動溫控通風(fēng)裝置1的實施例一結(jié)構(gòu)示意圖。所述的自動溫控通風(fēng)裝置包括溫度感應(yīng)單元，由其感應(yīng)路基處的溫度變化；及控制單元，所述有控制單元由溫度感應(yīng)單元控制其動作；氣流控制單元，所述的氣流控制單元由控制單元控制其開關(guān)。
所述的溫度感應(yīng)單元包括密閉容器及裝于容器內(nèi)的封裝于塑性封閉容器的密封水體11和液壓油10。
所述的控制單元與溫度感應(yīng)單元相連，該控制單元包括活塞9及與活塞9相連的傳桿8、及與傳桿8相連的重物6；其中所述的活塞由溫度感應(yīng)單元的液壓油10和重物6推動。
參照圖3、圖5，為本實用新型的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置的實施例二結(jié)構(gòu)示意圖。該實施例除水體12直接與液壓油10混裝外，其余均與例一同。
本實用新型當(dāng)外界氣溫高于系統(tǒng)設(shè)定溫度——0℃時，系統(tǒng)自動關(guān)閉通風(fēng)管的風(fēng)門，阻止外界熱量的進入通風(fēng)路基內(nèi)部；當(dāng)外界氣溫低于系統(tǒng)設(shè)定溫度時，系統(tǒng)自動打開通風(fēng)管的風(fēng)門，對通風(fēng)路基通風(fēng)管周圍的土體進行降溫。
通過在現(xiàn)有常規(guī)通風(fēng)路基通風(fēng)管端頭加裝本實用新型的風(fēng)控系統(tǒng)，可以大大提高常規(guī)通風(fēng)路基的功效，在有效降低路堤內(nèi)部的溫度場的同時避免路堤內(nèi)部正溫與負(fù)溫之間波動過大的弊端，最終對路基下部的多年凍土和路堤的穩(wěn)定性起到有效的保護作用。同時，通過夏季風(fēng)門的關(guān)閉可以有效阻止風(fēng)沙在通風(fēng)管內(nèi)部的沉積，對延長通風(fēng)管的使用壽命、保證通風(fēng)管冬季內(nèi)部的通風(fēng)量也將發(fā)揮積極的作用。
本實用新型的工作原理為利用系統(tǒng)中的溫度感應(yīng)單元中的水體感應(yīng)外界氣溫的變化。在外界氣溫低于0℃的時候，單元中的水體會發(fā)生凍結(jié)，并產(chǎn)生9％的體積膨脹，單元中的水體在凍結(jié)膨脹后會對周圍的液壓油產(chǎn)生壓力，在液壓油壓力的作用下，推動液壓活塞產(chǎn)生移動，并推動氣流控制單元對打開通風(fēng)管中的風(fēng)門進行通風(fēng)降溫；將外界氣溫高于0℃的時候，溫度感應(yīng)單元中被凍結(jié)的冰體會發(fā)生融化，同時體積產(chǎn)生收縮，活塞在重物的作用下，回復(fù)到凍結(jié)前的位置，并關(guān)閉通風(fēng)管中的風(fēng)門，阻止熱空氣進入，起到保護路基內(nèi)部冷能的作用。
系統(tǒng)組成系統(tǒng)由溫度感應(yīng)單元和控制單元兩部分組成。
溫度感應(yīng)單元有兩種設(shè)計。溫度感應(yīng)單元主要由放置于具有一定鋼性的金屬或非金屬容器中的水體和液壓油組成。在圖2中的第一種設(shè)計中水體由具有耐地溫老化的橡膠或塑料進行密封后組成若干個獨立單元。該種設(shè)計的優(yōu)點在于可以充分利用水在凍結(jié)成后產(chǎn)生的9％的體積膨脹量。在圖3中第二種設(shè)計中，水體和液壓油混裝于容器中，利用水與液壓油比重的不同兩者可以自行分開。該種設(shè)計的缺點在于當(dāng)水凍結(jié)的過程中具有一定的膠結(jié)作用，使凍結(jié)成的冰與容器的壁面產(chǎn)生較強粘合力，在一定程度上限制了冰體沿容器壁面切線向上的膨脹，從而對總體的膨脹量產(chǎn)生一定的影響。同時在容器的底部，在凍脹力的作用下易對容器產(chǎn)生破壞作用。
控制單元由活塞、重物、傳桿和風(fēng)門組成。
活塞可以在液壓油和重物的作用下自由往復(fù)運動；傳桿為鋼性體，準(zhǔn)確連接傳導(dǎo)活塞和與重物的運動過程；重物主要在氣溫高于攝氏0℃溫度感應(yīng)單元中冰融化后，起到使活塞回位的作用。風(fēng)門與軸桿組成鋼性整體，通過軸桿的連接點與傳桿連接，在連接點的運動過程中就可以對風(fēng)門起到自由的開啟和關(guān)閉作用。
在實驗室內(nèi)模擬在如下條件鐵路路基高度為4m，路基頂面寬度為10m，路基坡面為1∶1.5，通風(fēng)管鋪設(shè)埋深為3m，通風(fēng)管為水泥管，管徑為0.3m、管間距為0.6m；路基土體條件為干密度為1.5g/cm3，含水率為12.0％，試驗土體為蘭州黃土；結(jié)合青藏高原實測氣溫資料，以及氣溫日變化和全年日平均值變化特征，設(shè)定自動溫控系統(tǒng)的控制溫度設(shè)定在0℃，即在氣溫大于0℃時氣流控制風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，氣溫小于0℃時氣流控制風(fēng)門處于開啟狀態(tài)。氣溫條件結(jié)合實測資料作近似調(diào)整不考慮全球氣候轉(zhuǎn)暖的因素的影響，設(shè)定氣溫在6℃～-16℃范圍內(nèi)做正弦波動。在考慮上述條件下，模擬計算普通通風(fēng)路基和自動溫控通風(fēng)路基下部11年，天然土體20m范圍內(nèi)的溫度場的變化過程。計算結(jié)果見圖A和圖B。圖A表示普通通風(fēng)路基的計算結(jié)果，圖B顯示自動溫控通風(fēng)路基的計算結(jié)果。
通過對比兩種情況下的計算結(jié)果可以看到，自動溫控通風(fēng)路基在第三年的十一月份，5m的深度上地溫就已達到-1℃的穩(wěn)定溫度，而普通通風(fēng)路基則要第九年的一月份才能在5m的深度上達到-1℃的穩(wěn)定溫度。另外圖中2m范圍內(nèi)紅色線表示零度等溫線，通過兩種情況的對比不難發(fā)現(xiàn)，自動溫控通風(fēng)路基的零度等溫線僅在1m的范圍內(nèi)波動，并有逐漸減緩的趨勢；而普通通風(fēng)路基零度等溫線的波動范圍則達到約2m的范圍。由此可以看見，自動溫控通風(fēng)路基無論在降低多年凍土地溫場的溫度方面，還是在減少地溫波動幅度方面都具有顯著的作用。
權(quán)利要求1.一種路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，包括設(shè)在路基下的通風(fēng)管；其特征在于在通風(fēng)管上設(shè)自動溫控裝置；其中所述的自動溫控裝置包括溫度感應(yīng)單元；及控制單元，與所述的溫度控制單元相連，由溫度感應(yīng)單元控制其動作；氣流控制單元，與所述的控制單元相連，由控制單元控制其開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的溫度感應(yīng)單元包括密閉容器及裝于容器內(nèi)的水和液壓油。
3.如權(quán)利要求2所述的路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的密閉容器內(nèi)的水可封裝于塑性封閉容器中或直接與液壓油混裝。
4.如權(quán)利要求2所述的路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的控制單元與溫度感應(yīng)單元相連，該控制單元包括活塞及與活塞相連的重物、及與重物相連的傳桿；其中所述的活塞由溫度感應(yīng)單元的液壓油和重物推動。
5.如權(quán)利要求1所述的路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的氣流控制單元包括風(fēng)門和與風(fēng)門相連的軸桿。
6.如權(quán)利要求4或5所述的路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的軸桿與控制單元的傳桿相連。
7.如權(quán)利要求5所述的路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置，其特征在于所述的風(fēng)門由單個或多個葉片組成。
專利摘要本實用新型涉及一種路基的荷載式液壓自動溫控通風(fēng)裝置；該裝置可根據(jù)外界溫度的變化自動控制通風(fēng)管中的氣流，可以有效提高通風(fēng)路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖風(fēng)進入通風(fēng)管引起的加熱負(fù)作用，以及由此而引起的通風(fēng)管周圍溫度的振幅過大，在含水率高的地段會導(dǎo)致其中水分凍結(jié)和融化所導(dǎo)致的較大程度的凍脹、融沉和路基沉陷，以及對路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面作用等工程病害問題。
文檔編號E01C3/04GK2633938SQ0321874
公開日2004年8月18日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者俞祁浩, 程國棟, 馬魏 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所