专利名称：路基的液压自动温控通风装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在多年冻土地区进行工程建筑中，有效保护下部多年冻土稳定性的工程建筑基础降温的装置，尤指一种路基的液压自动温控通风装置。
背景技术：
冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤，多年冻土是指冻土不间断地保持多年、若干世纪以至数千年。在多年冻土形成和发展过程中，由于冻融循环所导致的水分迁移往往会在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰层(称为地下冰)。
随着国民生产和地区经济的发展，我国现已在多年冻土地区不断进行铁路、公路、输油管线、光缆等工程建筑的建设。由于人为工程措施的影响，改变了地表换热条件，特别是在青藏高原太阳高辐射地区，由于人为工程使实施后工程建筑吸热面、吸热量大为增加，使得各种工程措施基础下部的多年冻土的热量总体平衡遭到破坏，总体热量收入大于支出，使得多年冻土的温度不断升高，多年冻土中的厚层地下冰不断融化，由此导致工程建筑的基础不断下沉，严重影响各种相关工程的正常运营。目前正在建设中的青藏铁路格拉段将穿越约547km多年冻土地段，全线线路海拔高程大于4000m地段约960km，在唐古拉山越岭地段，线路最高海拔为5072m，为世界铁路海拔之最。“高原”和“冻土”问题是青藏线施工的两大难题，其特殊性和复杂性在世界上独一无二，是现目前国内、乃至世界上在冻土条件最为复杂情况下进行的一项重大工程。与我国东北和世界上其它地区的多年冻土相比，青藏线所在的多年冻土地区的多年冻土类型最为多变、多年冻土受外界条件变化影响最为敏感、冻土路基稳定性最为薄弱。青藏公路的长期研究和实践经验表明，地下冰是影响冻土路基稳定的最为重要的影响之一，是产生冻融灾害或者不良冻土工程现象的根本问题。地下冰最为集中分布在多年冻土上限附近，修筑路堤后引起多年冻土上限变化，其结果就会造成地下冰融化，导致路基产生融化下沉破坏。对于桥涵、路堑、高边坡等工程建筑物，高含冰量冻土的影响是极为关键的问题。因此，是否能采取和使用有效、实用的工程保护措施和技术，保护工程基础下部的多年冻土少受或免受上部工程建筑的影响，就成为青藏铁路和各种冻土工程建设成败所在。目前就工程与冻土的相互作用的研究较多，但从工程实际应用角度如何切实地有效地解决其相互作用问题的成功措施不多。中国科学院“西部之光——冻土工程中保护冻土温控关键技术研究”，中国科学院知识创新工程的重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”(No.KZCX1-SW-04)，国家自然科学基金重大项目(90102006)，“973”国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412704)等课题就是针对上述关键工程实际问题而开展了专题研究。
目前，用于保护铁路、公路等线性工程下部多年冻土的工程措施主要有在路堤中加装通风管、保温材料、抛石护坡、遮阳板、使用热管和提高路堤等措施达到保护路基下部多年冻土的目的。其中通风路基在冻土保护措施中以其简便、快捷等优点在工程措施中得到一定程度的应用。其工作原理是在铁路、公路或其它线性工程中的路基基础中，在与线性工程走向垂直的方向、在其一定深度的部位、按照一定的间距、平行埋设多个一定口径的水泥管或PVC管(见示意图2)。在空气温度较低、由于太阳辐射造成路基内部积累了一定程度的热量的条件下，利用空气在流经管道的时候通过对流换热带走管壁周围的热量，低通风管周围介质的温度，从而达到稳定多年冻土稳定性的目的。但存在的突出问题是在春末、整个夏季和秋初，空气温度大多高于路基内部温度，在这种条件下，通风路基非但不能对路基进行降温，反倒对路基起到加热的反作用。由此会大大降低通风路基的降温效果，加大通风管周围温度的振幅，在含水率高的地段会由于其中水分冻结和融化导致路基的冻胀和融沉；在部分地区由于融化范围过大还会导致多年冻土上部地下冰的融化所导致的路基沉陷；同时由于较大幅度的冻融循环也会对路基的稳定性产生一定程度的负面作用。
发明内容
本实用新型的目的是针对目前青藏铁路保护多年冻土工程措施中的通风路基存在的问题而提出的一种路基的液压自动温控通风装置。该装置可以根据外界温度的变化自动控制通风管中的气流，可以有效提高通风路基的制冷效果，并可以避免可能出现的各种工程问题。
本实用新型的目的还在于通过路基的液压自动温控通风大大提高通风路基功效的同时，通过对铁路、公路路堤或建筑物底部多年冻土的温度场起到很好的稳定作用的同时，可以降低路堤要求的最低高度，大大减少工程造价，缩短建设周期。
本实用新型的目的可通过如下措施来实现一种路基的液压自动温控通风装置，包括设在路基下的通风管；其特征在于在通风管上设自动温控装置；其中所述的自动温控装置包括温度感应单元，由其感应路基处的温度变化；及控制单元，所述的控制单元由温度感应单元控制其动作；气流控制单元，所述的气流控制单元由控制单元控制其开关。
所述的温度感应单元包括密闭容器及装于容器内的水和液压油。
所述的密闭容器内的水可封装于塑性封闭容器中或直接与液压油混装。
所述的控制单元与温度感应单元相连，该控制单元包括活塞及与活塞相连的传杆、及与传杆相连的弹簧；其中所述的活塞由温度感应单元的液压油推动。
所述的气流控制单元包括风门和与风门相连的轴杆。
所述的轴杆与控制单元的传杆与弹簧的连接点相连。
所述的风门由单个或多个叶片组成。
本实用新型的原理是当外界气温高于系统设定温度条件下，系统自动关闭通风管的风门，阻止外界热量的进入通风路基内部；当外界气温高于系统设定温度条件下，系统自动打开通风管的风门，对通风管周围的介质进行通风换热和降温。
其工作原理为本实用新型利用系统中的温度感应单元中的水体感应外界气温的变化。在外界气温低于0℃的时候，单元中的水体会发生冻结，并产生9％的体积膨胀，单元中的水体在冻结膨胀后会对周围的液压油产生压力，在液压油压力的作用下，推动液压活塞产生移动，并推动气流控制单元对打开通风管中的风门进行通风降温；将外界气温高于0℃的时候，温度感应单元中被冻结的冰体会发生融化，同时体积产生收缩，活塞在弹簧的作用下，回复到冻结前的位置，并关闭通风管中的风门，阻止热空气进入，起到保护路基内部冷能的作用。
本实用新型相比现有技术具有如下优点本实用新型充分避免了春末、整个夏季和秋初，空气温度大多高于路基内部温度条件下，通风管对路基加热的反作用；减缓了现有通风管周围温度振幅过大的问题，以及由此而引起在含水率高的地段会由于其中水分冻结和融化所导致的冻胀和融沉工程问题。由于自动温控系统的控制，会使路基内部在冬季富集的冷能得到较好的保存，同时在气温较高的时期还会利用青藏高原夜间温度较低的特点，会自动打开风门对通风管周围的介质进行降温，这对路基下部多年冻土的稳定性起到很好的促进作用，由此会大大提高通风路基保护多年冻土的功效。
本实用新型的自动温控装置可以根据外界温度的变化自动控制通风管中的气流，可以有效提高通风路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖风进入通风管引起的加热负作用，以及由此而引起的通风管周围温度的振幅过大，在含水率高的地段会导致其中水分冻结和融化所导致的较大程度的冻胀、融沉和路基沉陷，以及对路基的稳定性产生一定程度的负面作用等工程病害问题。
图1为本实用新型的液压自动温控通风装置安装在路基上的装配示意图图2为本实用新型的液压自动温控通风装置的实施例一结构示意图图3为本实用新型的液压自动温控通风装置的实施例二结构示意图图A为普通通风路基对地温场的降温过程模拟计算结果图B为自动温控通风路基对地温场的降温过程模拟计算结果图C为液压自动温控通风装置温度感应单元室内冻结过程试验图图中标号说明如下1-自动温控通风装置2-通风管3-路基4-风门5-轴杆6-弹簧7-连接点8-传杆9-活塞10-液压油11-密封水体12-水体具体的实施方式本实用新型还将结合附图对实施例作进一步详述参照图1，在路基3下的通风管3上设液压自动温控通风装置。参照图2为本实用新型的自动温控通风装置1的实施例一结构示意图。所述的自动温控通风装置包括温度感应单元，由其感应路基处的温度变化；及控制单元，所述有控制单元由温度感应单元控制其动作；气流控制单元，所述的气流控制单元由控制单元控制其开关。
所述的温度感应单元包括密闭容器及装于容器内的封装于塑性封闭容器的密封水体11和液压油10。
所述的控制单元与温度感应单元相连，该控制单元包括活塞9及与活塞9相连的传杆8、及与传杆8相连的弹簧6；其中所述的活塞由温度感应单元的液压油推动。
参照图3，为本实用新型的液压自动温控通风装置的实施例二结构示意图。该实施例除水体12直接与液压油混装外，其余均与例一同。
本实用新型当外界气温高于系统设定温度-0℃时，系统自动关闭通风管的风门，阻止外界热量的进入通风路基内部；当外界气温低于系统设定温度时，系统自动打开通风管的风门，对通风路基通风管周围的土体进行降温。
通过在现有常规通风路基通风管端头加装本实用新型的风控系统，可以大大提高常规通风路基的功效，在有效降低路堤内部的温度场的同时避免路堤内部正温与负温之间波动过大的弊端，最终对路基下部的多年冻土和路堤的稳定性起到有效的保护作用。同时，通过夏季风门的关闭可以有效阻止风沙在通风管内部的沉积，对延长通风管的使用寿命、保证通风管冬季内部的通风量也将发挥积极的作用。
本实用新型的工作原理为利用系统中的温度感应单元中的水体感应外界气温的变化。在外界气温低于0℃的时候，单元中的水体会发生冻结，并产生9％的体积膨胀，单元中的水体在冻结膨胀后会对周围的液压油产生压力，在液压油压力的作用下，推动液压活塞产生移动，并推动气流控制单元对打开通风管中的风门进行通风降温；将外界气温高于0℃的时候，温度感应单元中被冻结的冰体会发生融化，同时体积产生收缩，活塞在弹簧的作用下，回复到冻结前的位置，并关闭通风管中的风门，阻止热空气进入，起到保护路基内部冷能的作用。
系统组成系统由温度感应单元和控制单元两部分组成。
温度感应单元有两种设计。温度感应单元主要由放置于具有一定钢性的金属或非金属容器中的水体和液压油组成。在图1中的第一种设计中水体由具有耐地温老化的橡胶或塑料进行密封后组成若干个独立单元。该种设计的优点在于可以充分利用水在冻结成后产生的9％的体积膨胀量。在图2中第二种设计中，水体和液压油混装于容器中，利用水与液压油比重的不同两者可以自行分开。该种设计的缺点在于当水冻结的过程中具有一定的胶结作用，使冻结成的冰与容器的壁面产生较强粘合力，在一定程度上限制了冰体沿容器壁面切线向上的膨胀，从而对总体的膨胀量产生一定的影响。同时在容器的底部，在冻胀力的作用下易对容器产生破坏作用。
控制单元由活塞、传杆、弹簧和风门组成。
活塞可以在液压油和通过传杆在弹簧的作用下自由往复运动；传杆为钢性体，准确连接传导活塞与弹簧之间的作用力的大小；弹簧主要在气温高于摄氏0℃温度感应单元中冰融化后，起到使活塞回位的作用。风门与轴杆组成钢性整体，通过轴杆上部的连接点与传杆和弹簧的连接，在连接点的运动过程中就可以对风门起到自由的开启和关闭作用。
在实验室内模拟在如下条件铁路路基高度为4m，路基顶面宽度为10m，路基坡面为1∶1.5，通风管铺设埋深为3m，通风管为水泥管，管径为0.3m、管间距为0.6m；路基土体条件为干密度为1.5g/cm3，含水率为12.0％，试验土体为兰州黄土；结合青藏高原实测气温资料，以及气温日变化和全年日平均值变化特征，设定自动温控系统的控制温度设定在0℃，即在气温大于0℃时气流控制风门处于关闭状态，气温小于0℃时气流控制风门处于开启状态。气温条件结合实测资料作近似调整不考虑全球气候转暖的因素的影响，设定气温在6℃～-16℃范围内做正弦波动。在考虑上述条件下，模拟计算普通通风路基和自动温控通风路基下部11年，天然土体20m范围内的温度场的变化过程。计算结果见图A和图B。图A表示普通通风路基的计算结果，图B显示自动温控通风路基的计算结果。
通过对比两种情况下的计算结果可以看到，自动温控通风路基在第三年的十一月份，5m的深度上地温就已达到-1℃的稳定温度，而普通通风路基则要第九年的一月份才能在5m的深度上达到-1℃的稳定温度。另外图中2m范围内红色线表示零度等温线，通过两种情况的对比不难发现，自动温控通风路基的零度等温线仅在1m的范围内波动，并有逐渐减缓的趋势；而普通通风路基零度等温线的波动范围则达到约2m的范围。由此可以看见，自动温控通风路基无论在降低多年冻土地温场的温度方面，还是在减少地温波动幅度方面都具有显著的作用。
同时，在室内采用图C实施例二结构进行了相关的液压自动温控通风装置温度感应单元室内冻结过程试验。在试验过程中，在直径为20cm的有机玻璃容器中加注了4000ml的水，并在其上部加注航空液压油至测量容器的零位。有机容器在经过完整冻结后，在测量容器中的航空液压油的油面上升至342ml的刻度，即液面产生34.2cm的位移。经过计算，温度感应单元的在采用图C实施例二结构条件下，温度感应单元的水体的体积膨胀量为0.855％。由此可见在温度感应单元与活塞尺寸比例使用合理的情况下，活塞的移动距离完全可以满足制动单元位移量的要求。
权利要求1.一种路基的液压自动温控通风装置，包括设在路基下的通风管；其特征在于在通风管上设自动温控装置；其中所述的自动温控装置包括温度感应单元；及控制单元，与所述的温度感应单元相连，由温度感应单元控制其动作；气流控制单元，与所述的控制单元相连，由控制单元控制其开关。
2.如权利要求1所述的路基的液压自动温控通风装置，其特征在于所述的温度感应单元包括密闭容器及装于容器内的水和液压油。
3.如权利要求2所述的路基的液压自动温控通风装置，其特征在于所述的密闭容器内的水可封装于塑性封闭容器中或直接与液压油混装。
4.如权利要求2所述的路基的液压自动温控通风装置，其特征在于所述的控制单元与温度感应单元相连，该控制单元包括活塞及与活塞相连的传杆、及与传杆相连的弹簧；其中所述的活塞由温度感应单元的液压油推动。
5.如权利要求1所述的路基的液压自动温控通风装置，其特征在于所述的气流控制单元包括风门和与风门相连的轴杆。
6.如权利要求4或5所述的路基的液压自动温控通风装置，其特征在于所述的轴杆与控制单元的传杆与弹簧的连接点相连。
7.如权利要求5所述的路基的液压自动温控通风装置，其特征在于所述的风门由单个或多个叶片组成。
专利摘要本实用新型涉及一种路基的液压自动温控通风装置；该装置可根据外界温度的变化自动控制通风管中的气流，可以有效提高通风路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖风进入通风管引起的加热负作用，以及由此而引起的通风管周围温度的振幅过大，在含水率高的地段会导致其中水分冻结和融化所导致的较大程度的冻胀、融沉和路基沉陷，以及对路基的稳定性产生一定程度的负面作用等工程病害问题。
文档编号E02D27/32GK2633952SQ0321874
公开日2004年8月18日 申请日期2003年4月2日 优先权日2003年4月2日
发明者俞祁浩, 程国栋, 马魏 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所