排挤式防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，涉及一种排挤式防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一种排挤式防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，本发明提供一种排挤式防冻胀聚热自保护装置，排挤式防冻胀聚热自保护装置包括太阳能吸热器、循环管、聚热管和循环泵，太阳能吸热器、聚热管和循环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，聚热管用于插入路基；

太阳能吸热器包括太阳能吸热板以及安装在太阳能吸热板下方的上集管、下集管、排管和排挤塞，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，排挤塞可移动地设置排管内部，循环泵用于推动循环工质从下集管向上集管的方向流动，循环泵停止工作时，排挤塞在重力作用下将排管内的循环工质压入下集管。

这样，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。

装置在工作时段，循环工质在循环泵运转时产生的压力驱动下在循环管循环流动。对于排管内的排挤塞，在循环工质的循环压力和推力作用下向上移动，并打开循环通道，循环工质开始循环。

在装置停止工作时段，如在夏季时段，循环工质停止循环工作。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，排管内的循环工质液面开始下降，下降至装置的液面高度，其次，排挤塞在重力作用进一步下压循环工质至下集管，从而进一步排空排管内的工质，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，排管包括上半段和下半段，上半段连接到上集管，下半段连接到下集管，排挤塞可移动地设置上半段和下半段的内部，上半段的内径大于下半段的内径，下半段的内径大于或等于排挤塞的外径。

这样，装置工作时，排挤塞被循环工质推动上移到上半段，即可使循环工质通过排管，装置停止工作时，排挤塞在重力作用下落入下半段中，能够将循环工质从排管中排出。

在可选的实施方式中，排挤塞的下端为尖刺形状。

在可选的实施方式中，排挤塞的重力大于排挤塞全部浸入循环工质时的浮力。

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循环泵的重心高度依次降低。

在可选的实施方式中，循环工质和排挤塞静置时，循环工质的液面未超过排挤塞的顶面。

在可选的实施方式中，聚热管包括：

外管；

进液管，连通在外管的外部、且与循环管的一端连通；

出液管，出液管的一端插入外管的内部、且开设有与外管连通的开口，出液管的另一端伸出外管、且与循环管的另一端连通。

这样，外管与出液管之间形成循环工质的放热流道、并使循环工质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的管壁，传热效率高。

第二方面，本发明提供一种排挤式防冻胀聚热自保护路基，排挤式防冻胀聚热自保护路基包括路基和前述实施方式任一项的排挤式防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，排挤式防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排挤式防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排挤式防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为排挤式防冻胀聚热自保护装置工作时的状态示意图；

图5为图4中太阳能吸热器的侧视图；

图6为排挤式防冻胀聚热自保护装置停止工作时的状态示意图；

图7为图6中太阳能吸热器的侧视图。

图标：1-排挤式防冻胀聚热自保护路基；2-路基；3-保温材料层；4-锚杆；5-排挤式防冻胀聚热自保护装置；6-太阳能吸热器；7-太阳能吸热板；8-上集管；9-下集管；10-排管；11-上半段；12-下半段；13-排挤塞；14-循环管；15-聚热管；16-外管；17-进液管；18-出液管；19-循环泵；20-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排挤式防冻胀聚热自保护路基1，排挤式防冻胀聚热自保护路基1包括路基2、保温材料层3和排挤式防冻胀聚热自保护装置5，其中，排挤式防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，排挤式防冻胀聚热自保护装置5包括太阳能吸热器6、循环管14、聚热管15和循环泵19，其中，太阳能吸热器6、聚热管15和循环泵19通过循环管14依次首尾连接，形成循环回路，循环回路中填充有循环工质20，循环工质20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14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用于吸入太阳能、并加热循环工质20。

聚热管15用于插入路基2、并将循环工质20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2土体冻结、路基2冻胀等工程病害发生的目的。

聚热管15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15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15之间的间距可以是1m～5m。聚热管15与水平面之间的夹角范围为：-30°～30°，本实施例中，优选聚热管15从路基2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15沿x方向延伸、且沿y方向的上仰角为0°～30°，使聚热管15的高度位于路基2的中下位置，聚热管15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15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15的重心高度以及循环泵19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20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15或循环泵19中。

请参阅图3，聚热管15包括外管16、进液管17和出液管18，其中，进液管17连通在外管16的外部、且与循环管14的一端连通。出液管18位于外管16的底部，出液管18的一端插入外管16的内部、且开设有与外管16连通的开口，出液管18的另一端伸出外管16、且与循环管14的另一端连通。这样，外管16与出液管18之间形成循环工质20的放热流道、并使循环工质20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16的管壁，传热效率高。进液管17及出液管18的设计使得循环工质20能够填满聚热管15，使循环工质20与管壁之间更加充分的进行热交换，进而提高聚热管15对路基的加热效能。

请参阅图4和图5，图4中箭头表示循环工质20的流动方向，太阳能吸热器6包括太阳能吸热板7以及安装在太阳能吸热板7下方的上集管8、下集管9、排管10和排挤塞13。

其中，太阳能吸热板7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。

排管10的截面为圆形的金属管，排管10为变径结构。排管10包括上半段11和下半段12，上半段11连接到上集管8，下半段12连接到下集管9，排挤塞13可移动地设置上半段11和下半段12的内部，上半段11的内径大于下半段12的内径，具体的，上半段11的内径可以是下半段12的内径的1～2倍，下半段12的内径大于或等于排挤塞13的外径。

排挤塞13的下端为尖刺形状，这样，在排挤塞13下落的过程中，尖刺形状能够引导排挤塞13插入排管10的下半段12中。排挤塞13的重力大于排挤塞13全部浸入循环工质20时的浮力，可以保证在装置停止工作时，排挤塞13可以自由下沉，同时挤压出排管10内的循环工质20。

本实施例提供的排挤式防冻胀聚热自保护装置及其路基的工作原理：

请参阅图4和图5，装置在工作时段，循环工质20在循环泵19运转时产生的压力驱动下在循环管14循环流动。对于排管10内的排挤塞13，在循环工质20的循环压力和推力作用下，向上移动至排管10的上半段11，并打开循环通道，循环工质20开始循环。

请参阅图6和图7，在装置停止工作时段，如在夏季时段，循环工质20停止循环工作。首先，循环工质20在重力作用下，通过循环管14回流至聚热管15的内部，排管10内的循环工质20液面开始下降，下降至装置的液面高度，其次，排挤塞13在重力作用进一步下压循环工质20至下集管9，从而进一步排空排管10内的工质，由于排挤塞13的外径与排管10的下半段12的内径基本一致，下半段12内的循环工质20基本被排空，并且，循环工质20和排挤塞13静置时，循环工质20的液面(如图6中虚线所示)未超过排挤塞13的顶面。在夏季避免了白天太阳能吸热器6高温条件下循环工质20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。

本实施例提供的排挤式防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20传递至聚热管15，通过聚热管15在路基的内部不断放热，加热聚热管15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.通过将排管10设计为变径管道，并在排管10内设置排挤塞13，排挤塞13能够将循环工质20从排管10中排出，从而避免了循环工质20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。

3.采用的排挤塞13可选用橡胶即可达到本装置的目的。本装置具有简单实用且稳定性好的特点，但却能够较好的解决装置稳定性的技术和科学难题。

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。