动力式冻胀聚热自保护装置及其路基

技术领域

本发明涉及季节冻土区工程建设病害防治技术领域，具体而言，涉及一种动力式冻胀聚热自保护装置及其路基。

背景技术

我国季节性冻土区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5％。季节冻土受季节性的影响，冬季冻结、夏季全部融化。夏天季节冻结层和季节融化层融化时，由于冰层及冰透镜体分布的不均匀，形成土层不均匀沉降是导致各类建筑物变形和破坏的重要原因。季节性冻土的冻胀性、融沉性等特性对工程影响重大。所以在季节性冻土地区的工程建筑或项目应特别注意考虑季节性冻土对工程的影响及防范措施。对于路基而言，路基冻害的形式主要为冻胀、融沉、翻浆冒泥等。

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。

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换填基床土、修建减少路基基床含水量的排水设施、无机结合料稳定土保温法、人工盐化路基土、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。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种动力式冻胀聚热自保护装置及其路基，其不仅能够实现路基均衡、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，还能够通过控制循环工质的位置，避免夏季循环工质达到沸点影响装置的稳定性和密封性。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种动力式冻胀聚热自保护装置，动力式冻胀聚热自保护装置包括太阳能吸热器、循环管、聚热管、正向泵和逆向泵，其中，太阳能吸热器、聚热管、正向泵和逆向泵通过循环管依次首尾连接，形成循环回路，循环回路中填充有循环工质，太阳能吸热器用于安装在路基的外部，聚热管用于插入路基，正向泵用于推动循环工质在循环回路中正向循环流动，逆向泵用于推动循环工质在循环回路中逆向流动，以使太阳能吸热器中的循环工质排空。

这样，装置在工作时段，循环工质在正向泵运转时产生的压力驱动下在循环管循环流动，太阳能吸热器吸收的热量便经过循环工质传递至聚热管，通过聚热管在路基的内部不断放热，加热聚热管周围的土体，使路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的。

在装置停止工作时段，如在夏季时段，正向泵停止工作，首先，循环工质在重力作用下，通过循环管回流至聚热管的内部，太阳能吸热器的循环工质液面开始下降，下降至装置的液面高度，其次，逆向泵进一步将太阳能吸热器中的循环工质排空，使循环工质回流至聚热管，在夏季避免了白天太阳能吸热器高温条件下循环工质的沸腾、汽化造成整体装置压力急剧升高情况的出现，从而保证了整体装置的密封性、完整性和安全性。

在可选的实施方式中，循环管包括正向循环管和逆止循环管，太阳能吸热器与聚热管之间以及聚热管与正向泵之间均采用正向循环管连通，逆止循环管连接在太阳能吸热器靠近正向泵的一端，逆向泵安装在逆止循环管上。

在可选的实施方式中，逆止循环管为n形管道，逆止循环管包括依次连通的第一竖向管、横向管和第二竖向管，其中，第一竖向管连通在太阳能吸热器上，第二竖向管连通到正向泵上，逆向泵安装在第二竖向管上。

在可选的实施方式中，令横向管的高度位置为L1，太阳能吸热器排空循环工质后的液面高度位置为L2，则L1≥L2。

这样，横向管的高度位置不低于循环工质的液面高度，防止回流至聚热管的循环工质又经过横向管流回至太阳能吸热器中。

在可选的实施方式中，令逆向泵的高度位置为L3，则L2≥L3。

这样，逆向泵在任何情况下都位于循环工质的液面高度之下，可以避免逆向泵的两端随时都填充有循环工质，避免逆向泵空转，提高逆向泵的稳定性和使用寿命。

在可选的实施方式中，太阳能吸热器的重心高度、聚热管的重心高度以及正向泵的重心高度依次降低。

这样，在装置停止工作的时候，太阳能吸热器中的循环工质会在重力的作用下，尽量流出太阳能吸热器，并存储到聚热管中。

在可选的实施方式中，太阳能吸热器包括太阳能吸热板和安装在太阳能吸热板下方的上集管、下集管和排管，上集管和下集管分别连接循环管的两端，排管的两端分别与上集管和下集管连通。

在可选的实施方式中，动力式冻胀聚热自保护装置还包括控制器，正向泵和逆向泵均与控制器电连接，控制器用于控制逆向泵停止工作、正向泵推动循环工质在循环回路中正向循环流动，还用于在正向泵停止工作第一时长后、控制逆向泵工作第二时长，以使太阳能吸热器中的循环工质排空。

第二方面，本发明提供一种动力式冻胀聚热自保护路基，动力式冻胀聚热自保护路基包括路基和前述实施方式任一项的动力式冻胀聚热自保护装置，其中，太阳能吸热器安装在路基的外部，聚热管插入路基的内部。

在可选的实施方式中，动力式冻胀聚热自保护路基还包括保温材料层，保温材料层设置在路基的坡面。

这样，在夜间无太阳辐射条件下，整个装置停止工作，同时路基外侧的保温材料层有效阻止路基内部热量的大量散失。

附图说明

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。

图1为本发明实施例提供的动力式冻胀聚热自保护路基的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的动力式冻胀聚热自保护装置的结构示意图；

图3为图2中聚热管的结构示意图；

图4为动力式冻胀聚热自保护装置中正向泵工作时的状态示意图；

图5为动力式冻胀聚热自保护装置中正向泵停止工作时的状态示意图；

图6为动力式冻胀聚热自保护装置中逆向泵工作时的状态示意图；

图7为动力式冻胀聚热自保护装置停止工作时的状态示意图。

图标：1-动力式冻胀聚热自保护路基；2-路基；3-保温材料层；4-锚杆；5-动力式冻胀聚热自保护装置；6-太阳能吸热器；61-太阳能吸热板；62-上集管；63-下集管；64-排管；7-循环管；8-正向循环管；9-逆止循环管；91-第一竖向管；92-横向管；93-第二竖向管；10-聚热管；11-外管；12-进液管；13-出液管；14-正向泵；15-逆向泵；16-循环工质。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。

本发明实施例正是针对路基冻胀中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，通过设置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。

请参考图1，本实施例提供了一种动力式冻胀聚热自保护路基1，动力式冻胀聚热自保护路基1包括路基2、保温材料层3和动力式冻胀聚热自保护装置5，其中，动力式冻胀聚热自保护装置5间隔均匀地安装在路基2的阳坡一侧或阴坡一侧。

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。

请参阅图1和图2，动力式冻胀聚热自保护装置5包括太阳能吸热器6、循环管7、聚热管10、正向泵14和逆向泵15，其中，太阳能吸热器6、聚热管10、正向泵14和逆向泵15通过循环管7依次首尾连接，形成循环回路，循环回路中填充有循环工质16(图3示出)，循环工质16为-30℃条件下不冻结的冷冻液、玻璃水或其他液体，且具有良好流动性。循环管7为金属管或耐野外太阳辐射抗老化非金属管。

太阳能吸热器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的阴坡侧、太阳冬季能够照射到的天然地表区域，太阳能吸热器6用于吸收太阳能、并加热循环工质16。

聚热管10用于插入路基2、并将循环工质16的热量传递至路基2的内部，使路基2始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基2内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的。

聚热管10从路基2的半坡与坡脚之间的范围插入路基2中，而且插入方向垂直于路基2的长度方向。聚热管10的长度可以根据现场实际条件确定。在路基2同侧的坡面上，相邻两个聚热管10之间的间距可以是1m～5m。聚热管10与水平面之间的夹角范围为：-30°～30°，本实施例中，优选聚热管10从路基内部向外的长度方向上扬起的角度为：0°～30°，具体可以为5°～10°，也就是说，如图1所示，聚热管10沿x方向延伸、且沿y方向的上仰角为0°～30°，使聚热管10的高度位于路基2的中下位置，聚热管10横跨路基2宽度的大部分区域。这样，在路基2中安装聚热管10方便，钻孔深度小和数量少，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。

太阳能吸热器6的重心高度、聚热管10的重心高度以及正向泵14的重心高度依次降低。这样，在装置停止工作的时候，太阳能吸热器6中的循环工质16会在重力的作用下，尽量流出太阳能吸热器6，并存储到聚热管10中。

请参阅图3，聚热管10包括外管11、进液管12和出液管13，其中，进液管12连通在外管11的外部、且与循环管7的一端连通。出液管13位于外管11的底部，出液管13的一端插入外管11的内部、且开设有与外管11连通的开口，出液管13的另一端伸出外管11、且与循环管7的另一端连通。这样，外管11与出液管13之间形成循环工质16的放热流道、并使循环工质16在此放热流道内散热，不仅散热流道较长，而且传热介质只有外管11的管壁，传热效率高。进液管12及出液管13的设计使得循环工质16能够填满聚热管10，使循环工质16与管壁之间更加充分的进行热交换，进而提高聚热管10对路基的加热效能。

请参阅图4，图4中箭头表示循环工质16的流动方向，太阳能吸热器6包括太阳能吸热板61以及安装在太阳能吸热板61下方的上集管62、下集管63和排管64。

其中，太阳能吸热板61主要由金属或非金属的吸热材料制成，其厚度较薄，具体的厚度可以为1mm～3mm。上集管62和下集管63分别连接循环管7的两端，排管64为金属管且截面为圆形，排管64的两端分别与上集管62和下集管63连通。

循环管7包括正向循环管8和逆止循环管9，太阳能吸热器6与聚热管10之间以及聚热管10与正向泵14之间均采用正向循环管8连通，逆止循环管9连接在太阳能吸热器6靠近正向泵14的一端。

其中，逆止循环管9为n形管道，逆止循环管9包括依次连通的第一竖向管91、横向管92和第二竖向管93，其中，第一竖向管91连通在太阳能吸热器6上，第二竖向管93连通到正向泵14上，逆向泵15安装在第二竖向管93上。

令横向管92的高度位置为L1，太阳能吸热器6排空循环工质16后的液面高度位置为L2，逆向泵15的高度位置为L3，则L1≥L2≥L3。这样，横向管92的高度位置不低于循环工质16的液面高度，防止回流至聚热管10的循环工质16又经过横向管92流回至太阳能吸热器6中。逆向泵15在任何情况下都位于循环工质16的液面高度之下，可以避免逆向泵15的两端随时都填充有循环工质16，避免逆向泵15空转，提高逆向泵15的稳定性和使用寿命。

动力式冻胀聚热自保护装置5还包括控制器(图中未示出)，正向泵14和逆向泵15均与控制器电连接，控制器用于控制逆向泵15停止工作、正向泵14推动循环工质16在循环回路中正向循环流动，还用于在正向泵14停止工作第一时长后、控制逆向泵15工作第二时长，以使太阳能吸热器6中的循环工质16排空。其中，第一时长可以是3min～5min，第二时长可以是1min～3min。

本实施例提供的动力式冻胀聚热自保护装置及其路基的工作原理：

请参阅图4，装置在工作时段，循环工质16在正向泵14运转时产生的压力驱动下在循环管7循环流动，太阳能吸热器6吸收的热量便经过循环工质16传递至聚热管10，通过聚热管10在路基的内部不断放热，加热聚热管10周围的土体，使路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的。

请参阅图5，在夏季时段，正向泵14停止工作，首先，循环工质16在重力作用下，通过循环管7回流至聚热管10的内部，太阳能吸热器6的循环工质16液面开始下降，下降至装置的液面高度，其次，请参阅图6，逆向泵15开始工作，进一步将太阳能吸热器6中的循环工质16排空，使循环工质16回流至聚热管10，逆向泵15停止工作后如图7所示，循环工质16的液面高度L2高于逆向泵15、且不超过横向管92的高度L1。在夏季避免了白天太阳能吸热器6高温条件下循环工质16的沸腾、汽化造成整体装置压力急剧升高情况的出现，从而保证了整体装置的密封性、完整性和安全性。

本实施例提供的动力式冻胀聚热自保护装置及其路基的有益效果包括：

1.太阳能吸热器6吸收的热量便经过循环工质16传递至聚热管10，通过聚热管10在路基的内部不断放热，加热聚热管10周围的土体，使路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基土体冻结、路基冻胀等工程病害发生的目的。

2.通过设置逆向泵15，能够将循环工质16从太阳能吸热器6中排出，从而避免了循环工质16沸腾、汽化导致装置压力增大危及装置的密封性、完整性问题，增强了装置在季节冻土区路基加热中的稳定性，从而更好地进行路基冻胀防控。

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。