本發(fā)明涉及凍土工程技術領域，尤其涉及一種整體均衡降溫蓄冷的路基。

背景技術：

凍土是一種溫度低于0℃且含有冰的土巖，按凍土保持時間的長短可分為季節(jié)凍土（半月至數(shù)月）和多年凍土（一年以上），我國青藏高原是世界上高海拔低緯度多年凍土分布最為廣闊的區(qū)域。由于凍土中冰的存在其性質(zhì)會較融土發(fā)生復雜和根本性的改變，而且在多年凍土區(qū)，通過長期的演化、發(fā)展和變化，更會形成厚達幾米、甚至十幾米、各具形態(tài)的厚層地下冰。隨著氣候環(huán)境的變化、人類工程活動的影響，導致凍土和地下冰退化和融化，從而導致各種工程災害的產(chǎn)生，對各種重大工程建筑穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

我國興建的青藏鐵路、新藏公路、南水北調(diào)西線工程都面臨高溫（即溫度接近0℃的多年凍土）、高含冰量凍土（即體積含冰量基本超過30%的多年凍土）、氣候轉(zhuǎn)暖和多年凍土不斷退化等諸多難題。如何解決好路基和基礎受多年凍土影響所導致的工程病害，保證路基和基礎長期穩(wěn)定、確保工程建筑安全運營也就成為亟待解決的關鍵科學問題。

公路與鐵路相比凍土問題更為突出。已有研究表明（俞祁浩等.我國多年凍土區(qū)高速公路修筑關鍵問題研究.中國科學（技術科學），2014，44（4）:425~432），在傳熱方面，由于鐵路主要通過路堤填土坡面吸熱，且吸收的熱量主要集中在路堤填土底面的外側(cè)部位，易于向外散熱。但是對于公路，由于黑色路面的強烈吸熱，以及瀝青路面的隔水、阻止水分蒸發(fā)散熱的影響，使得相同條件下公路路基的整體吸熱強度是鐵路的3倍多，且通過路面吸收的熱流主要集中于路堤填土底面的中心部位，難以向周圍凍土散熱。同時，高速公路與普通公路相比，當公路路基寬度增加約1倍時，路堤底面的吸熱強度增加0.6倍，由此產(chǎn)生更加明顯的“聚熱效應”，并導致凍土更加快速的退化。面對更高的技術標準,高速公路與凍土之間的熱作用更加顯著，在多年凍土區(qū)修筑高速公路將會面對更為突出的凍土問題和修筑技術難題。

通過采取一些較為有效保護多年凍土的工程措施，是解決凍土工程問題、保證凍土工程穩(wěn)定性，并同時保護脆弱寒區(qū)凍土、生態(tài)環(huán)境和諧統(tǒng)一的唯一途徑。在青藏鐵路工程實踐中，中國科學工作者創(chuàng)新性提出了“冷卻路基”為手段的積極的保護凍土原則，即冷卻路基土體，減少傳入地基土體的熱量，增加地基土體冷儲量的方式，通過降低凍土路基溫度，達到維持凍土路基長期穩(wěn)定的目的。并由此系統(tǒng)進行了工程實踐，先后對塊石路基、u型路基、拋石護坡、空心塊護坡、通風管路基、熱棒（樁）、遮陽板（棚）等工程措施開展了系統(tǒng)的應用研究，并取得豐碩成果，保證了青藏鐵路的長期穩(wěn)定。

但由于鐵路與公路、高速公路路基結(jié)構(gòu)和條件的不同，導致了路基傳熱過程、量值特征、熱量空間分布等方面的本質(zhì)差別。面對公路、高速公路路基地溫調(diào)控更高的技術要求和標準，青藏鐵路所獲取的成功經(jīng)驗，難以直接在青藏公路以及青藏高速公路中獲得應用，或滿足工程實踐要求。

已公開的專利“復合溫控通風路基”（專利號：zl200410002135.8）主要針對青藏鐵路路基，研究結(jié)果顯示了該種措施的先進性、有效性（俞祁浩，程國棟，牛富俊.自動溫控通風路基的應用效果分析.巖石力學與工程學報，2004，23(24):4221－4228）。但是，在公路路基強烈吸熱條件下，該種設計結(jié)構(gòu)卻存在突出工程問題。通過青藏高原青藏高等級試驗示范實體試驗工程中的應用，由實測資料可見（圖1），雖然該技術實施后，由于暖季通風管的關閉，以及保溫材料的隔熱作用，有效削弱了暖季傳熱的影響、保存了冬季儲藏的冷能；由此大幅提升了0℃等值線高度，甚至接近原天然地表位置，同時有效降低了凍土溫度。但是，由于設置的保溫材料僅為通風管頂面的單向設置、單向阻熱，路堤坡面?zhèn)认虻奈鼰徇^程的影響顯著。整體0℃等值線大幅抬升的同時，由于受到暖季坡面、路基側(cè)向的熱侵蝕作用的影響和疊加，導致了路基內(nèi)部靠近路基邊坡位置0℃線陡立、陡坎形態(tài)的形成，其落差甚至達到2m以上。而土體的凍脹上升、融化下沉，不僅會引起土體垂向位移的差異，同時也會引起凍結(jié)層與融化層土體力學性質(zhì)和響應的差異，以及路堤體內(nèi)不同部位之間的應力集中、錯動和移動，誘發(fā)路基開裂等系列工程病害的產(chǎn)生。正是由于該種原因的存在，在青藏高等級公路試驗示范工程中，在該種技術的實體試驗工程中，路基發(fā)生連續(xù)的縱向開裂，路堤開裂寬度約到達2cm（圖2），并呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。隨著大氣降水的進一步侵入，會進一步導致不均勻凍脹、或融沉等次生工程病害的產(chǎn)生，嚴重影響了凍土路基的長期穩(wěn)定性。

另外，專利“對流-通風復合路基”（專利號：200820029281.3）雖然采用了通風管與塊石護坡復合方法，但夏季熱量能通過通風管、路基表面迅速向路基體內(nèi)部傳遞，會導致路基下部凍土溫度的升高。專利“基于xps保溫板與通風管的復合路基”（專利號：zl201420016447.3）雖采用了通風管與保溫材料，但同樣無法排除夏季熱量直接從通風管向路基下部快速傳遞，使下部凍土溫度升高，融化深度加深。特別在多年凍土區(qū)修建高速公路條件下，這些措施都難以滿足工程需要。

因此，面對上述問題，如何有效達到對公路、高速公路的地溫調(diào)控要求，都是現(xiàn)代氣候影響下如何保證青藏高速公路長期穩(wěn)定亟待解決的關鍵難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種有效防控路基次生病害產(chǎn)生的整體均衡降溫蓄冷的路基。

為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種整體均衡降溫蓄冷的路基，其特征在于：該包括在道路路堤中鋪設垂直公路走向且與外界相通的通風管；所述通風管的一端或兩端安裝有自動溫控風門；所述通風管的上方鋪設有保溫材料層??；所述路堤的兩側(cè)內(nèi)部埋設保溫材料層ⅱ；所述路堤邊坡鋪設有大孔隙介質(zhì)層。

埋設所述保溫材料層ⅱ于所述路堤下部的加寬部位，該路堤下部寬度的增加值為0.0~2.0m。

所述保溫材料層ⅰ距離所述通風管頂部的高度為0~50cm。

所述大孔隙介質(zhì)層與所述路堤坡面平行，其厚度為0.0~1.5m，高度至所述保溫材料層ⅰ以上10~50cm。

所述保溫材料層ⅰ和所述保溫材料層ⅱ均為聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯中的一種，其厚度均為10~30cm。

所述大孔隙介質(zhì)層為塊石、混凝土塊、混凝土空心塊中的一種或兩種及以上組合。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

1、有效達到多年凍土區(qū)高速公路地溫調(diào)控的特殊要求。

首先，通過綜合措施的應用，有效避免暖季坡面熱量侵蝕過程的影響，在避免冬季冷能散失的同時，進一步提高該措施的整體降溫效能；其次，有效消除暖季0℃等值線陡坎、臺階形態(tài)的出現(xiàn)，達到了地溫場平順性、平穩(wěn)性的目的；第三，0℃等值線上升范圍擴大至整個路堤填土對應部位。因此，本發(fā)明可以實現(xiàn)凍土高速公路條件下，路基整體、均勻和平穩(wěn)降溫的特殊技術要求。

2、有效避免次生工程病害的產(chǎn)生。

由于上述0℃等值線、以及整體地溫場的極大改善，路堤下部對應凍土基礎強度均得到加強；路基不同部位之間的差異性、應力集中現(xiàn)象得到很大緩解；潛在路基內(nèi)部滑動面得到有效消除。由于這些有利因素綜合作用，凍土路基工程穩(wěn)定性由此得到根本改善。

3、凍土路基穩(wěn)定性得到的加強。

路基土體融化深度的降低，路基開裂等病害的有效防治，避免了大氣降水沿裂縫滲入造成路基土體力學性質(zhì)的改變，有效阻止凍融過程對路基穩(wěn)定性的影響，由此進一步增加了凍土路基的穩(wěn)定性。

4、工程成本和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、造價的降低。

本發(fā)明通過坡面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以節(jié)省以往坡面采用工程材料的一半，使得有限的資源得到最大了利用。雖然保溫材料適度增加工程投入，但總體占比小。在整體工程投入有所降低的同時，工程性價比得到大幅提升，并取得最佳的工程效果。

5、保護環(huán)境。

采用本發(fā)明可以提高基礎的穩(wěn)定性，減少了工程維護和后期工程病害治理的費用，在青藏高原極為脆弱的自然環(huán)境條件下間接地起到了對環(huán)境的良好保護作用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1為青藏高等級公路試驗示范實體工程自動溫控路基（2014年10月地溫監(jiān)測結(jié)果）。

圖2為青藏高等級公路試驗示范實體工程自動溫控路基發(fā)生路堤開裂的照片。

圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明與自動溫控路基地溫監(jiān)測結(jié)果對比圖。

圖中：1—保溫材料層??；2—大孔隙介質(zhì)層；3—保溫材料層ⅱ；4—通風管；5—自動溫控風門；6—路堤。

具體實施方式

如圖3所示，一種整體均衡降溫蓄冷的路基，該包括在道路路堤6中鋪設垂直公路走向且與外界相通的通風管4。通風管4的一端或兩端安裝有自動溫控風門5；通風管4的上方鋪設有保溫材料層ⅰ1；路堤6的兩側(cè)內(nèi)部埋設保溫材料層ⅱ3；路堤6邊坡鋪設有大孔隙介質(zhì)層2。

其中：

埋設所述保溫材料層ⅱ3于路堤6下部的加寬部位，該路堤6下部寬度的增加值為0.0~2.0m。

保溫材料層ⅰ1距離通風管4頂部的高度為0~50cm。

大孔隙介質(zhì)層2與路堤6坡面平行，其厚度為0.0~1.5m，高度至保溫材料層ⅰ1以上10~50cm。

保溫材料層ⅰ1和保溫材料層ⅱ3均為聚苯乙烯、聚氨酯、泡沫玻璃、注塑聚苯乙烯中的一種，其厚度均為10~30cm。

大孔隙介質(zhì)層2為塊石、混凝土塊、混凝土空心塊中的一種或兩種及以上組合。

自動溫控風門5采用申請?zhí)枮?3114640.6，03114641.4的風門，該風門根據(jù)外界氣溫低于或高于設定溫度時，自動開啟或關閉風門。

本發(fā)明效能實現(xiàn)的原理：

首先，兩端或一側(cè)帶有自動溫控風門5的通風管4在冬季或夜晚外界環(huán)境溫度較低時，路堤6開始通風，在對流換熱效應作用下，迅速降低土體、凍土溫度。而在暖季或白天環(huán)境溫度較高時，自動溫控風門5的關閉，有效阻止路堤6的對流換熱、熱能的侵入或路堤6冷能的喪失；其次，通風管4上部保溫材料層ⅰ1能在較大程度上阻止來自瀝青黑色路面?zhèn)鬟f的熱量；第三，高等級公路路堤較高，其寬大路堤邊坡的吸熱也是路基熱量的重要來源，本發(fā)明的蓄冷坡面降溫措施是一種更為高效的坡面調(diào)控措施，可以有效阻止坡面的吸熱，并降低坡面溫度；最后，通過不同方面的綜合調(diào)控作用，在有效達到均勻、平整降低凍土路基溫度目標的同時，也使得整體降溫效能進一步提高。

本發(fā)明具體應用實例1：

⑴在分層壓實的厚度為1.0m的路基6填土之上，放置直徑為40cm的通風管4。

⑵通風管4兩端安裝有自動溫控風門5，風門設定的開啟和關閉的控制溫度為0℃。溫度高于0℃風門自動關閉，之下風門自動開啟。

⑶通風管4上部鋪設30cm厚度的壓實填土后，鋪設厚度10cm的注塑聚苯乙烯保溫材料層ⅰ1。同時在兩側(cè)路堤坡面鋪設厚度10cm聚苯乙烯保溫材料層ⅱ3，與通風管4頂部的保溫材料層ⅰ1形成封閉結(jié)構(gòu)。

⑷進行路堤6填土填筑、加寬。加寬后路基兩側(cè)坡面水平厚度均為50cm。

⑸在坡面鋪設大孔隙介質(zhì)層2，大孔隙介質(zhì)層2平行坡面、厚度為30cm，超出通風管4頂面保溫材料層ⅰ1的高度為20cm。

⑹路堤6按照常規(guī)技術要求完成后續(xù)的工程施工。

為驗證該發(fā)明的效能，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在室內(nèi)對該種新型路基進行了數(shù)值仿真計算，并與原有技術（復合溫控路基技術）的現(xiàn)場實測資料對比。由結(jié)果對比可以看到，本發(fā)明具有突出的先進性，有效解決凍土工程難題。具體表現(xiàn)在以下方面：

⑴有效改善原有地溫場狀況，根本改變路基應力狀況，有效解決高速公路修筑難題。

由圖4可以看到，首先，本發(fā)明的0℃地溫曲線（圖中“本發(fā)明”曲線）完全消除已有技術（前述已有“復合溫控通風路基”技術，圖中“已有技術”曲線）陡立、陡坎現(xiàn)象的出現(xiàn)，0℃地溫曲線已經(jīng)轉(zhuǎn)換為平緩過度；其次，0℃溫度線頂面的寬度得到有效加寬，0℃拐點位置也由原來對應的路面位置，外移到靠近坡腳位置。與此對應，路基關鍵部位應力、地溫場得到根本改變，路堤荷載作用全部為凍土層所承擔。凍土高速公路所要求的整體、均勻溫度場得以有效實現(xiàn)。

⑵有效消除工程病害發(fā)生原因。

由于凍土持力層部分的增加，路基應力場的斷檔現(xiàn)象、應力集中現(xiàn)象的消除，在路基應力場方面的消除了路基縱向開裂、不均勻沉降等病害發(fā)生原因。由于0℃地溫曲線向外的緩慢過度，且延伸至坡腳以外，有效將路基內(nèi)、及周圍的大氣降水排除至路基以外，由此從水分方面進一步消除工程病害發(fā)生的原因。

⑶更為突出的降溫效能。

通過本發(fā)明的應用，路基下部暖季的0℃等值線顯著高于已有的復合溫控路基結(jié)構(gòu)，在公路路基內(nèi)部抬升了人為凍土上限約0.2m，并有效地降低了路基下部凍土的溫度，如圖4中所示，使用整體降溫路基后，路基下部出現(xiàn)了-1.5℃地溫等值線，更低的凍土溫度降有利于保證路基的熱學和力學穩(wěn)定性，更好的抵御工程活動和氣候變化對工程穩(wěn)定性的影響。

⑷可以應對更為惡劣的自然環(huán)境、確保路基的長期穩(wěn)定。

由于本發(fā)明各項技術的指標的大幅提升，通過模擬計算，本發(fā)明完全可以應對未來50年青藏高原環(huán)境溫度升高2.6℃的變化情況。計算結(jié)果顯示在未來環(huán)境變化條件下，0℃溫度等值線，其它溫度值凍土溫度場基本維持穩(wěn)定，完全可以確保路基的長期穩(wěn)定。