[发明专利]斜坡冻土区装配式自通风路基结构及设计方法

权利要求书

1.一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，包括路基基床(12)和设置于路基之上的路基底层(11)，其特征是：所述路基底层(11)、路基基床(12)之间沿线路方向连续设置通风层单元，各通风层单元由预制箱型构件(20)横向成排、纵向成列拼装而成，各预制箱型构件(20)的内部空腔相连通形成大面积自然通风通道(40)；各通风层单元的两纵向端(41)封闭，在横向外侧壁(42)上纵向间隔设置与大面积自然通风通道(40)相连通的下侧通风口(30)，在横向内侧壁(43)上纵向间隔设置沿坡面向上延伸的导风管，各导风管的内端与大面积自然通风通道(40)相连通，外端形成高出路基基床(12)顶面的上侧通风口(53)。

2.如权利要求1所述的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，其特征是：所述预制箱型构件(20)的基础结构由顶板(21)、底板(22)和四根立柱(23)构成，顶板(21)、底板(22)板面呈矩形，立柱(23)设置于板面四角，其上端、下端分别与顶板(21)、底板(22)连接为一体；在通风层单元的两纵向端(41)上，预制箱型构件(20)具有的纵向侧壁；在通风层单元的横向外侧(42)和横向内侧(43)上，预制箱型构件(20)具有横向侧壁。

3.如权利要求2所述的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，其特征是：所述路基底层(11)为由纵梁(13)、横梁(15)构成的框架梁，各预制箱型构件(20)坐落在两相邻纵梁(13)和两相邻横梁(15)构成的框架梁网格上。

4.如权利要求3所述的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，其特征是：所述框架梁上在纵梁(13)与横梁(15)交汇的节点上设置竖向向上延伸的定位桩(14)，定位桩(14)的横截面呈矩形或者圆形，预制箱型构件(20)的立柱(23)的横截面与之对应呈矩形或者圆形，相邻预制箱型构件(20)的立柱(23)外侧壁抵靠在定位桩(14)的侧壁上。

5.如权利要求1所述的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，其特征是：所述导风管由斜向段(51)和竖向段(51)构成，斜向段(51)沿坡面向上延伸，其端口穿过通风层单元的横向内侧壁(43)与大面积自然通风通道(40)相连通。

6.如权利要求1所述的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构的设计方法，包括如下步骤：

①收集现场设计资料，包括地质资料、全年温度变化及辐射条件、自然对流条件；

②根据收集资料及初步设计尺寸建立计算模型，对路基结构及周围材料、热力学边界等进行赋值；

③根据外界环境变化计算热传递能量及引起冻土温度变化，采用以下公式进行计算：

Φ₁＝λ·A·ΔT

T_t1＝Φ₁/R_c

式中：Φ₁为外界环境与冻土环境发生热传递时产生的热量，λ为导热系数，A传热面积，ΔT为外部环境与冻土之间温度差，T_t1为热传递引起冻土温度变化值，R_c为表层岩土体热阻；

④根据路基通风通道的尺寸计算自然对流条件下，通风通道排出的热量及引起冻土温度的变化，包括水平区域与倾斜区域的热量对流，水平方向对流热量记为Φ_2-H,倾斜方向对流热量记为Φ_2-V；

⑤判断水平区域与倾斜区域对流状态，按下式进行计算：

Ra＞10⁹:瑞流

Ra＜10⁹:层流

瑞流：

层流：

式中：为外界环境与冻土环境平均温度，T₀为外界温度，t_w框架混凝土温度，Ra为瑞利数，Gr为格拉晓夫数；

⑥水平方向的通风通道对流热量Φ_3-H及引起冻土的温度变化，采用以下公式进行计算：

A_f＝(L₁-L₂)·W

T_t2-H＝Φ_3-H/R_p

式中：L₁为下侧通风口间距，L₂为上侧通风口间距，N₁为在L长度范围内路基下侧通风口数量，N₂为L长度范围内路基下侧通风口数量，W为路基宽度；Φ_2-H为通风口水平部分对流传递的热量，h为通风通道高度，R_p为片石混凝土或碎石层的热阻，T_t2-H为通风口水平部分热量传递引起冻土温度的变化；

⑦倾斜方向的通风通道对流热量Φ_2-V及引起冻土的温度变化，采用以下公式进行计算：

A_f＝b·h

T_t2-v＝Φ_2-H/R_p

式中：b为上侧通风口宽度，H为上侧通风口与下侧通风口的高差，Φ_2-v通风口倾斜部分对流传递的热量，T_t2-v为通风口竖向部分热量传递引起冻土温度的变化；

⑧根据冻土与通风通道之间的温度差，计算热传递的热量及冻土区温度变化，采用以下公式进行计算：

ΔT＝T_t1+T_t2；

⑨调整路基通风高度H、下通风通道间距L₁、上通风通道间距L₂，逐个进行计算，得到H、L₁、L₂与冻土上限处温度变化的关系；

⑩根据H、L₁、L₂与冻土上限处温度变化的关系，选择温度变化最小的温度参数，作为路基变形计算的输入条件，通过有限元计算软件计算温度变化引起的冻土上限变化，从而导致冻胀力、土体变形模量、融沉等参数的改变，将这些变化引起的路基变形进行叠加，得到路基最终变形；

⑾将路基最终变形与行业规范路基变形控制标准进行比较，若小于变形控制标准，认为设计参数H、L₁、L₂符合现场需求，若大于变形控制标准，则增加H、减小L₁和L₂后重新按照步骤2进行计算，直至变形计算结果满足控制标准要求。