專利名稱：路基的自動溫控通風裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在多年凍土地區進行工程建筑中，有效保護下部多年凍土穩定性的工程建筑基礎降溫的裝置，尤指一種路基的自動溫控通風裝置。
隨著國民生產和地區經濟的發展，我國現已在多年凍土地區不斷進行鐵路、公路、輸油管線、光纜等工程建筑的建設。由于人為工程措施的影響，改變了地表換熱條件，特別是在青藏高原太陽高輻射地區，由于人為工程使實施后工程建筑吸熱面、吸熱量大為增加，使得各種工程措施基礎下部的多年凍土的熱量總體平衡遭到破壞，總體熱量收入大于支出，使得多年凍土的溫度不斷升高，多年凍土中的厚層地下冰不斷融化，由此導致工程建筑的基礎不斷下沉，嚴重影響各種相關工程的正常運營。目前正在建設中的青藏鐵路格拉段將穿越約547km多年凍土地段，全線線路海拔高程大于4000m地段約960km，在唐古拉山越嶺地段，線路最高海拔為5072m，為世界鐵路海拔之最。“高原”和“凍土”問題是青藏線施工的兩大難題，其特殊性和復雜性在世界上獨一無二，是現目前國內、乃至世界上在凍土條件最為復雜情況下進行的一項重大工程。與我國東北和世界上其它地區的多年凍土相比，青藏線所在的多年凍土地區的多年凍土類型最為多變、多年凍土受外界條件變化影響最為敏感、凍土路基穩定性最為薄弱。青藏公路的長期研究和實踐經驗表明，地下冰是影響凍土路基穩定的最為重要的影響之一，是產生凍融災害或者不良凍土工程現象的根本問題。地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結果就會造成地下冰融化，導致路基產生融化下沉破壞。對于橋涵、路塹、高邊坡等工程建筑物，高含冰量凍土的影響是極為關鍵的問題。因此，是否能采取和使用有效、實用的工程保護措施和技術，保護工程基礎下部的多年凍土少受或免受上部工程建筑的影響，就成為青藏鐵路和各種凍土工程建設成敗所在。目前就工程與凍土的相互作用的研究較多，但從工程實際應用角度如何切實地有效地解決其相互作用問題的成功措施不多。中國科學院“西部之光——凍土工程中保護凍土溫控關鍵技術研究”，中國科學院知識創新工程的重大項目“青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環境效應”(No.KZCX1-SW-04)，國家自然科學基金重大項目(90102006)，“973”國家重點基礎研究發展規劃項目(2002CB412704)等課題就是針對上述關鍵實際工程問題而開展了專題研究。
目前，用于保護鐵路、公路等線性工程下部多年凍土的工程措施主要有在路堤中加裝通風管、保溫材料、拋石護坡、遮陽板、使用熱管和提高路堤等措施達到保護路基下部多年凍土的目的。其中通風路基在凍土保護措施中以其簡便、快捷等優點在工程措施中得到一定程度的應用。其工作原理是在鐵路、公路或其它線性工程中的路基基礎中，在與線性工程走向垂直的方向、在其一定深度的部位、按照一定的間距、平行埋設多個一定口徑的水泥管或PVC管(見示意圖2)。在空氣溫度較低、由于太陽輻射造成路基內部積累了一定程度的熱量的條件下，利用空氣在流經管道的時候通過對流換熱帶走管壁周圍的熱量，低通風管周圍介質的溫度，從而達到穩定多年凍土穩定性的目的。但存在的突出問題是在春末、整個夏季和秋初，空氣溫度大多高于路基內部溫度，在這種條件下，通風路基非但不能對路基進行降溫，反倒對路基起到加熱的反作用。由此會大大降低通風路基的降溫效果，加大通風管周圍溫度的振幅，在含水率高的地段會由于其中水分凍結和融化導致路基的凍脹和融沉；在部分地區由于融化范圍過大還會導致多年凍土上部地下冰的融化所導致的路基沉陷；同時由于較大幅度的凍融循環也會對路基的穩定性產生一定程度的負面作用。
本發明的目的還在于通過路基的自動溫控通風大大提高通風路基功效的同時，通過對鐵路、公路路堤或建筑物底部多年凍土的溫度場起到很好的穩定作用的同時，可以降低路堤要求的最低高度，大大減少工程造價，縮短建設周期。
本發明的目的可通過如下措施來實現一種路基的自動溫控通風裝置，包括設在路基下的通風管；其特征在于在通風管上設自動溫控裝置；其中所述的自動溫控裝置包括溫度感應單元，由其感應路基處的溫度變化；及制動單元，所述有制動單元由溫度感應單元控制其動作；氣流控制單元，所述的氣流控制單元由制動單元控制其開關。
所述的溫度感應單元包括具一透光面的密閉盒及設于盒內的吸熱板。
所述的密閉盒由保溫材料制成，所述的吸熱板由黑色吸熱材料制成。
所述的制動單元設于溫度感應單元內，由記憶合金彈簧和普通彈簧連接而成。
所述的制動單元的記憶合金彈簧和普通彈簧直線相連，或以一夾角相連。
所述的記憶合金彈簧選自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基記憶合金中的一種。
所述的氣流控制單元包括風門和與風門相連的軸桿，其中所述的軸桿與制動單元的記憶合金與普通合金的連接點相連。
所述的風門由單個或多個葉片組成。
本發明的原理是當外界氣溫高于系統設定溫度條件下，系統自動關閉通風管的風門，阻止外界熱量的進入通風路基內部；當外界氣溫高于系統設定溫度條件下，系統自動打開通風管的風門，對通風管周圍的介質進行通風換熱和降溫。
其工作原理為利用記憶合金彈簧在高于奧氏體(Austenite)相變溫度Af環境下，具有相對較高的彈性系數，和在低于馬氏體(Martenite)相變溫度Mf環境下具有相對很低的彈性系數的特點，通過對記憶合金彈簧(shapememory spring以下簡稱SMS)與普通彈簧(general spring以下簡稱GS)的結合(以下簡稱復合彈簧)，就可以在不同溫度環境條件下進行不同的相互作用，即在高于Af溫度環境下，SMS的彈性系數高于GS的彈性系數，SMS可以對GS完成推動作用；而在低于Mf溫度環境下，SMS的彈性系數低于GS的彈性系數，GS可以對SMS完成反向推動作用。Af、Mf可以通過結合現場輻射條件、溫度條件和室內試驗，在加工和處理記憶合金彈簧的過程中完成設定。通過復合彈簧與風門軸桿的連接，就可以完成不同溫度條件下對風門開啟或關閉的動作，從而達到控制氣流的目的。
本發明相比現有技術具有如下優點充分避免了春末、整個夏季和秋初，空氣溫度大多高于路基內部溫度條件下，通風管對路基加熱的反作用；減緩了現有通風管周圍溫度振幅過大的問題，以及由此而引起在含水率高的地段由于其中水分凍結和融化所導致路基凍脹和融沉的工程問題。由于自動溫控系統的控制，會使路基內部在冬季富集的冷能得到較好的保存，同時在氣溫較高的時期還會利用青藏高原夜間溫度較低的特點，會自動打開風門對通風管周圍的介質進行降溫，這對路基下部多年凍土的穩定性起到很好的促進作用，由此會大大提高通風路基保護多年凍土的功效。
本發明的自動溫控裝置可以根據外界溫度的變化自動控制通風管中的氣流，可以有效提高通風路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖風進入通風管引起的加熱負作用，以及由此而引起的通風管周圍溫度的振幅過大，在含水率高的地段會導致其中水分凍結和融化所導致的較大程度的凍脹、融沉和路基沉陷，以及對路基的穩定性產生一定程度的負面作用等工程病害問題。
所述的記憶合金彈簧選自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基記憶合金中的一種。
所述的氣流控制單元包括風門4和與風門4相連的軸桿5，其中所述的軸桿5與制動單元的記憶合金彈簧6與普通彈簧8的連接點相連。
所述的風門4由單個或多個葉片組成。
本發明的工作過程如下溫度感應單元記憶合金的Af、Mf存在20℃一個較大的溫差，如果Mf的溫度設定在0℃，Af往往在20℃左右。一般要求通風路基通風管的開啟或關閉在年平均氣溫變化到0～3℃范圍內完成，即在發生氣溫波動的當日或幾天之內完成通風管的開啟或關閉。青藏高原氣溫的日變化幅度和季節之間的變化幅度往往為10～15℃，如果復合彈簧僅靠氣溫提供的溫度環境很難達到工作要求的環境溫度，即在氣溫高于0～3℃時，工作環境溫度達到20℃以上。需要注意的是，青藏高原的氣溫變化與太陽輻射具有較好的相關性，由此設計的溫度感應盒可以充分利用這種特性，對氣溫的變化起到一個放大作用。為復合彈簧的提供要求的工作溫度。
溫度感應單元主要由密閉容器、吸熱板和保溫材料組成。吸熱板安裝于密閉容器的頂部外表面；或安裝在頂部的內表面，此時密閉容器的頂表面為透光材料。密閉容器的其余各內表面加裝一層一定厚度的保溫材料，主要起到盒內溫度與外界氣溫按一定比例的平衡作用。
制動單元由復合彈簧、軸桿和風門組成。復合彈簧安裝在溫度感應單元的內部，在其提供的溫度變化條件下，完成要求的規定動作。通過與復合彈簧相連的軸桿帶動風門的開啟或關閉。復合彈簧中的記憶合金是指Ti Ni二元系、TiNi-X三元系、Cu基、Fe基等形狀記憶合金中的一種。
在實驗室內模擬在如下條件鐵路路基高度為4m，路基頂面寬度為10m，路基坡面為1∶1.5，通風管鋪設埋深為3m，通風管為水泥管，管徑為0.3m、管間距為0.6m；路基土體條件為干密度為1.5g/cm3，含水率為12.0％，試驗土體為蘭州黃土；結合青藏高原實測氣溫資料，以及氣溫日變化和全年日平均值變化特征，設定自動溫控系統的控制溫度設定在0℃，即在氣溫大于0℃時氣流控制風門處于關閉狀態，氣溫小于0℃時氣流控制風門處于開啟狀態。氣溫條件結合實測資料作近似調整不考慮全球氣候轉暖的因素的影響，設定氣溫在6℃～-16℃范圍內做正弦波動。在考慮上述條件下，模擬計算普通通風路基和自動溫控通風路基下部11年，天然土體20m范圍內的溫度場的變化過程。計算結果見圖A和圖B。圖A表示普通通風路基的計算結果，圖B顯示自動溫控通風路基的計算結果。
通過對比兩種情況下的計算結果可以看到，自動溫控通風路基在第三年的十一月份，5m的深度上地溫就已達到-1℃的穩定溫度，而普通通風路基則要第九年的一月份才能在5m的深度上達到-1℃的穩定溫度。另外圖中2m范圍內紅色線表示零度等溫線，通過兩種情況的對比不難發現，自動溫控通風路基的零度等溫線僅在1m的范圍內波動，并有逐漸減緩的趨勢；而普通通風路基零度等溫線的波動范圍則達到約2m的范圍。由此可以看見，自動溫控通風路基無論在降低多年凍土地溫場的溫度方面，還是在減少地溫波動幅度方面都具有顯著的作用。
權利要求
1.一種路基的自動溫控通風裝置，包括設在路基下的通風管；其特征在于在通風管上設自動溫控裝置；其中所述的自動溫控裝置包括溫度感應單元，由其感應路基處的溫度變化；及制動單元，所述有制動單元由溫度感應單元控制其動作；氣流控制單元，所述的氣流控制單元由制動單元控制其開關。
2.如權利要求1所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的溫度感應單元包括具一透光面的密閉盒及設于盒內的吸熱板。
3.如權利要求2所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的密閉盒由保溫材料制成，所述的吸熱板由黑色吸熱材料制成。
4.如權利要求2所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的制動單元設于溫度感應單元內，由記憶合金彈簧和普通彈簧連接而成。
5.如權利要求4所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的制動單元的記憶合金彈簧和普通彈簧直線相連，或以一夾角相連。
6.如權利要求4所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的記憶合金彈簧選自Ti-Ni二元系、Ti-Ni-X三元系、Cu基、Fe基記憶合金中的一種。
7.如權利要求1或4所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的氣流控制單元包括風門和與風門相連的軸桿，其中所述的軸桿與制動單元的記憶合金彈簧與普通彈簧的連接點相連。
8.如權利要求7所述的路基的自動溫控通風裝置，其特征在于所述的風門由單個或多個葉片組成。
全文摘要
本發明涉及一種路基的自動溫控通風裝置；該裝置可根據外界溫度的變化自動控制通風管中的氣流，可以有效提高通風路基的制冷效果，并可以避免在夏季暖風進入通風管引起的加熱負作用，以及由此而引起的通風管周圍溫度的振幅過大，在含水率高的地段會導致其中水分凍結和融化所導致的較大程度的凍脹、融沉和路基沉陷，以及對路基的穩定性產生一定程度的負面作用等工程病害問題。
文檔編號E02D27/35GK1478963SQ03114640
公開日2004年3月3日 申請日期2003年4月2日 優先權日2003年4月2日
發明者俞祁浩, 程國棟, 馬魏 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所