CN109371952A - 一种保护土体温度的复合结构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保护土体温度的复合结构及其使用方法，该复合结构包括保温材料层（1）和设在其底部的三维立体弹性网层（2）；所述三维立体弹性网层（2）具有一定厚度，其在受力时能够被压扁，放力后能够伸展顶起其顶部的保温部分。本发明中复合结构弹性良好、厚度可变，便于机械收放和二次覆盖，不易破损，同时复合结构在铺设后相当于撑起一层的空气层，而空气是热的不良导体，大幅增强了整个复合结构的保温性能。本发明中复合结构进一步在保温材料层上下表面设置隔水材料层，确保了保温材料的性质长期稳定，防止保温效能变化。

Description

一种保护土体温度的复合结构及其使用方法

技术领域

本发明涉及冻土地区工程建设技术领域，尤其涉及一种保护土体温度的复合结构及其使用方法。

背景技术

冻土是指具有负温和含冰的土体和岩石，一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）、季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，持续二年或二年以上）。我国多年冻土分布面积约215万平方公里，约占国土面积的22%，占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山等地区。在冬季气温低于0℃的地区，基本都存在短时冻土、季节冻土的发育，基本占到国土面积的70%。

冻土中水分冻结成冰会引起土体体积膨胀，而且冻土的强度较未冻土强度增大很多。当温度升高时，冻土融化形成融土，此时土体体积缩小，强度也会降低，渗透性增加。在季节冻土区，冷季、或环境温度低于0℃时土层由于温度降到零度以下而发生冻结；暖季、或环境温度高于0℃时土层升至零度以上而融化，这种物理作用就是冻融作用。由于季节冻土分布范围较广，使得近年来随着西部大开发的积极推进，围绕能源、交通、水利等有关的寒区重大工程正逐步在西部山区和高原寒区实施。在这些工程施工建设过程中，不可避免地会遇到土体的冻融问题。

其中，在季节冻土区水利建设中土体的冻融问题尤为突出，当所建设的水电站是土心墙堆石坝时，由于土心墙是采用土体夯实而成，作用在于防渗，其施工质量直接关系大坝安危和安全运营，其中土体的密实度是重要控制指标之一。在冬季施工中，（1）由于填筑土体的冻结和强度的急剧增高，土体难以密实、难以达到要求；（2）被密实的土体由于冻胀作用，体积会发生膨胀、蓬松，密实度下降也达不到施工质量要求；（3）冻融作用、水分迁移会在土体中形成冰夹层等冻融结构，改变已有土体结构，会对土体渗透性产生重要影响；（4）已有研究结果表明，即使松散土体，在反复冻融作用下，由于微细观结构的改变，土体的渗透性、力学特性也会发生不同程度的改变。因此，可以看到，在工程冬季施工过程中，土体的防止冻结是工程建设面对的重要冻土问题。在季节冻土和多年冻土区，工程施工中保证土体在填筑前、后不发生冻结对于确保工程质量、缩短工程周期、降低工程造价具有重要的意义和现实需要。

目前，在冬季水电站是土心墙堆石坝的施工中，为防止土料冻结，通常采用覆盖保温材料的方法：选用导热系数较小的保温合成材料，如聚酞胺薄膜、泡沫塑料、土工布等，覆盖在需要保温的部位，通过阻挡热量散失达到保温的目的。而且，在冬季水电站是土心墙堆石坝的施工中，已经填筑的大坝心墙是防控重点，特别是高坝、特高坝，现场填筑面积往往可以达到上万平方米、甚至几万平方米，填筑心墙长度、宽度都可以达到上百、甚至几百米，在该种情况下，为保证现场工作效率，保温材料的覆盖、回收只能通过大型机械进行。

但是，这种机械收放方式面对以下难题：（1）要求保温材料不能太厚，否则缠绕保温材料的滚轴太粗、太重，机械收放滚筒无法一次进行单向、单幅保温材料的释放或回收；但是，如果保温材料不厚的话，保温效能得不到保证。（2）在极端低温环境条件下，如果存在已有保温材料无法避免覆盖土体发生冻结、需要进行第二层保温材料覆盖的情况，大型机械无法在已覆盖保温材料的场地上进行二次覆盖，否则已经覆盖的保温材料极易在大型机械的碾压下破损。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种保护土体温度的复合结构，在具备突出保温效能的基础上，其同时具备良好弹性，厚度具有可变性，便于机械收放和二次覆盖。此外，本发明还相应提供了该复合结构的使用方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种保护土体温度的复合结构，包括：保温材料层和设在其底部的三维立体弹性网层；所述三维立体弹性网层具有一定厚度，其在受力时能够被压扁，放力后能够伸展顶起其顶部的保温部分。

优选的，所述复合结构还包括分别设在所述保温材料层上下表面的隔水材料层。

优选的，所述三维立体弹性网层具体为三维土工网垫。

优选的，所述三维土工网垫呈均匀分布的高低起伏状。

优选的，所述复合结构还包括设在所述三维立体弹性网层底部的水平柔性网。

优选的，所述三维立体弹性网层由橡胶丝或者塑料制成。

相应地，本发明还提供了一种保护土体温度的复合结构的使用方法，包括：直接将复合结构铺设在土体表面上；或者，先使土体表面形成凹凸起伏的垄沟状，然后再铺设所述复合结构。

优选地，还包括在铺设所述复合结构之前，刨松土体。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、（1）弹性良好、厚度可变，便于机械收放和二次覆盖

本发明复合结构中，保温材料层底部设有三维立体弹性网层，使得整个复合结构厚度具有可变性，在大型机具铺设过程中，复合结构在铺放后，下层弹性支撑部分在自身弹性作用下，会伸展将上层保温部分顶起，总厚度可以达到保温部分厚度的几倍；相反，在回收过程中，随着机具的缠绕收紧，复合结构的厚度快速减少，其厚度与其中的保温部分基本相当，占用空间小。同时，弹性支撑部分的存在能够有效减小机械二次覆盖时对保温部分的损坏。

（2）保温性能得到增强，保温效果好

本发明中，复合结构在铺设后由于三维立体弹性网层的弹性伸展，能够在地表所形成的厚达几厘米的空气层，该厚度远大于一般土工布几个毫米的厚度，由于空气是热的不良导体，导热系数仅为0.0267W/( m·K)，立体三维结构对空气的相对阻隔作用，形成相对静止的空气，都进一步增加了保温效果。因此，本申请复合结构的保温效果能够达到一般土工布几倍的保温部分效果。由此充分满足实际工程对于保温材料的收放厚度基本不变，而保温性能成倍增加的特殊要求。

综上，相较现有技术，取得相同保温效果情况下，本发明复合结构所需厚度大幅减小。

2、以往铺设保温材料都是直接铺设在土料表面，且保温材料未做防水处理，这样一来当土料表面的水分蒸发时会直接接触到保温材料下表面，在清晨空气中的水分会直接接触保温材料的上表面，与此同时一部分水分会渗透进保温材料内部。此类情况发生时，当在遇到低温环境这些水分会发生凝结，使得保温材料上下表面发生冻结，从而改变保温材料性质，使其丧失保温效果。

本发明复合结构中，进一步在保温材料层上下表面设置隔水材料层，隔水材料层的存在能够阻隔夜间凝结水进入保温材料层，确保了保温材料的材料性质长期稳定，防止保温性能变化。

3、本发明复合结构中，进一步在三维立体弹性网层底部设置水平柔性网，既能防止土料进入三维立体弹性网层中，又能在一定程度上保证三维立体弹性网层形成的空气层整体、稳定存在，进一步增强保温效果。

4、相较现有技术中保温材料的单一结构，本发明中复合结构总体强度大，不会因为多次收放而损坏，在保证土体温度的同时减小了维护成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的复合结构的纵剖面示意图。

图2为本发明实施例提供的复合结构中保温部分的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的复合结构中支撑部分的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的复合结构的实验结果对比图。

图中：1—保温材料层，2—三维立体弹性网层，3—隔水材料层，4—水平柔性网，5—土体表面。

具体实施方式

参考图1，本发明实施例提供了一种保护土体温度的复合结构，其具体包括位于上部的保温部分和位于下部的支撑部分，保温部分为保温材料层1，支撑部分为设在保温材料层1底部的三维立体弹性网层2，两者固定连接在一起；三维立体弹性网层2具有一定厚度，可以达到5~10cm，其在受力时能够被压扁，放力后能够伸展顶起其顶部的保温部分。

参考图2，保温部分还包括分别设在保温材料层1上下表面的隔水材料层3，隔水材料层3具体可以采用不透水的柔性薄膜，厚度小于1cm，与保温材料层1上下表面压制成整体。

参考图3，三维立体弹性网层2具体可以采用具有弹性的三维土工网垫，比如三维土工网垫整体呈均匀分布高低起伏状，每个凸起、凹下尺寸一致，其上顶面与保温材料1通过粘接、缝合等方式实现连接。

这里需要特别说明的是，现有技术中，三维土工网垫一般是用来植草固土的。因此，本发明中，将其用来参与冻土土体保温，使得本发明复合结构便于机械收放和二次覆盖，使得本发明复合结构保温性能得到增强，取得预想不到的技术效果，这是经过创造性劳动才能获得的。

进一步地，可以在三维立体弹性网层2底部设置水平柔性网4，在实际制作过程中，可以在三维弹性网制作过程中一次完成，也可以通过后续的粘接、缝合等方式完成连接。水平柔性网4的网眼设计得尽量小些，可由塑胶制成，一方面用于隔土料，防止土料进入三维立体弹性网层2中，另一方面保证三维立体弹性网层2形成的空气层整体稳定存在。

在实际应用中，保温材料层1可以采用导热系数较小、保温性能较好、强度较高的常规保温材料，比如土工布等。三维立体弹性网层2可以由橡胶丝、或塑料制成。

基于上述实施例公开的保护土体温度的复合结构，提供相应的使用方法。在实际应用中，可以直接将复合结构铺设在土体表面5上，如果土体表面5以下的土体是密实土体，为增加保温性，可以将其刨松为松散土体。

或者，可以先通过机械农具使土体表面5形成凹凸起伏的垄沟状，然后再铺设复合结构，这样的话，增加复合结构与土体表面5之间的空气层，进一步增加保温性。

本发明复合结构的防冻功效验证实验

为验证本发明的实际保温效能，在四川雅江县两河口水电站季节冻土区进行了现场小型试验。

在试验场地，覆盖本发明复合结构，规格为2m×6m，保温部分为外侧两层0.3mm厚度的隔水塑料，中间为1.5mm厚度的常规土工布；支撑部分为1.5cm高的三维立体弹性网层及网格为0.3×0.3cm水平塑胶网构成。

参考图4示出的实验结果对比图，可以看出，以地表下5cm处为例，传统土工布保温场地地温随时间变化呈现剧烈波动，而覆盖本发明措施场地温度始终保持在一个较为稳定的范围内。通过此处数据分析：传统土工布保温场地地下5cm位置温度最高温29.8℃，最低温-4.6℃，温差将近35℃，且出现负温，表明土料发生了冻结。而本发明措施的场地，地下5cm位置温度最高温19.5℃，最低温2.7℃，温差22℃，没有出现负温，说明土料未发生冻结，证明本发明对土体保温的效果明显。

基于此，在未使用土料堆放场地，将土料用本发明复合结构覆盖，可以保证土料处在一定较高温度，用这些未冻结的土料直接可以进行填筑施工，不影响施工；在填筑后的场地，将土体用本发明复合结构覆盖，直到下一次施工时揭开，可以保证土体温度始终处于0℃以上而不发生冻融，保证施工的质量。这样一来就可以保证寒区工程的连续施工，还可以提高分层填筑衔接面衔接质量。另外，填筑好的坝体或其他地基储存的热能将会不断增加，大量的热能又可以抵抗长时间的低温坏境。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种保护土体温度的复合结构，其特征在于，包括：

保温材料层（1）和设在其底部的三维立体弹性网层（2）；

所述三维立体弹性网层（2）具有一定厚度，其在受力时能够被压扁，放力后能够伸展顶起其顶部的保温部分。

2.如权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述复合结构还包括分别设在所述保温材料层（1）上下表面的隔水材料层（3）。

3.如权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述三维立体弹性网层（2）具体为三维土工网垫。

4.如权利要求3所述的复合结构，其特征在于，所述三维土工网垫呈均匀分布的高低起伏状。

5.如权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述复合结构还包括设在所述三维立体弹性网层（2）底部的水平柔性网（4）。

6.如权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述三维立体弹性网层（2）由橡胶丝或者塑料制成。

7.一种权利要求1所述复合结构的使用方法，包括：

直接将复合结构铺设在土体表面上；或者，先使土体表面形成凹凸起伏的垄沟状，然后再铺设所述复合结构。

8.如权利要求7所述的使用方法，其特征在于，还包括在铺设所述复合结构之前，刨松土体。