斜坡冻土区装配式自通风路基结构的制作方法

本实用新型涉及路基工程，特别涉及斜坡冻土区装配式自通风路基结构。

背景技术：

季节性冻土是川藏铁路修建难点之一，在路基工程中如果不能有效解决季节性冻土冻融循环问题，必然会引起路基不均匀沉降，影响行车安全。对于冻土地区路基结构的处理，我国在修建青藏铁路时进行过大量的方案比选及现场测试，有些方案直接用于正线，积累了大量的工程经验。

但是，川藏铁路与青藏铁路存在着两个显著差异：1)地形地貌不同，青藏线以平坦高原地势为主，川藏铁路几乎修建于艰险山区地段；2)设计速度不同，川藏铁路设计时速为160～200km/h，变形要求更高，需要更大的路基刚度保证更加严格的变形需求。

按目前川藏铁路的工程现状，路基结构需具备如下三功能才能满足工程建设需求，即：1)可预制，结构最好为完全预制构件，减少或避免现浇混凝土用量，以缩短工期、降低成本，提高施工效率；2)轻型装配式结构，将预制结构分割成块，小块轻型，便于运输，从工厂预制后运输至现场拼装即可成型，施工方便；3)具备自动温度调整功能，通过自通风功能实现，川藏线沿线条件极为恶劣，为了消除季节性冻土的影响，路基结构需要自带通风功能，尽量不消耗功率，节省成本及维护工作。

青藏铁路工程人员以调控热传导、辐射、对流为理论基础，以降低地基冻土温度、保持冻土热稳定性为根本前提，提出了片石气冷路基、通风管路基、碎石(片石)护坡或护道、热管、铺设保温材料等结构，保证了冻土工程的稳定可靠。然而这一系列的工程措施不能简单借鉴用于川藏铁路，如片石气冷路基在陡坡路堤地段仅有一侧与外界联通，没有形成通风通道，因而热交换效率低下，通风管路基、片石路基存在同样问题。此外，由于片石路基主要依靠片石之间空隙进行流通，空气流通通道有限，限制了热传递效率。随着我国铁路等级的不断提升，结构变形标准更加严格，采用传统片石、碎石等材料产生的变形难以满足行车舒适性的要求，需要采用刚度更大结构适应安全运营的需求。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，以有效保持地基冻土上限维持稳定状态，从而控制路基变形，满足线路平顺性的要求，而且路基施工方法，有利于节省建造成本及运营维护工作。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，包括路基基床和设置于路基之上的路基底层，其特征是：所述路基底层、路基基床之间沿线路方向连续设置通风层单元，各通风层单元由预制箱型构件横向成排、纵向成列拼装而成，各预制箱型构件的内部空腔相连通形成大面积自然通风通道；各通风层单元的两纵向端封闭，在横向外侧壁上纵向间隔设置与大面积自然通风通道相连通的下侧通风口，在横向内侧壁上纵向间隔设置沿坡面向上延伸的导风管，各导风管的内端与大面积自然通风通道相连通，外端形成高出路基基床顶面的上侧通风口。

本实用新型的有益效果主要体现如下方面：

一、在路基底层、路基基床之间沿线路方向连续设置通风层单元，其内形成大面积自然通风通道，热交换效率远远大于现有各技术措施，当外界温度变化时，在没有外部功率输入条件下，依靠自然通风通道的空气对流作用，保持地基冻土上限维持稳定状态，从而有效控制路基变形；

二、各通风层单元由预制箱型构件横向成排、纵向成列拼装而成，预制箱型构件可在工厂预制，小块轻型，运输方便，现场拼装即可成型使用，避免了传统混凝土浇筑带来的成本高、工期长、运输困难的问题；

二、基于热力学原理设计，考虑了当地气候环境、现场空气对流特征、热传递、地基条件等综合因素，提出了下通风口间距、上通风口间距、通风口高差等关键参数设计方法，可直接用于路基结构设计。

附图说明

本说明书包括如下九幅附图：

图1是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构一实施例的断面图；

图2是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构一实施例的断面图；

图3是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构一实施例的断面图；

图4是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构中通风结构层的平面图；

图5是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构中预制箱型构件的俯视图；

图6是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构中预制箱型构件的侧视图；

图7是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构中预制箱型构件的主视图；

图8是沿图7中a-a线的剖面图；

图9是本实用新型一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构中一种路基地层的结构及其上预制箱型构件拼装方式示意图。

图中示出构件和对应的标记：路基底层11、路基基床12、纵梁13、定位桩14、横梁15、预制箱型构件20、顶板21、底板22、立柱23、下侧通风口30、大面积自然通风通道40、纵向端41、横向外侧壁42、横向内侧壁43、斜向段51、竖向段52、上侧通风口53、路基通风高度h、为下侧通风口间距l1、上侧通风口间距l2

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

参照图1至图4，本实用新型的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构，包括路基基床12和设置于路基之上的路基底层11。所述路基底层11、路基基床12之间沿线路方向连续设置通风层单元，各预制箱型构件20的内部空腔相连通形成大面积自然通风通道40，各通风层单元由预制箱型构件20横向成排、纵向成列拼装而成。各通风层单元的两纵向端41封闭，在横向外侧壁42上纵向间隔设置与大面积自然通风通道40相连通的下侧通风口30，在横向内侧壁43上纵向间隔设置沿坡面向上延伸的导风管，各导风管的内端与大面积自然通风通道40相连通，外端形成高出路基基床12顶面的上侧通风口53。

参照图5至图8，所述预制箱型构件20的基础结构由顶板21、底板22和四根立柱23构成。顶板21、底板22板面呈矩形，立柱23设置于板面四角，其上端、下端分别与顶板21、底板22连接为一体。根据拼装位置不同，预制箱型构件20的结构亦有所变化，在通风层单元的两纵向端41上，预制箱型构件20具有的纵向侧壁，在通风层单元的横向外侧壁42和横向内侧壁43上，预制箱型构件20具有横向侧壁。

参照图1至图3示出的是路基底层11可采用的三种典型结构。为确保线路的平顺性，优选采用如图2、图9示出的框架梁结构，即所述路基底层11为由纵梁13、横梁15构成的框架梁，各预制箱型构件20坐落在两相邻纵梁13和两相邻横梁15构成的框架梁网格上。框架梁下于地基内间隔设置加固桩，加固桩桩顶与框架梁固结为一体。参照图9，为方便拼装预制箱型构件20形成通风层单元，并避免长期荷载作用下预制箱型构件20发生错位，所述框架梁上在纵梁13与横梁15交汇的节点上设置竖向向上延伸的定位桩14，定位桩14的横截面呈矩形或者圆形，预制箱型构件20的立柱23的横截面与之对应呈矩形或者圆形，相邻预制箱型构件20的立柱23外侧壁抵靠在定位桩14的侧壁上。

参照1至图3，所述导风管由斜向段51和竖向段52构成，斜向段51沿坡面向上延伸，其端口穿过通风层单元的横向内侧壁43与大面积自然通风通道40相连通。

参照图1，本实用新型在路基底层11、路基基床12之间沿线路方向连续设置通风层单元，其内形成大面积自然通风通道40，热交换效率远远大于现有各技术措施，当外界温度变化时，在没有外部功率输入条件下，依靠自然通风通道的空气对流作用，保持地基冻土上限维持稳定状态，从而有效控制路基变形。各通风层单元由预制箱型构件20横向成排、纵向成列拼装而成，预制箱型构件20可在工厂预制，小块轻型，运输方便，现场拼装即可成型使用，避免了传统混凝土浇筑带来的成本高、工期长、运输困难的问题。

参照图1，本实用新型的一种斜坡冻土区装配式自通风路基结构按如下步骤进行设计：

①收集现场设计资料，包括地质资料、全年温度变化及辐射条件、自然对流条件；

②根据收集资料及初步设计尺寸建立计算模型，对路基结构及周围材料、热力学边界等进行赋值；

③根据外界环境变化计算热传递能量及引起冻土温度变化，采用以下公式进行计算：

φ1＝λ·a·δt

tt1＝φ1/rc

式中：φ1为外界环境与冻土环境发生热传递时产生的热量，λ为导热系数，a传热面积，δt为外部环境与冻土之间温度差，tt1为热传递引起冻土温度变化值，rc为表层岩土体热阻；

④根据路基通风通道的尺寸计算自然对流条件下，通风通道排出的热量及引起冻土温度的变化，包括水平区域与倾斜区域的热量对流，水平方向对流热量记为φ2-h,倾斜方向对流热量记为φ2-v；

⑤判断水平区域与倾斜区域对流状态，按下式进行计算：

ra＞10⁹:瑞流

ra＜10⁹:层流

瑞流：

层流：

式中：为外界环境与冻土环境平均温度，t0为外界温度，tw框架混凝土温度，ra为瑞利数，gr为格拉晓夫数；

⑥水平方向的通风通道对流热量φ2-h及引起冻土的温度变化，采用以下公式进行计算：

af＝(l1-l2)·w

tt2-h＝φ2-h/rp

式中：l1为下侧通风口间距，l2为上侧通风口间距，n1为在l长度范围内路基下侧通风口数量，n2为l长度范围内路基下侧通风口数量，w为路基宽度；φ2-h为通风口水平部分对流传递的热量，h为通风通道高度，rp为片石混凝土或碎石层的热阻，tt2-h为通风口水平部分热量传递引起冻土温度的变化；

⑦倾斜方向的通风通道对流热量φ2-v及引起冻土的温度变化，采用以下公式进行计算：

af＝b·h

tt2-v＝φ2-h/rp

式中：b为上侧通风口宽度，h为上侧通风口与下侧通风口的高差，φ3-v通风口倾斜部分对流传递的热量，tt2-v为通风口竖向部分热量传递引起冻土温度的变化；

⑧根据冻土与通风通道之间的温度差，计算热传递的热量及冻土区温度变化，采用以下公式进行计算：

δt＝tt1+tt2；

⑨调整路基通风高度h、下通风通道间距l1、上通风通道间距l2，逐个进行计算，得到h、l1、l2与冻土上限处温度变化的关系；

⑩根据h、l1、l2与冻土上限处温度变化的关系，选择温度变化最小的温度参数，作为路基变形计算的输入条件，通过有限元计算软件计算温度变化引起的冻土上限变化，从而导致冻胀力、土体变形模量、融沉等参数的改变，将这些变化引起的路基变形进行叠加，得到路基最终变形；

⑾将路基最终变形与路基变形控制标准进行比较，若小于变形控制标准，认为设计参数h、l1、l2符合现场需求，若大于变形控制标准，则增加h、减小l1和l2后重新按照步骤2进行计算，直至变形计算结果满足控制标准要求。

上述设计方法基于热力学原理，考虑了当地气候环境、现场空气对流特征、热传递、地基条件等综合因素，提出了下通风口间距、上通风口间距、通风口高差等关键参数设计方法，可直接用于路基结构设计。

以上所述只是用图解说明本实用新型斜坡冻土区装配式自通风路基结构的一些原理，并非是要将本实用新型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。