一种复合型液冷式路基

1.本发明涉及一种路基结构，具体涉及一种复合型液冷式路基。


背景技术：

2.在我国青藏高原、东北、新疆等多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，形成了厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，会导致冻土的冻胀和融沉，从而引起翻浆、塌陷等各种工程灾害，对公路建设的稳定性产生较多不良问题。
3.在多年冻土区，由于黑色路面的强烈吸热、沥青路面隔水和阻止水分蒸发散热的影响，导致相同条件下公路路基的吸热强度是铁路的3倍之多，且路基吸热的主要范围集中在路基的中心部位，难以向周围冻土散热。根据大量实践研究表明，当公路路基宽度增加约1倍时，路基底面的吸热强度增加约0.6倍，路基吸热进一步聚集在路基的中心部位，由此产生更加明显的“聚热效应”，并导致冻土更加快速的退化。面对更高的技术标准、更宽的公路路面，公路与冻土之间的热作用更加显著。新疆昼夜温差大，冻融问题更为严重，在多年冻土区修筑公路将会面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。
4.冻土区路基保护措施主要包括主动冷却措施和被动冷却措施。主动冷却措施如块石路基、通风管路基，主要依靠空气对流换热达到对路基冷却降温的目的，但以上路基容易遭受风沙封堵，造成后期运营相对困难，且在自然对流换热较差的环境下难以发挥对路基降温的作用，而热棒路基运用导热散热原理对路基进行冷却降温，但只能在寒季发挥降温措施，局限性较大。
5.随着全球变暖的加剧，冻土区退化进程加快，冻土区路基的病害日益严重，现有的技术很难满足需求，亟需一种冷却降温速率更快的路基冷却措施，并可对冻土区路基进行实时保护，调控路基温度，减缓冻土区退化进程。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合型液冷式路基，该路基结构有多重降温措施相辅相成，能有效提高路基稳定性，绿色节能，安全环保，可推广使用。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合型液冷式路基，其特征在于，由下至上依次包括保温隔热层、下部路堤填土层、中部碎石层和上部路堤填土层，所述保温隔热层设置在天然地表面上，所述下部路堤填土层内平行于路基横断面方向倾斜布设多根冷排管，所述中部碎石层内平行于路基横断面方向倾斜布设多根通风管，所述上部路堤填土层与中部碎石层之间设置防水土工布，所述天然地表面上位于路基两侧对称设置单向导热管，所述通风管与冷排管之间设置第一温度传感器，所述冷排管与保温隔热层之间设置第二温度传感器，所述天然地表面内靠近保温隔热层的浅层位置设置第三温度传感器，多根所述冷排管的两端分别与进水管、回水管连接，所述进水管上设置水泵，所述进水
管和回水管同时连接在制冷设备上，制冷设备连接供电设备。
8.优选地，所述冷排管沿路基阳坡至阴坡的方向向下倾斜2％-3％，多根冷排管的两端均通过纵向管道相互连通，所述进水管连通一端的纵向管道，所述回水管连通位于另一端的纵向管道，所述通风管与冷排管倾斜角度一致，所述通风管的两端设置防尘网和风门。
9.优选地，所述单向导热管垂直于天然地表面且插入天然地表内，所述单向导热管下端设置有直角弯折段，所述直角弯折段向靠近路基的方向延伸。
10.优选地，所述进水管和回水管均设置在路基阴坡一侧，所述进水管上设置第一三通阀门，所述进水管通过高压阀连接制冷设备，所述回水管上设置第二三通阀门，所述回水管通过低压阀连接制冷设备，第一三通阀门上分别设置第一接口、第二接口和第三接口，第二三通阀门上分别设置第四接口、第五接口和第六接口，第一接口和第三接口连接进水管，第四接口和第六接口连接回水管。
11.优选地，所述制冷设备包括制冷驱动器、冷凝器和节流管，所述制冷驱动器的输出端连接冷凝器的输入端，冷凝器的输出端连接节流管，节流管通过高压阀连接进水管，所述制冷驱动器的输入端通过低压阀连接回流管，所述制冷驱动器、冷凝器和节流管安装在制冷主机箱内，所述制冷主机箱内还设置有与制冷驱动器连接的制冷控制器，由制冷驱动器、冷凝器、节流管、进水管、冷排管和回水管构成循环回路，通过第二三通阀门向回水管内注入导冷液。
12.在注入导冷液时，关闭接口第六接口、第二接口，通过第五接口将导冷液注入回流管，通过回流管将导冷液导入低压阀内，低压阀将导冷液导入进制冷驱动器，通过制冷控制器来调控所需要的温度，指导制冷驱动器工作，将导冷液冷却，冷却后的导冷液依次通过节流管进入高压阀，导冷液经高压阀后，通过水泵将冷却后的导冷液导入进水管，进而将冷却后的导冷液导入进冷排管，导冷液进入冷排管后吸收路基的热量，随着导冷液的流动进而将热量带走，达到对路基的降温，吸收热量后的导冷液进入回流管，导冷液导入低压阀，以此形成一个循环闭合回路，导冷液注满整个循环闭合回路，关闭第五接口停止注入导冷液，并保持第一接口、第三接口、第四接口和第六接口处于打开状态，使导冷液循环流动。
13.在排出导冷液时，先关闭第三接口，打开第二接口，将导冷液排出，再打开第三接口，关闭第一接口将回流管内的导冷液排出
14.优选地，所述供电设备包括电能控制器和蓄电池，所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器均与电能控制器的电能输出端连接，所述电能控制器的输入端连接风力发电机和光伏板，电能控制器双向连接蓄电池，所述电能控制器的输出端还连接制冷设备和水泵。
15.优选地，所述冷排管的外径为20-50mm，冷排管管间距为冷排管外径的1-5倍，所述通风管的外径为200-500mm，壁厚30-60mm，通风管的管间距为通风管外径的1-5倍，所述单向导热管的下端位于永冻土层中，所述单向导热管为内部有空腔的密封管道，空腔内填充导热液。
16.优选地，保温隔热层选用聚苯乙烯、聚乙烯和聚氨酯中的一种。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、本发明能实现多重降温。第一重降温：在暖季，由于路基阴坡、阳坡太阳辐射与坡面温度的不同，会引起路基左、右两侧坡面地温差异，通风管两端形成压力差，迫使冷空
气在通风管内流动，达到对路基降温的目的；第二重降温：中部碎石层内的石块孔隙率可以在路基左、右两侧不同位置之间产生一定的对流换热过程，且通风管位于中部碎石层中，使得对流换热效应增强，以此来平衡路基的地温差异；第三重降温：通过冷排管流通导冷液带走路基热量，由此循环达到对路基不断降温目的；第四重降温：保温隔热层可减少热流向下传导，增加保温层下自然地表面的冷储备，提高冻土层上限，进而减少对冻土区的扰动，同时有效避免路基出现融沉，保证了路基结构的稳定性工作；第五重降温：在寒季，地下温度高于地面温度，单向导热管内导热液遇热气化，气体沿管道进入上端，遇冷释放热量冷凝成为液体，液体在重力的作用下沿管道进入导热管下端，进而循环往复带走地热，保证地温场平衡的同时增加冷储备。
19.2、本发明能有效增加路基稳定性：由于中部碎石层属于柔性且具有自我应力平衡的结构，中部碎石层在一定程度上能缓解冻融作用导致的不利影响，可大幅提高路基的稳定性。
20.3、本发明能根据不同需求使用不同导冷液，在暖季使用水，在寒季可选择乙醇、乙二醇、丙二醇、氯化钙溶液和氯化钠溶液的等，根据实时温度环境选择，实用性强，科学合理。
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
22.图1是本发明的横截面剖视结构示意图。
23.图2是本发明的纵截面结构示意图。
24.图3是本发明中冷排管的俯视布设结构示意图。
25.图4是本发明中制冷设备的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.1—单向导热管；2—保温隔热层；3—中部碎石层；
28.4—上部路堤填土层；5-1—第一温度传感器；5-2—第二温度传感器；
29.5-3—第三温度传感器；6—通风管；
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7—下部路堤填土层；
30.8—冷排管；
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9—天然地表面；
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10—防尘网；
31.11—风门；
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12—防水土工布；
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13—供电设备；
32.14—风力发电机；
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15—光伏板；
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16—蓄电池；
33.17—电能控制器；
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18—制冷设备；
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19—水泵；
34.20-1—第一三通阀门；20-2—第二三通阀门；
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20-1-1—第一接口；
35.20-1-2—第二接口；
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20-1-3—第三接口；
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20-2-1—第四接口；
36.20-2-2—第五接口；
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20-2-3—第六接口；
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21—进水管；
37.22—回水管；
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23—制冷控制器；
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24—冷凝器；
38.25—节流管；
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26—高压阀；
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27—低压阀；
39.28—制冷驱动器。
具体实施方式
40.如图1至图4所示，本发明由下至上依次包括保温隔热层2、下部路堤填土层7、中部
碎石层3和上部路堤填土层4，所述保温隔热层2设置在天然地表面9上，所述下部路堤填土层7内平行于路基横断面方向倾斜布设多根冷排管8，所述中部碎石层3内平行于路基横断面方向倾斜布设多根通风管6，所述上部路堤填土层4与中部碎石层3之间设置防水土工布12，所述天然地表面9上位于路基两侧对称设置单向导热管1，所述通风管6与冷排管8之间设置第一温度传感器5-1，所述冷排管8与保温隔热层2之间设置第二温度传感器5-2，所述天然地表面9内靠近保温隔热层2的浅层位置设置第三温度传感器5-3，多根所述冷排管8的两端分别与进水管21、回水管22连接，所述进水管21上设置水泵19，所述进水管21和回水管22同时连接在制冷设备18上。
41.本实施例中，所述冷排管8沿路基阳坡至阴坡的方向向下倾斜2％-3％，多根冷排管8的两端均通过纵向管道相互连通，所述进水管21连通位于左侧阳坡的纵向管道，所述回水管22连通右侧阴坡的纵向管道，所述通风管6与冷排管8倾斜角度一致，所述通风管6的两端设置防尘网10和风门11。
42.本实施例中，所述单向导热管1垂直于天然地表面9并插入天然地表面9内，所述单向导热管1下端设置有直角弯折段，所述直角弯折段向靠近路基的方向延伸。
43.本实施例中，所述进水管21和回水管22均设置在路基阴坡一侧，所述进水管21上设置第一三通阀门20-1，所述进水管21通过高压阀26连接制冷设备18，所述回水管22上设置第二三通阀门20-2，所述回水管22通过低压阀27连接制冷设备18，第一三通阀门20-1上分别设置第一接口20-1-1、第二接口20-1-2和第三接口20-1-3，第二三通阀门20-2上分别设置第四接口20-2-1、第五接口20-2-2和第六接口20-2-3，第一接口20-1-1和第三接口20-1-3连接进水管21，第四接口20-2-1和第六接口20-2-3连接回水管22。
44.本实施例中，所述制冷设备18包括制冷驱动器28、冷凝器24和节流管25，所述制冷驱动器28的输出端连接冷凝器24的输入端，冷凝器24的输出端连接节流管25，节流管25通过高压阀26连接进水管21，所述制冷驱动器28的输入端通过低压阀连接回流管22，所述制冷驱动器28、冷凝器24和节流管23安装在制冷主机箱内，所述制冷主机箱内还设置有与制冷驱动器28连接的制冷控制器23，由制冷驱动器28、冷凝器24、节流管25、进水管21、冷排管8和回水管22构成循环回路，通过第二三通阀门20-2向回水管22内注入导冷液。
45.在注入导冷液时，关闭接口第六接口20-2-3、第二接口20-1-2，通过第五接口20-2-2将导冷液注入回流管8，通过回流管8将导冷液导入低压阀27内，低压阀将导冷液导入进制冷驱动器28，通过制冷控制器23来调控所需要的温度，指导制冷驱动器28工作，将导冷液冷却，冷却后的导冷液依次通过节流管25进入高压阀26，导冷液经高压阀26后，通过水泵19将冷却后的导冷液导入进水管21，进而将冷却后的导冷液导入进冷排管8，导冷液进入冷排管8后吸收路基的热量，随着导冷液的流动进而将热量带走，达到对路基的降温，吸收热量后的导冷液进入回流管8，导冷液导入低压阀27，以此形成一个循环闭合回路，导冷液注满整个循环闭合回路，关闭第五接口20-2-2停止注入导冷液，并保持第一接口20-2-1、第三接口20-2-3、第四接口20-2-1和第六接口20-2-3处于打开状态，使导冷液循环流动。
46.在排出导冷液时，先关闭第三接口20-1-3，打开第二接口20-1-2，将导冷液排出，再打开第三接口20-1-3，关闭第一接口20-1-1将进水管21内的导冷液排出
47.本实施例中，所述供电设备13包括电能控制器17和蓄电池16，所述第一温度传感器5-1、第二温度传感器5-2和第三温度传感器5-3均与电能控制器17的电能输出端连接，所
述电能控制器17的输入端连接风力发电机14和光伏板15，电能控制器17双向连接连接蓄电池16，所述电能控制器17的输出端还连接制冷设备18和水泵19。
48.本实施例中，所述冷排管8为外径为30mm的pe管，冷排管8管间距为冷排管8外径的4倍，所述通风管6的外径为400mm，壁厚50mm，通风管6的管间距为通风管6外径的4倍，所述单向导热管1的下端位于永冻土层中，所述单向导热管1为内部有空腔的密封管道，空腔内填充导热液。
49.本实施例中，保温隔热层2选用聚苯乙烯。
50.本实施例中，在寒季，由于冷排管8被土体所掩埋，且土体具有一定的保温隔热效果，故冷排管所处位置的温度高于地表温度，而水在流动过程中水分子之间产生摩擦，冻结温度为0℃以下，当第一温度传感器5-1监测到所处位置环境温度为-5℃时，需将水从冷排管内排出，以免冷排管内水冻胀破坏路基结构。位于不同位置的温度传感器用于监测所处位置环境周围环境温度变化，反馈并指导制冷设备18与水泵19工作。
51.可根据不同导冷液的体积浓度、质量浓度和冰点选择不同导冷液，如表1所示。
52.表1
[0053][0054]
本发明使用时，第一温度传感器5-1、第二温度传感器5-2、第三温度传感器5-3通过对周围环境温度的监测，反馈并指导制冷设备18与水泵19工作，制冷设备18为直流变频压缩机，水泵19为直流变频水泵，可自动调节电压大小进而控制工作功率，制冷设备18与水泵19分为三个工作阶段，分别为低功率阶段、常功率阶段、高功率阶段。
[0055]
低功率阶段，制冷设备18与水泵19工作功率区间为全功率的0至1/4，且功率随温度的变化自动调整，铺设于通风管6与冷排管8间的第一温度传感器5-1用于控制制冷设备18与水泵19开关，并监测到周围环境温度，当监测到周围环境温度升高时，制冷设备18与水泵19开始工作，制冷设备18在低功率下对导冷液进行冷却，水泵19在低功率下将液体导入
冷排管8，对路基进行降温，常功率阶段，制冷设备18与水泵19工作功率区间为全功率的1/4至3/4，且功率随温度的变化自动调整，铺设于冷排管8与保温隔热层2之间的第二温度传感器5-2监测到周围环境温度升高时，制冷设备18与水泵19分别在常功率下进行工作，对路基进行降温，高功率阶段，制冷设备18与水泵19工作功率区间为全功率的3/4至1，且功率随温度的变化自动调整，铺设于天然地表面9下的第三温度传感器5-3监测到周围环境温度都升高时，制冷设备18与水泵19分别在全功率下进行工作，对路基进行降温。
[0056]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种复合型液冷式路基，其特征在于，由下至上依次包括保温隔热层(2)、下部路堤填土层(7)、中部碎石层(3)和上部路堤填土层(4)，所述保温隔热层(2)设置在天然地表面(9)上，所述下部路堤填土层(7)内平行于路基横断面方向倾斜布设多根冷排管(8)，所述中部碎石层(3)内平行于路基横断面方向倾斜布设多根通风管(6)，所述上部路堤填土层(4)与中部碎石层(3)之间设置防水土工布(12)，所述天然地表面(9)上位于路基两侧对称设置单向导热管(1)，所述通风管(6)与冷排管(8)之间设置第一温度传感器(5-1)，所述冷排管(8)与保温隔热层(2)之间设置第二温度传感器(5-2)，所述天然地表面(9)内靠近保温隔热层(2)的浅层位置设置第三温度传感器(5-3)，多根所述冷排管(8)的两端分别与进水管(21)、回水管(22)连接，所述进水管(21)上设置水泵(19)，所述进水管(21)和回水管(22)同时连接在制冷设备(18)上，制冷设备(18)连接供电设备(13)。2.根据权利要求1所述的一种复合型液冷式路基，其特征在于，所述冷排管(8)沿路基阳坡至阴坡的方向向下倾斜2％-3％，多根冷排管(8)的两端均通过纵向管道相互连通，所述进水管(21)连通位于阳一端的纵向管道，所述回水管(22)连通另一端的纵向管道，所述通风管(6)与冷排管(8)倾斜角度一致，所述通风管(6)的两端设置防尘网(10)和风门(11)。3.根据权利要求1所述的一种复合型液冷式路基，其特征在于，所述单向导热管(1)垂直插入于天然地表面(9)内，所述单向导热管(1)下端设置有直角弯折段，所述直角弯折段向靠近路基的方向延伸。4.根据权利要求1所述的一种复合型液冷式路基，其特征在于，所述进水管(21)和回水管(22)均设置在路基阴坡一侧，所述进水管(21)上设置第一三通阀门(20-1)，所述进水管(21)通过高压阀(26)连接制冷设备(18)，所述回水管(22)上设置第二三通阀门(20-2)，所述回水管(22)通过低压阀(27)连接制冷设备(18)。5.根据权利要求1所述的一种复合型液冷式路基，其特征在于，所述制冷设备(18)包括制冷驱动器(28)、冷凝器(24)和节流管(25)，所述制冷驱动器(28)的输出端连接冷凝器(24)的输入端，冷凝器(24)的输出端连接节流管(25)，节流管(25)通过高压阀(26)连接进水管(21)，所述制冷驱动器(28)的输入端通过低压阀连接回流管(22)，所述制冷驱动器(28)、冷凝器(24)和节流管(25)安装在制冷主机箱内，所述制冷主机箱内还设置有与制冷驱动器(28)连接的制冷控制器(23)，通过第二三通阀门(20-2)向回水管(22)内注入导冷液。6.根据权利要求1所述的一种复合型液冷式路基，其特征在于，所述供电设备(13)包括电能控制器(17)和蓄电池(16)，所述第一温度传感器(5-1)、第二温度传感器(5-2)和第三温度传感器(5-3)均与电能控制器(17)的电能输出端连接，所述电能控制器(17)的输入端连接风力发电机(14)和光伏板(15)，电能控制器(17)双向连接连接蓄电池(16)，所述电能控制器(17)的输出端还连接制冷设备(18)和水泵(19)。7.根据权利要求1所述的一种复合型液冷式路基，其特征在于，所述冷排管(8)的外径为20-50mm，冷排管(8)间距为冷排管(8)外径的1-5倍，所述通风管(6)的外径为200-500mm，壁厚30-60mm，通风管(6)的间距为通风管(6)外径的1-5倍，所述单向导热管(1)的下端位于永冻土层中，所述单向导热管(1)为内部有空腔的密封管道，空腔内填充导热液。

技术总结
本发明提供了一种复合型液冷式路基，由下至上依次包括保温隔热层、下部路堤填土层、中部碎石层和上部路堤填土层，保温隔热层设置在天然地表面上，下部路堤填土层内平行于路基横断面方向倾斜布设多根冷排管，中部碎石层内平行于路基横断面方向倾斜布设多根通风管，上部路堤填土层与中部碎石层之间设置防水土工布，在天然地表面上位于路基两侧处对称布置单向导热管，多根所述冷排管的两端分别与进水管、回水管连接，进水管和回水管同时连接在制冷设备上，制冷设备连接供电设备。本发明结构设计科学合理，换热效果好，能充分保护路基的稳定性，安全环保，可推广使用。可推广使用。可推广使用。


技术研发人员：刘星炎 潘乾通 李宗恩 胡琪 李清林
受保护的技术使用者：石河子大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/7