[我国多年冻土地区热棒应用探析] 冻土热棒

时间：2019-06-02 03:19:51　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　1.热棒应用背景　　冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土，可分为多年冻土和季节冻土。我国多年冻土分布面积位居世界第三，青藏公路、大小兴安岭地区林区公路等均穿越多年冻土。冻土对道路的稳定性构成很大的威胁，是多年冻土地区道路破坏的主要原因之一，常见的道路破坏现象有：冷季冻胀引起的道路不均匀变形及裂缝；暖季融沉，导致道路出现翻浆、冒泥、路基滑塌和路面沉降。在道路施工中，最大限度地减少对多年冻土层的影响和破坏，是保证多年冻土地区路基稳定的重要因素。
　　目前处理冻土路基的工程措施分为两大类：被动工程措施和主动地温调控措施。主动地温调控措施主要包括调控传导和调控对流的方法，已有的调控对流的方法包括通风路基、碎石路基及热棒。热棒在寒区基础工程中的应用，解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，保障了多年冻土路基的稳定。
　　我国在20世纪70年代初才开始研究和应用热棒，热棒在青藏公路、青藏铁路路基上已广泛应用。
　　2.国内外应用概况
　　国外关于多年冻土地区公路工程研究方面详尽而全面的资料不多，而且欧亚大陆、北美大陆工程涉及的冻土受纬度的控制，基本上属于低温冻土，冻土环境的变化受人为的干扰较小，冻土比较稳定。
　　我国多年冻土地区公路修筑技术始于上世纪70年代，交通部科学研究院、中交第一公路勘察设计院、重庆交通科研设计院、西藏自治区交通科学研究所、中科院寒区旱区环境与工程研究所、长安大学、铁道科学研究院西北所、青海省交通厅等单位先后主持或参加青藏公路建设的科学研究工作。分别在多年冻土的工程分类、多年冻土地区路基的设计原则、路基的热稳定性（温度场）、冻土的强度、冻土的水热力耦合理论及冻土的防护措施等方面对青藏公路的建设起到了推进作用。国内目前对热棒的检测主要着重于热棒的启动性能和等温性能，这两个参数是热棒效果评价的关键。
　　3.热棒的简介
　　3.1 热棒的背景及结构
　　低温热管技术是60年代发展起来的，是无需外加动力、用于寒区土木工程中的冷冻技术。其利用液气的转换对流循环实现热量传输，是无源冷却系统中热量传输效率最高的装置。热棒（无芯重力式热管、热虹吸管）是低温热管技术的一种应用新技术，是直立气液两相对流循环的单向传热系统，主要应用于寒区冻土层路基的保护。它是一根密封的钢管，里面高压充有工作物质（工质），如氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等。管子分为上下两段：上部焊以散热叶片，称为冷凝段；下部埋入多年冻土中，表面涂有防腐涂层，称为蒸发段。
　　3.2 热棒的工作原理
　　热棒具有独特的单向传热性能：热量只能从地面上端传输，反向不传热。在寒冷季节，空气温度低于多年冻土温度，蒸发段中液体工质吸收多年冻土中的热量而蒸发，蒸汽在管内压差的驱动下沿热棒中心通道向上流动至冷凝段，与相对温度较低的冷凝段管壁接触后放出汽化热冷凝成液体，液体工质在重力作用下沿管壁流回蒸发段再蒸发，如此循环将大气的冷量源源不断地传到多年冻土中，从而降低多年冻土温度，防止多年冻土发生融化，提高路基稳定性。在温暖季节，由于空气温度高于多年冻土温度，热棒停止工作。
　　3.3热棒的优点
　　①无需外加动力，无运动部件，运行无噪声；②单向传热，传热能力强，传热效率高；③起动温差小，适用温度范围广；④价格便宜，应用灵活，安装简便；⑤安全可靠，结构坚固，不易损坏，无需日常养护维修，工作寿命30年以上；⑥无有害物质，符合环保要求。
　　4.路基病害特征及热棒路基的适用场合
　　4.1路基病害类型及分析
　　冻土地区路基病害的主要表现形式为路基纵向裂缝、不均匀沉陷及波浪扭曲变形。
　　①纵向裂缝形成机理：冻融疏松和路基土体的强度不均匀引起路基产生纵向裂缝。冻融疏松造成强度下降,当荷载或冻胀引起的拉应力超过土体的容许拉应力时就会发生断裂现象，在车辆荷载及周期性气候的反复作用下裂缝将不断扩展和增大。
　　②不均匀沉陷及波浪扭曲变形形成机理：冻土周期性融化过程伴有水分迁移，而冻土不透水性和下冻土层的高强度不可变性，致使融化界面出现高含水土层，在荷载作用下会产生水平位移变形，加上荷载反复作用，路基变形严重产生冲击荷载，加大了波浪扭曲变形；同时冻融和水分蒸发造成边坡和露肩的疏松。
　　4.2热棒路基的适用场合
　　热棒是保护冻土的一项措施，可以在多年冻土融化发生时使用。在不连续多年冻土区，可安装热棒来提高下部土体温度的连续性和稳定性。由于不连续多年冻土比连续多年冻土温度高，因此对于热扰动更加敏感。此外，弱冻结、非冻结土体可以被加固使其稳定，并且可渗透的土体在热棒作用下变得不可渗透；在冻结地基中，气候变化和热扰动将引起预先冻结地基的融化和退化。如果地基重新被冻结，反复的融化和冻结将会引起冻胀、融沉、沼泽化以及蠕动，地基在几个冻融季节之后将被破坏，而使用热棒技术可克服这些问题。
　　热棒在寒区基础工程中的应用，解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，增加冻土地基的强度，保障了多年冻土地基的稳定。青藏铁路分别在清水河和安多设置了热棒试验段。研究结果表明，采用热棒后，路基冷储量显著的增加。热棒对冷却地基、抬高多年冻土上限具有明显的效果。
　　

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