[发明专利]一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用

说明书

本发明涉及一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用，应用于多年冻土区公路，特别是宽幅路基公路，该路基结构包括路基（1）、热棒（2）以及水平铺设在路基内部保温材料层（3），热棒的蒸发段从路基的半坡到坡脚范围内插入并以近水平方式向路基内部中心延伸，蒸发段的作用范围主要位于多年冻土上限（5）附近。本发明通过对路基地温场平整调控、中心部位重点调控，实现路基均衡、平整的降温，有效避免路基纵向开裂等工程病害的产生。本发明进一步包括坡面降温措施，加强热棒群的降温效能和降温效果的均衡性和平整性。

技术领域

本发明涉及多年冻土区工程建设技术领域，尤其涉及一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用。

背景技术

目前，在多年冻土区，大型工程建筑的修筑会对下部多年冻土产生强烈的热扰动，导致多年冻土的快速退化和融化，造成路基的不断融沉和塌陷，对路基稳定性构成严重威胁，而且现代气候环境的持续转暖使得该种问题更加严峻。面对这一问题，通过保护多年冻土工程措施的合理应用，通过不断主动冷却冻土基础，是解决冻土工程问题、维持冻土工程稳定性、保护脆弱寒区冻土生态环境的有效途径。

其中，热棒是一种高效导热的工程措施，可以快速降低路基的冻土温度。青藏铁路工程实践证明，通过热棒的大量应用可以较好达到降低冻土路基温度、在一定程度上起到维持路基长期稳定的目的。但是，在实际应用中特别是青藏公路的工程实际中发现（如图1所示），这种工程措施在应用过程中同时会导致路基纵向开裂等大量次生工程病害的产生，并对路基稳定性构成重要影响和威胁，由此严重制约该种措施效能的发挥和广泛应用。

具体地，在现有技术中，热棒主要从路肩部位插入，呈路肩一侧或者两侧间隔一定间距布置，采用直插方式、斜插方式或者直插斜插结合的方式（斜插方式主要利用L型热棒），通过钻孔将热棒插入路基内部和下部一定深度的位置，通过冬季热棒高效导热的作用，不断冷却路基。但是，受热棒快速降温和周围土体传热过程的影响，距离热棒近的部位温度相对降温快、降温幅值大，而距离较远的部位地温相对降低的慢、降幅幅值小，由此导致地温等值线的剧烈变化和起伏，特别是暖季冻融界面的剧烈起伏。由图2所示的青藏公路热棒路基地温分析结果可以看到，在路基两侧垂直插入热棒的条件下，在暖季9月底路基达到最大融化深度的时候，路基地温场的0℃冻融界面以及其它负温等值线剧烈起伏，呈现两侧凸起，中间下陷的“双凸”或“马鞍”形状。由于路基保持冻结状态部位的力学强度大、沉降变形小，而融化部位力学强度弱、沉降变形大，由此导致路基内部的不均匀沉降变形和应力场的剧烈变化，进而导致路基大量纵向开裂的产生。

与此同时，由于路基纵向裂缝以及“双凸”冻融界面的形成，还会导致暖季的降雨随着裂缝的不断下渗到路基的内部。由于冻土是不透水的隔水层，下渗的水分就会向路基的内部、中心部位汇集，形成大量冻结层上水的存在和发育，而该部分水分所携带热量会造成中心部位冻土的进一步融化，进而导致“双凸”形状的加剧。其次，在冬季冻结过程中，由于中心部位水分含量多、含水层厚，在冻结过程所产生的冻胀量就大，进一步产生路基水平方向的差异垂向位移量，加剧路基纵向裂缝的发育。再次，随着年季变化的反复冻结-融化过程，水分的不断侵入，冻胀、融沉的不断加剧而导致路基稳定性的加剧失稳，导致路基的破坏。

因此，可以看到，现有热棒工程措施的作用会导致路基纵向开裂等此生工程病害的产生，并对路基稳定性构成严重威胁，而其中重要的原因在于热棒降温过程和暖季融化过程，地温场和冻融界面的剧烈起伏。特别是在冻土高速公路条件下，由于路基幅面更宽，路面吸热强度更大、路基下部和中心聚热更强，面临的次生病害问题会更加突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大角度低位浅埋均衡冷却路基结构及其应用，其通过对路基地温场平整调控、中心部位重点调控，实现路基均衡、平整的降温，有效避免路基纵向开裂等工程病害的产生。