多年凍土地區(qū)公路熱棒路基設(shè)計

胡 明，凌思德，黃承甲

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室)

多年凍土地區(qū)公路熱棒路基設(shè)計

胡 明，凌思德，黃承甲

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室)

多年凍土地區(qū)修筑路基是一世界性難題，熱棒路基是保護凍土的一種嘗試。在調(diào)查已建熱棒路基及試驗路段并掌握熱棒工作原理的基礎(chǔ)上，分析了熱棒路基的設(shè)計原則和依據(jù)，并提出了多年凍土地區(qū)熱棒路基的設(shè)計方法。

多年凍土;熱棒路基;設(shè)計原則

熱棒技術(shù)是一種廣泛用于土木工程中的無需外加動力源的冷凍技術(shù)，20世紀50年代末，美國陸軍工程兵團為了穩(wěn)定和養(yǎng)護多年凍土在美國首次應(yīng)用。20世紀80年代起，熱棒開始在我國使用，主要應(yīng)用在青藏鐵路高海拔多年凍土區(qū)上，許多科研單位都修筑了公路熱棒路基試驗段，但經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，公路熱棒路基邊坡土質(zhì)松散，含水量較大，且產(chǎn)生了縱向裂縫，不均勻沉陷變形等一系列病害。我國多年凍土面積約為占到國土面積的22.4%，合理的利用熱棒制冷，并提出一套合理的熱棒路基設(shè)計方法對多年凍土地區(qū)的公路修筑有重要意義。

1 熱棒路基工作原理

熱棒是一種液汽兩相對流循環(huán)熱傳輸裝置，它在溫差作用下驅(qū)動內(nèi)部工質(zhì)的氣液兩相對流循環(huán)。熱棒通過其蒸發(fā)段吸熱作用將周圍介質(zhì)熱量傳導(dǎo)到地面或地表，降低周圍介質(zhì)溫度，增加其周圍介質(zhì)的冷儲量，最終將大氣冷能儲存在介質(zhì)中。熱棒由一根密封的金屬管殼與內(nèi)部充裝的工質(zhì)組成。管的下部埋入介質(zhì)中，稱之為蒸發(fā)段;管的上部裝有散熱翅片，稱之為冷凝段，置于大氣中。當(dāng)冷凝段溫度低于蒸發(fā)段溫度時，蒸發(fā)段的液體工質(zhì)吸收周圍介質(zhì)的熱量，蒸發(fā)成蒸氣。在壓差作用下，蒸汽沿管內(nèi)空腔上升至冷凝段，與冷凝管壁接觸，放出熱量，冷凝成液體。在重力作用下，液體工質(zhì)沿管壁回流蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)，不斷將介質(zhì)中的熱量傳送至大氣中，從而降低了介質(zhì)的溫度。當(dāng)冷凝段溫度高于蒸發(fā)段溫度時，熱棒中的液體工質(zhì)蒸發(fā)后形成的蒸汽到達冷凝器后不能冷凝，液體工質(zhì)停止蒸發(fā)，熱棒停止工作，大氣中的熱量不能通過熱棒傳至介質(zhì)中，從而保持介質(zhì)良好的凍結(jié)狀態(tài)。

2 公路熱棒路基設(shè)計原則及方案

2.1 公路熱棒路基設(shè)計原則

多年凍土地區(qū)熱棒路基設(shè)計的原則主要包括保護凍土的設(shè)計原則、控制凍土融化速率的設(shè)計原則。保護凍土的設(shè)計原則是指保持多年凍土上限不下降或略有上升，采取工程措施使路基保持在最小臨界高度(即路基最小填土高度);控制凍土融化速率的設(shè)計原則是指保持多年凍土引起的路基沉降不會降低公路的服務(wù)水平，保證在道路設(shè)計使用年限內(nèi)多年凍土的人為上限不降低，或由于人為上限的下降產(chǎn)生的融沉變形在設(shè)計允許變形范圍以內(nèi)的原則。

2.2 公路熱棒路基設(shè)計依據(jù)

(1)凍土地溫特征值

凍土地溫特征值主要包括年平均地溫、不同季節(jié)的地溫值、不同深度下的地溫值、年地溫最值、地溫溫度梯度等參數(shù)。這些參數(shù)是評價凍土熱穩(wěn)定性的重要指標。一般而言，天然地表以下的溫度隨季節(jié)變化而變化，隨著深度的增加，大氣溫度的影響作用逐漸降低，到達一定深度后，地溫變化相對不大，此處的地溫稱為該地區(qū)多年凍土地溫，亦為凍土的年平均地溫。它是對該地區(qū)地質(zhì)條件下凍土層的熱量狀況的一個評價指標，是評價多年凍土熱穩(wěn)定性和凍土分類的重要因素，也是路基設(shè)計原則選擇的重要依據(jù)。

(2)路基病害調(diào)查資料

路基病害主要是由于凍融循環(huán)下產(chǎn)生的水分遷移帶來的凍脹和融沉引起的，對各個地區(qū)的路基病害進行調(diào)查、統(tǒng)計，并結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)特征和凍土地溫特征對病害進行綜合分析，找出不同影響因素對產(chǎn)生某種病害的影響，對不同因素的影響程度進行總結(jié)，并提出相應(yīng)的工程措施來治理路基病害。通過這種方式尋找出不同地質(zhì)條件和地溫特征下最適合的工程措施，對于道路的運營經(jīng)濟性有很大的指導(dǎo)意義。

(3)工程地質(zhì)勘察資料

工程地質(zhì)勘察資料主要包括以下及方面:多年凍土的分布情況及凍土類型、土質(zhì)狀況多年凍土地溫、凍土上限、植被、積水情況等。工程地質(zhì)資料的完善有助于幫助設(shè)計者找到最佳的設(shè)計方案，提出有效的工程措施，防治路基病害。

(4)凍土含水量

凍土含水量是指凍土中所含冰和未凍水的總質(zhì)量與土體質(zhì)量之比，由于冰的物理性質(zhì)相對穩(wěn)定，凍土中的未凍水是影響凍土熱物理參數(shù)的重要因素，是凍土中最活躍的因子，因此凍土中未凍水含量是一項重要指標。凍土含水量對凍土性質(zhì)有決定性的影響，不同含水量下的凍土區(qū)應(yīng)采用不同的工程措施，以減少路基病害的發(fā)生。

3 熱棒路基設(shè)計方法

在熱棒路基設(shè)計時所有指標的確定，均以保護多年凍土或控制凍土融化速率為出發(fā)點。

3.1 路堤高度的確定

路堤會改變天然地表的結(jié)構(gòu)，引起多年凍土上限變化。在路基設(shè)計中，為了利用季節(jié)融化層作為路基基底，防止多年凍土上限附近高含冰量土層發(fā)生融化，要求最低的路堤高度不致于引起天然上限下降，這個最低的路堤高度成為下臨界高度。同時，路堤高度又不能在路堤內(nèi)部或其基底土層內(nèi)形成融化夾層，這個最高的路堤高度成為上臨界高度。路堤高度應(yīng)該在兩者之間，否則就會對多年凍土產(chǎn)生影響。因此在路基設(shè)計時，路堤高度必須達到一合理值，即所謂的合理路基高度。

全球氣候的變暖，會使多年凍土的性狀發(fā)生變化，凍土路基的合理高度也會隨之發(fā)生變化。通過大量數(shù)據(jù)研究，綜合考慮氣候變暖等因素，提出青藏高原低溫凍土區(qū)路基的合理高度的表達式為。

式中:Hh為路基合理高度;Δt為道路設(shè)計年限;h0d為路基設(shè)計所在年份的天然上限;t0設(shè)計路基時的年份。

合理高度的確定，為以后路基高度的設(shè)計提供了依據(jù)，避免路基過高或過低引起的對多年凍土的擾動。在低溫凍土區(qū)，采用合理的路基高度就基本上能達到保護多年凍土的目的，但在高溫凍土區(qū)，由于凍土的敏感性，采用單一的合理路基高度已不能達到保護多年凍土、控制融化速率的目的，而且高路基容易誘發(fā)多種病害。所以，現(xiàn)行的整治措施不推薦采用高路基形式，而多采用特殊路基形式達到保護多年凍土、控制融化速率的目的。

3.2 邊坡的確定

在道路工程中，路堤或路塹的邊坡坡度要結(jié)合據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ趟牡刭|(zhì)條件來確定，與路基高度，填料土的力學(xué)性質(zhì)，施工方法等有著密切的關(guān)系。我國行業(yè)校準規(guī)定道路邊坡一般取1∶1.5 ～1∶1.75。但是由于多年凍土區(qū)條件復(fù)雜，特別在多年凍土富冰凍土，飽和凍土和含土冰層上修筑道路時，若細粒土層天然含水量較高，邊坡坡度可適當(dāng)放緩至1∶1.5 ～1∶2.0。

多年的數(shù)值模擬和實體工程研究表明，邊坡坡度對多年凍土上限、多年凍土平均地溫，及路基內(nèi)溫度場的變化有一定的影響，但影響作用不大。因此，邊坡坡度不是路基設(shè)計考慮的主要因素。一般情況下，邊坡形式和坡度的選擇可與一般地區(qū)邊坡設(shè)計相同。

3.3 熱棒的自身參數(shù)的選定

熱棒的自身參數(shù)直接決定著熱棒的工作效率，熱棒自身參數(shù)的選定不僅要考慮熱棒的制冷效果，還要考慮熱棒的工程造價問題和耐用性問題。影響熱棒制冷效果的參數(shù)主要包括冷凝段和蒸發(fā)段長度、翅片數(shù)量，工質(zhì)和工質(zhì)數(shù)量等，工程造價問題和耐用性問題一般考慮管殼的材料、尺寸、厚度。

冷凝段、蒸發(fā)段長度和翅片數(shù)量主要考慮兩方面的因素:一是要有足夠的散熱面積，以保證蒸發(fā)段吸收的熱量能散發(fā)到大氣中。二是冷凝器與管殼的聯(lián)接最好不要有變徑，以防止在變徑段蒸汽流速加大，而出現(xiàn)淹沒現(xiàn)象。一般情況下，蒸發(fā)段的長度為6～7 m，冷凝段長度為3～4 m，翅片數(shù)量為300個左右。

工質(zhì)的數(shù)量是由熱棒的總長度而定，等于熱棒處于工作狀態(tài)時，熱棒中蒸汽工質(zhì)與殼壁上液膜數(shù)量與棒底部液體工質(zhì)質(zhì)量之和。管殼外徑一般為85～105 mm，殼壁厚度為10～20 mm。

3.4 熱棒的合理埋深

熱棒的目的是為了在通過制冷作用降低多年凍土的溫度，提高凍土地基的穩(wěn)定性。所以只有當(dāng)熱棒的蒸發(fā)段埋設(shè)在永久凍土層以下時，才能對多年凍土層進行冷卻，才能將多年凍土中的熱棒帶入到大氣中，保證熱棒地基的穩(wěn)定。推薦合理埋深為多年凍土人為上限以下1.0～2.5 m，一般在天然地表一下3～5 m左右。

3.5 設(shè)置間距與方式

熱棒的間距要在一個合理的范圍內(nèi)。熱棒的縱向間距不宜過大，否則，縱向兩根熱棒中間部分會受不到熱棒的降溫作用。同樣也不宜太小，否則熱棒之間會相互影響，不利于冷量的擴散。經(jīng)數(shù)值模擬分析，熱棒的作用半徑在1.8 m左右，因此，鋪設(shè)熱棒路基時，兩熱棒的縱向間距應(yīng)當(dāng)在3～3.6 m 之間。

3.6 熱棒附屬結(jié)構(gòu)

在青藏公路調(diào)研期間發(fā)現(xiàn)，在熱棒路基附近出現(xiàn)多處裂縫，經(jīng)過對出現(xiàn)裂縫的位置路肩及邊坡進行動力觸探，發(fā)現(xiàn)其邊坡土質(zhì)極為疏松，土體較為潮濕，坡腳處有大大小小的積水坑數(shù)處。據(jù)初步分析，這是由于熱棒的制冷作用導(dǎo)致其周圍溫度場變化引起水分遷移，使水分集中在路肩附近，加上沒有相應(yīng)排水措施，致使含水量過大，抗壓能力下降，導(dǎo)致沉陷?？v觀青藏公路全線，病害較為嚴重的路段情況與熱棒路基周圍環(huán)境相似，在其周圍均存在較多的積水坑。因此，路基排水設(shè)施(包括邊溝、排水溝、擋水埝、防水護道等)也是熱棒路基設(shè)計中不可忽略的因素。

4 小結(jié)

熱棒技術(shù)是一種廣泛用于土木工程中的無需外加動力源的冷凍技術(shù)。熱棒路基被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機場跑道、輸油管線等工程，但是設(shè)計不合理在應(yīng)用的過程中會起到適得其反的作用，只有明確了設(shè)計的原則再結(jié)合熱棒的工作原理，并全面考慮了影響多年凍土地區(qū)路基穩(wěn)定的因素后才能正確的進行設(shè)計。

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U416.1

C

1008-3383(2012)03-0053-02

2011-10-17

胡明(1986-)，男，陜西洛南縣人，研究方向:路基穩(wěn)定性和道路工程經(jīng)濟管理。