地躺式防冻胀聚热装置及其路基

技术领域

本发明涉及季节冻土区工程建设技术领域，具体而言，涉及一种地躺式防冻胀聚热装置及其路基。

背景技术

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粗颗粒换填、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一种地躺式防冻胀聚热装置及其路基，其能够充分利用太阳能资源，通过路基地温场平整加热、路基易冻胀部位重点调控，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。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种地躺式防冻胀聚热装置，地躺式防冻胀聚热装置包括：

集热联箱，集热联箱内填充有流体介质；

太阳能吸热管，太阳能吸热管的一端插入集热联箱、且沉浸在流体介质内，太阳能吸热管用于吸收太阳能、并传递热量至集热联箱；

聚热管，聚热管包括相互连通的吸热段和放热段，其中，吸热段插入集热联箱、且沉浸在流体介质内，放热段用于插入路基中，吸热段用于吸收集热联箱的热量并传递至放热段，放热段用于加热路基。

这样，地躺式防冻胀聚热装置使路基始终处于净吸热，并且内部热量不断累积，实现路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀和工程病害产生的目的。

在可选的实施方式中，集热联箱内间隔设置有多个隔板，隔板将集热联箱的内部空间划分为多个腔室，每个腔室内均填充有流体介质，吸热段插入全部腔室，每个腔室内插入至少一个太阳能吸热管。

这样，在恶劣的室外环境中，如果某一个集热联箱的腔室出现破损，导致该腔室内的流体介质泄露，因为隔板的存在，可以避免其它腔室内的流体介质泄露，从而避免集热联箱出现一处破损、就导致所有流体介质泄露，未出现破损的腔室依然可以正常工作。

在可选的实施方式中，每个腔室的两侧各插入一个太阳能吸热管。

这样，不仅可以提高对集热联箱的加热效率，而且装配方便、稳定性好。

在可选的实施方式中，集热联箱的顶部设置有减压单元，减压单元用于控制集热联箱内的压力处于预设范围内。

这样，在夏季，太阳光照射强烈，在太阳能吸热管持续加热集热联箱内的工质，使部分工质变为汽态，会急剧加大集热联箱置内部的压力，减压单元可以保证集热联箱不受过压造成的不利影响。

在可选的实施方式中，地躺式防冻胀聚热装置还包括：

钢化玻璃罩，安装在太阳能吸热管的上方，以保护太阳能吸热管。

这样，钢化玻璃罩可阻挡飞沙走石，避免太阳能吸热管破损。

在可选的实施方式中，地躺式防冻胀聚热装置还包括：

太阳辐射控制板，采用遮阳材料制成，太阳辐射控制板安装在太阳能吸热管的上方，以遮挡部分太阳光照射到太阳能吸热管。

这样，在夏季太阳光照充足的情况下，太阳辐射控制板可以遮挡部分太阳光照射到太阳能吸热管，避免集热联箱内温度过高、压力过大，提高装置的稳定性和使用寿命。

在可选的实施方式中，太阳辐射控制板相对于水平面向上扬起的角度可调节。

这样，太阳辐射控制板可以根据各个季节的太阳光照强度，灵活调节自身的角度，使太阳能吸热管接收到的太阳辐射适中，保证装置在合适温度和压力下工作，提高装置的稳定性和使用寿命。

在可选的实施方式中，太阳辐射控制板平行于所在地区冬季的太阳光线。

这样，太阳辐射控制板在冬季时遮挡太阳光的量最少，在夏季时遮挡太阳光的量最多，可以使太阳能吸热管一年四季接收的太阳辐射都较为适中，提高装置的稳定性和使用寿命。

第二方面，本发明提供一种地躺式防冻胀聚热路基，地躺式防冻胀聚热路基包括路基和前述实施方式任一项的地躺式防冻胀聚热装置，其中，集热联箱安装在路基的外部，聚热管的放热段插入路基的内部。

这样，路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀和工程病害产生的目的。

在可选的实施方式中，地躺式防冻胀聚热路基还包括：

保温材料层，保温材料层设置在路基的坡面。

这样，保温材料层能够阻止路基内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基内部热量的留存。

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地躺式防冻胀聚热路基的结构示意图；

图2为地躺式防冻胀聚热装置的主视示意图；

图3为地躺式防冻胀聚热装置的俯视示意图；

图4为地躺式防冻胀聚热装置的右视示意图；

图5为集热联箱的内部示意图；

图6为图5中减压单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种地躺式防冻胀聚热装置的右视示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种地躺式防冻胀聚热装置的俯视示意图；

图9为太阳辐射控制板的工作原理示意图；

图10为路基布设聚热管30天后的模拟计算结果地温场示意图。

图标：1-地躺式防冻胀聚热路基；2-路基；3-保温材料层；4-锚杆；5-地躺式防冻胀聚热装置；6-集热联箱；7-隔板；8-腔室；9-太阳能吸热管；10-聚热管；11-吸热段；12-过渡段；13-放热段；14-钢化玻璃罩；15-太阳辐射控制板；16-流体介质；17-注液孔；18-减压单元；19-壳体；20-汽液转换滤芯；21-正压压力阀；22-负压压力阀；23-散热翅片。

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。

但是如何利用太阳能进行对路基的加热，特别是加热单元或部分的空间高度对整体系统的工作效能、工程实际是否便于应用都影响显著。本发明实施例不仅从路基地温调控的角度进行防控措施的设计，同时重点从近地表空间位置的角度解决装置对太阳能集热的关键技术难点。

请参考图1，本实施例提供了一种地躺式防冻胀聚热路基1，地躺式防冻胀聚热路基1包括路基2、地躺式防冻胀聚热装置5和保温材料层3。

其中，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。

请参考图1至图4，地躺式防冻胀聚热装置5包括集热联箱6、太阳能吸热管9和聚热管10。其中，集热联箱6内填充有流体介质16(请参阅图5)，集热联箱6可以设置在路基的阳坡侧、靠近坡脚天然地表区域，也可以设置在路基的阴坡层、太阳冬季能够照射到的天然地表区域。

太阳能吸热管9具有一定长度，间隔一定距离置于集热联箱6的两侧。太阳能吸热管9的一端插入集热联箱6、且沉浸在流体介质16内，太阳能吸热管9的长度方向垂直于集热联箱6的长度方向。请参阅图4，太阳能吸热管9与水平面所成的角度∠a的范围为：0°～30°、且太阳能吸热管9靠近集热联箱6的一端相比于另一端位置较高，太阳能吸热管9较低的一端可以直接支撑在地面。太阳能吸热管9用于吸收太阳能、并传递热量至集热联箱6。

聚热管10属于异形热管的类型，该种异形热管主要起到对路基的加热和聚热作用。聚热管10的内壁上设置有吸液芯，管内填充有工质。聚热管10包括依次连通的吸热段11、过渡段12和放热段13，其中，吸热段11插入集热联箱6、且沉浸在流体介质16内，吸热段11与集热联箱6形成密闭空间。放热段13基本水平地从路基的坡脚到半坡的范围内插入路基中，吸热段11用于吸收集热联箱6的热量并传递至放热段13，放热段13用于加热路基。

本实施例提供的聚热管10采用Z字型结构，具体的，吸热段11的长度方向相对于水平面的下倾角的角度范围为：0°～30°，具体可以为10°，也就是说，如图1所示，吸热段11沿x方向延伸、且沿y方向的下倾角的角度范围为：0°～30°。过渡段12的长度方向平行于路基的坡面。放热段13的长度方向相对于水平面的上仰角的角度范围为：0°～30°，具体可以为10°，也就是说，如图1所示，放热段13沿x方向延伸、且沿y方向的上仰角的角度范围为：0°～30°。这样，放热段13以近水平方向插入，在路基内呈现近水平状态，通过聚热管10间隔一定距离、并排的大量布设，可确保路基升温过程中地温等值线呈水平状的快速发展，由此有效改善路基内部水热力相互耦合的作用过程，并进一步提高路基的稳定性。

集热联箱6内间隔设置有多个隔板7，隔板7将集热联箱6的内部空间划分为多个腔室8，相邻两个腔室8之间可以是隔绝的，也可以是顶部连通的。每个腔室8内均填充有流体介质16，吸热段11插入全部腔室8，每个腔室8的两侧各插入一个太阳能吸热管9。这样，在恶劣的室外环境中，如果某一个集热联箱6的腔室8出现破损，导致该腔室8内的流体介质16泄露，因为隔板7的存在，可以避免其它腔室8内的流体介质16泄露，从而避免集热联箱6出现一处破损、就导致所有流体介质16泄露，未出现破损的腔室8依然可以正常工作。

请参阅图5和图6，集热联箱6的顶部还开设有注液孔17，并设置有减压单元18，减压单元18用于控制集热联箱6内的压力处于预设范围内。具体的，减压单元18包括壳体19、汽液转换滤芯20、正压压力阀21、负压压力阀22和散热翅片23，其中，壳体19和散热翅片23采用金属制成，壳体19的下端开口与集热联箱6的内部连通，壳体19的上端开口安装正压压力阀21和负压压力阀22，汽液转换滤芯20设置在壳体19的内部，散热翅片23设置在壳体19的外壁上。这样，在夏季白天，集热联箱6中的部分液态循环工质变为汽态，并可以流经汽液转换滤芯20，并在流动过程中，汽态工质不断降温转换为液态工质，并流回集热联箱6中，或者，集热联箱6内部压力超过阈值，则由正压压力阀21将汽态工质直接排出，对集热联箱6起到减压的作用；在夜晚，集热联箱6中汽态工质大量冷凝液化，集热联箱6内部压力明显降低，当集热联箱6内部负压过大时，外部空气可经过负压压力阀22进入集热联箱6内，提高集热联箱6的压力。由此保证集热联箱6不受过压造成的不利影响。

请参阅图3和图4，太阳能吸热管9的上方可以安装钢化玻璃罩14代替太阳辐射控制板15，钢化玻璃罩14可阻挡飞沙走石，避免太阳能吸热管9破损，而且，太阳光能够穿透钢化玻璃罩14到达太阳能吸热管9，不会降低太阳能吸热管9的吸热效率。

本实施例提供的地躺式防冻胀聚热装置及其路基的工作原理：

(1)在白天日照充足的条件下，太阳能吸热管9利用太阳能对其内工质进行加热，然后通过自然对流换热的方式对集热联箱6内的流体工质进行加热；(2)聚热管10的吸热段11通过集热联箱6内的流体工质加热，随着吸热段11温度的升高，以及吸热段11与放热段13温差的出现，聚热管10开始工作：在吸热段11内部的液态工质不断转换为汽态工质，通过相变吸收热量，并在气压推动下运移到放热段13；在放热段13，汽态工质冷凝转换为液态工质，通过相变放出热量；同时该液态工质在重力和吸液芯毛细力的推动下不断回流至回吸热段11；(3)在夜间或无太阳辐射的阴天低温环境下，覆盖于路基坡面的保温材料层3有效阻止路基内部热量的大量流失。由此在上述昼、夜循环和传热过程中，路基始终处于净吸热和内部热量不断累积的过程中，由此达到路基内部聚热和温度始终保持正温的状态，从而达到防治路基冻结、路基冻胀等工程病害的产生。

请参阅图7至图9，图9中箭头表示太阳光的照射方向或者说是太阳光线。本发明实施例提供的另一种地躺式防冻胀聚热装置5，其可以在太阳能吸热管9的上方安装太阳辐射控制板15，也可以将钢化玻璃罩14替换为太阳辐射控制板15。

具体的，太阳辐射控制板15采用金属或非金属的遮阳材料制成，以遮挡部分太阳光照射到太阳能吸热管9。太阳辐射控制板15主要特点在于厚度较薄，厚度可以为1mm～3mm，并具有一定强度，太阳辐射控制板15的宽度可以为太阳能吸热管9的直径的90％～120％。这样，在夏季太阳光照充足的情况下，太阳辐射控制板15可以遮挡部分太阳光照射到太阳能吸热管9，避免集热联箱6内温度过高、压力过大，提高装置的稳定性和使用寿命。

为简化结构和提高结构的稳定性，可以设计太阳辐射控制板15为固定形式。例如，太阳辐射控制板15设计为平行于所在地区冬季的太阳光线，或者说，太阳辐射控制板15平行于所在地区冬季太阳光照最强时太阳的照射方向。这样，太阳辐射控制板15在冬季时遮挡太阳光的量最少，在夏季时全部遮挡太阳光，由此自动保证冬季系统进行工作，暖季系统全部停止工作，提高装置的稳定性和使用寿命。

太阳辐射控制板15的工作原理：针对夏季太阳辐射过强，会导致太阳能吸热管9对内部循环工质的过度加热，而导致工质超过沸点和大量汽态工质的产生，以及内部过压现象的存在，对整体系统稳定性构成重要威胁，本实施例通过设置太阳能辐射控制板，有效防控该种现象的产生。太阳辐射控制板15位于太阳能吸热管9的上部，太阳辐射控制板15的方向主要平行于冬季的太阳光，或者说，太阳辐射控制板15与水平面的夹角等于冬季太阳的高度角，这样，太阳辐射控制板15对冬季的太阳辐射和对太阳能吸热管9不会造成过多影响。而在暖季，由于太阳的高度角大幅增加，太阳辐射控制板15则对太阳辐射起到了较好的遮挡作用。由此通过太阳辐射控制板15仰角和相互间距的设置，在冬季最大程度让太阳光通过，暖季这完全遮挡太阳光，由此控制整个系统的冬季工作，暖季完全休息的功能，并系统起到很好的保护作用。因此，太阳辐射控制板15的工作原理主要在于利用冬季、暖季太阳辐射较存在显著的角度区别，对太阳辐射起到较好的控制作用。

以青海湖典型季节冻土区为例，在冬季正午时刻太阳高度角约为30°，夏季正午时刻太阳高度角约为70°，差值为40°。太阳辐射控制板15与水平面夹角设置为30°时，则冬季太阳光线平行太阳辐射控制板15，因此，太阳光线能够通过太阳辐射控制板15之间的间隙直接照射在太阳能吸热管9上。在夏季太阳高度角增大，太阳光线被太阳辐射控制板15完全遮挡。由此，利用冬季太阳辐射实现对路基进行加热，而避免夏季加热时装置内部介质沸腾的目的。

同时，由于太阳辐射控制板15具有一定的强度，针对野外风沙走石、车辆行驶等因素导致的飞石或人为因素对太阳能吸热管9的破坏，也能起到良好的保护作用。

本实施例提供的地躺式防冻胀聚热装置及其路基与现有工程技术相比，至少具有以下优点：

1.与现有注浆工程技术相比，本实施例提供的地躺式防冻胀聚热装置及其路基，首先，聚热管是从路基下部以大致水平的方向向路基内部延伸，主要覆盖路基底部大部分区域，相比现有注浆工程中竖直向下钻孔，可以减少钻孔数量和钻孔深度，其次，现有注浆工程会改变路基的工程结构，本实施例中主要为改变路基热学性质的地温调控，主要作用于路基中水分富集、冻结后产生体积膨胀的区域，不改变路基原有的工程结构；最后，现有注浆工程没有采用保温材料层，本实施例中保温材料层能够阻止路基内部的热量散失，在昼夜变化过程中有效保证路基内部热量的留存；

2.与现有电加热工程技术相比，现有电加热工程通过路基内部电加热措施对路基加热，需要外在电力供给，要求专门电力线路修建和布设，每年不仅大量消耗电力资源，而且内部电子电加热系统在野外使用条件下，发生故障运维成本大，本实施例提供的地躺式防冻胀聚热装置及其路基没有外在动力能源、自主循环，通过充分利用当地丰富太阳能资源，实现对路基加热的目的，节省能源，绿色环保；

综上，实施例提供的地躺式防冻胀聚热装置及其路基与现有工程技术相比具有显著的进步，并且实现对季节冻土区路基病害中冻融关键要素的控制，起到事半功倍的效果，也实现了路基地温等值线水平均衡、对称分布，消除路基热力耦合的差异影响，进一步增强路基力学场稳定。这些都有效避免路基，特别是宽幅路基，不均匀冻胀、纵向开裂等工程病害的产生，保证路基的长期稳定性，因此本发明实施例具有突出科学性和先进性。

在施工方面，本实施例解决了现有工程施工的难题。本实施例中施工部位在路基的一侧或两侧，施工方式为水平打孔，对路基为点式施工，对路基填土钻进速度快，开孔口径小，对路基稳定性没有影响；而且在实施过程中仅为开孔、插孔，没有以往注浆、换填等措施，不会对路基产生大范围扰动和力学性质的改变，这些都进一步保证了原有路基的稳定，施工过程对列车正常行驶不构成影响，实现了在列车行驶条件下工程施工的要求。

集热联箱可以直接安装在地面，不仅增加装置整体在我国西部大风恶劣环境下的稳定性，而且加热单元重心的降低有助于装置的整体热循环推力的形成和增加，并保证整个循环和换热过程的顺畅和高效工作。

并且通过设置太阳辐射控制板，在夏季太阳光照充足的情况下，太阳辐射控制板可以遮挡部分太阳光照射到太阳能吸热管，避免集热联箱内温度过高、压力过大，提高装置的稳定性和使用寿命。

为验证本发明实施例提供的地躺式防冻胀聚热装置及其路基的调控效能，结合青藏铁路西宁至格尔木试验工程现场地质情况，进行工程措施作用下的数值模拟仿真计算。

实例：在高度为2.0m、顶面宽度为7.5m的青藏铁路路基阴坡一侧坡面上，在0.5m高度位置水平地将聚热管插入路基的内部，放热段13的长度为8m，聚热管沿路基走向间距为2m。在加热系统设置中，加热功率参照现有1m

在该工况下，12月15日设置聚热管，在当年冬季1月15日，在布设聚热管天后的模拟计算结果地温场如图10所示。图10为第30天路基经过一个晚上的散热过程，早晨8:30时刻、外界环境温度最低条件下路基地温剖面图。可以看出，(a)在地温量值特征方面，路基内大部分区域地温处于正温状态，路基下部持力层、水分较高部位地温处于相对高温区域，最高温度可达18℃；(b)在地温场形态特性方面，地温等值线整体呈现水平、相互平行的形态特性，特别是0℃等温线分布平整，即冻结区域、正温区域相互平行，其中冻结区域在路基上部仅有少量、呈薄层线分布均匀、对称分布，能有效解决冻土工程难题，具体表现如下：

(1)改善了原有路基中心区域温度场温度状态，满足季节冻土区铁路路基温度场调控要求，通过图10可以看出，本具体实施例方式实施后，路基中心区域、主要持力层的地温均处于正温状态，并在路基中心形成正温、高温土核，同时由于该部分土体水分含量较高、热容量大和聚集热量多，这些都提高了路基对外界环境温度降低的抗冻胀能力；

(2)温度场0℃地温等值线及其他等温线分布完全水平、平整，且冻结区域呈薄层线分布在路基顶部及靠近护坡处，大幅度提高路基稳定性，从图10可以看出，路基温度场分布平整，尤其是0℃等温线分布平整，在路基内整体呈上凸分布，在初春大气降水、冻融交替作用频繁阶段，有利于路基内水分的外排，这将显著消减路基的冻胀量；

(3)消除阴阳坡效应影响，基本消除路基纵向开裂工程病害，从图10可以看出，路面以下的路基温度场基本以路基中心呈对称分布，且路基内温度场等温线分布平整，加上冻结区仅分布在路基顶面及护坡下较薄条形的区域，这将进一步减弱部分冻结部位产生的少量的横向差异冻胀量，进一步消除路基发生纵向开裂的可能。

本实例仅是为了本发明所做的代表性分析，其结论在趋势上(具体数值上会有区别)基本代表本发明所能达到的效果。

此外，模拟计算表明，按照本实施例提供的结构进行季节冻土区铁路修筑，冻土路基在运营期间一直进行热能的存储，路基内冻结区将随运行时间而减小，因此该结构可以满足路基力学稳定性所需要求，并可维持路基长期稳定。

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。