利用熱棒陣對(duì)多年凍土區(qū)橋墩進(jìn)行主動(dòng)熱防護(hù)研究

孫 田， 郭宏新， 周天寶， 索華寧， 董添春， 張明國

（1. 江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210003； 2. 中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司，青海 西寧 810007；3. 南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引言

青藏鐵路經(jīng)過海拔最高的多年凍土地區(qū)，自然條件惡劣，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，其中穿越多年凍土區(qū)橋梁共有447座，總長118.6 km，約占鐵路沿線各橋梁總長的七成，保證多年凍土區(qū)橋梁穩(wěn)定對(duì)青藏鐵路的可持續(xù)安全運(yùn)營意義重大。青藏鐵路K1401特大橋是最為典型橋梁之一，它共有10 個(gè)橋墩，每墩設(shè)計(jì)有4 根樁，青藏鐵路通車運(yùn)營期間各個(gè)墩臺(tái)有不同程度的沉降，其中6#墩沉降最為嚴(yán)重。

關(guān)于青藏鐵路多年凍土地區(qū)橋梁橋墩沉降機(jī)理和保護(hù)措施方面，很多學(xué)者進(jìn)行了分析研究，沉降的主要原因是樁側(cè)水熱效應(yīng)導(dǎo)致多年凍土與樁凍結(jié)應(yīng)力減弱，甚至凍土退化引起不均勻法向凍脹增加，造成樁身承載性能下降，加速樁基沉降［1-6］，為保護(hù)凍土和樁基的穩(wěn)定性，應(yīng)高度關(guān)注水熱交換問題，施工和病害治理時(shí)盡量減小對(duì)凍土的熱擾動(dòng)［7-8］。熱棒是一種無源高效傳熱裝置，因施工擾動(dòng)小、快速回凍降溫明顯，在寒區(qū)工程中應(yīng)用廣泛。特別是其可不破壞現(xiàn)有工程體系，在工程運(yùn)行期間仍可施工，成為寒區(qū)既有工程病害整治的主要措施［9-10］。學(xué)者們通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等［11-18］手段對(duì)熱棒工作效能主要影響因素、熱棒選型與布置方式對(duì)熱棒降溫冷卻效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)熱棒路基的長期降溫效果明顯強(qiáng)于單側(cè)熱棒路基，斜插式熱棒路基強(qiáng)于直插式熱棒路基，熱棒實(shí)際埋深應(yīng)主要參考初始凍土上限。數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，熱棒群在快速降溫和溫度場(chǎng)調(diào)控方面效果好，可抬高凍土上限，保護(hù)淺埋隧道口凍土穩(wěn)定［19-20］。熱棒在輸電線塔基地溫控制中也效果明顯，這可以通過高密度電法、地探雷達(dá)和現(xiàn)場(chǎng)鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行驗(yàn)證［21-23］。學(xué)者們通過將熱棒植入混凝土樁中形成熱樁，并開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究在不同功率與埋設(shè)方式條件下熱樁冷卻效果，與無熱棒混凝土樁比較，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：熱棒能有效提高樁與凍土間凍結(jié)速率和凍結(jié)強(qiáng)度，是無熱棒情況下凍結(jié)速率的2.5 倍、凍結(jié)強(qiáng)度的1.5 倍；熱樁的冷卻范圍可覆蓋樁周圍2倍樁徑范圍內(nèi)的區(qū)域，為寒區(qū)樁基施工和熱防護(hù)提供新思路［24-25］。采用熱棒技術(shù)對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行熱防護(hù)，抵擋樁周凍土熱侵蝕和降低土體溫度，提高樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力，因此采用熱棒技術(shù)治理橋墩沉降病害具有重要實(shí)用價(jià)值。

本文以青藏鐵路K1401 特大橋橋墩為研究治理對(duì)象，設(shè)計(jì)一種主動(dòng)熱防護(hù)的熱棒陣治理方法，并開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。以2018年10月—2020年12月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析熱棒陣對(duì)橋墩保護(hù)的降溫效能，探討治理橋墩沉降新方法，為此類凍土區(qū)內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)、整治提供借鑒。

1 試驗(yàn)區(qū)基本工況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)特大橋位于青藏鐵路唐古拉站與唐古拉北站之間，起訖里程K1401+570.56～K1401+903.43，孔跨樣式為10～32 m 梁橋，全長332.87 m。地形略有起伏，地表植被覆蓋率5%～10%，植被稀疏，呈戈壁荒漠地貌景觀，如圖1所示。多年凍土為飽冰-富冰凍土、高溫極不穩(wěn)定區(qū)、強(qiáng)融沉，修建初期多年凍土上限約3 m。垂直鐵路走向方向，多年凍土厚度呈現(xiàn)中部薄、兩端厚的總體特征，最薄處位于鐵路正下方；沿鐵路走向方向，多年凍土呈現(xiàn)中部薄，兩端厚的特征。橋墩區(qū)右側(cè)約80 m 處有一條常年有水小型沖溝。地下水主要為凍結(jié)層上水及凍結(jié)層下水，凍結(jié)層上水在埋深2.5 m 以內(nèi)的砂類土、碎石類土層中。凍結(jié)層下水具有承壓性，橋墩基礎(chǔ)底部位于多年凍土下限處，處于凍結(jié)層下水富集區(qū)域。

圖1 青藏鐵路K1401特大橋位置圖Fig. 1 Location map of Bridge K1401 of the Qinghai-Xizang （Tibet） Railway

青藏鐵路運(yùn)營期間，發(fā)現(xiàn)該橋各橋墩均有不同程度的沉降。從2009 年2 月開始對(duì)橋梁樁基進(jìn)行垂直沉降觀測(cè)，沉降觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在各墩的承臺(tái)處。自建成運(yùn)營以來，大部分橋墩的垂直沉降變化較小，年累計(jì)變形量小于7 mm，基本穩(wěn)定，但K1401 特大橋6#橋墩持續(xù)沉降。2012年對(duì)6#橋墩進(jìn)行了第一次加固，采用在6#橋墩兩側(cè)增設(shè)4 根直徑1 m、長度40 m 樁的方法，與既有橋墩一起澆筑新承臺(tái)，使基礎(chǔ)形成整體，增設(shè)一排長20 m 的熱棒，熱棒埋地深度17 m。據(jù)監(jiān)測(cè)，施工期間（2011—2012 年）6#橋墩累計(jì)沉降量超過210 mm，2013 年年內(nèi)累計(jì)沉降量71 mm，2014 年年內(nèi)累計(jì)沉降量57 mm。2015 年8月，You 等［26］采用高密度電法、探地雷達(dá)、地形測(cè)繪等綜合物探方法，對(duì)橋墩及附近區(qū)域的凍土上限、下限、厚度進(jìn)行了聯(lián)合勘察、綜合反演。高密度電法反演顯示，6#橋墩凍土厚度小于20 m，電阻率從地表至約-8 m 左右深度呈現(xiàn)高阻特征，說明6#橋墩熱棒發(fā)揮了冷卻效果，其凍結(jié)程度較好，有助于橋墩穩(wěn)定，但其作用的水平范圍和深度均有限。橋墩基礎(chǔ)施工導(dǎo)致樁基附近的多年凍土融化，施工完成后，混凝土樁基作為傳熱的良導(dǎo)體，加之承壓凍結(jié)層下水的影響，融化的多年凍土層難以恢復(fù)凍結(jié)，這使得橋樁與土壤的凍結(jié)力、摩擦力以及樁端承載力等不足以使橋墩在荷載作用下保持長期穩(wěn)定。2015 年期間又采取熱棒加密治理，仍未取得良好的效果。綜上，樁基加固施工后，樁基沉降變形有所改善，但沉降量仍較大，治理6#橋墩沉降問題采取的措施應(yīng)盡可能減小熱擾動(dòng)，同時(shí)還應(yīng)增大熱棒布置范圍，能夠長期維持樁基承載的穩(wěn)定性。

2 熱棒陣設(shè)計(jì)思路與布置方案

6#橋墩沉降量持續(xù)增大的原因包括全球氣溫的升高、樁基礎(chǔ)深入多年凍土層中的熱擾動(dòng)、凍結(jié)層上水熱交換、凍結(jié)層下水熱侵蝕等，其核心問題是凍土受到熱擾動(dòng)、多余熱量侵蝕，進(jìn)而引起了凍土的融化，產(chǎn)生了不同程度的橋墩沉降病害。為此設(shè)計(jì)熱棒陣，通過主動(dòng)降溫實(shí)現(xiàn)保護(hù)橋墩周圍凍土的熱穩(wěn)定性。

2.1 設(shè)計(jì)思路

圖2 為單排熱棒和熱棒陣作用簡(jiǎn)要原理圖，其能更好解釋熱棒陣作用原理。從圖中可以看出，左圖單排熱棒的外側(cè)受熱侵蝕影響，外側(cè)凍結(jié)區(qū)會(huì)縮減，造成凍結(jié)區(qū)不穩(wěn)定；而右圖熱棒陣外側(cè)形成的凍結(jié)阻隔區(qū)抵御熱侵蝕，保護(hù)內(nèi)側(cè)凍結(jié)區(qū)的穩(wěn)定。第一次加固單排熱棒形成的凍核區(qū)與外側(cè)水產(chǎn)生熱交換，熱棒實(shí)際有效凍結(jié)半徑和凍結(jié)區(qū)溫降程度不足，凍核區(qū)抵御外界熱侵蝕能力弱，進(jìn)而沉降治理控制效果不強(qiáng)。增設(shè)的第二排熱棒，使得熱棒間有效凍結(jié)半徑和凍結(jié)區(qū)溫降程度進(jìn)一步增加，在外界熱侵蝕影響下，熱棒外側(cè)的凍結(jié)區(qū)隨時(shí)間周期無法增強(qiáng)甚至縮減。第三次采用熱棒陣加固措施后，沉降效果得到有效控制。新增的熱棒主要用來進(jìn)一步降低凍核區(qū)的凍土溫度，提高冷儲(chǔ)量，較靠近橋墩的熱棒埋深可減少2～4 m，相鄰兩排熱棒間距應(yīng)不大于2 m。

圖2 單排熱棒和熱棒陣作用簡(jiǎn)要示意圖Fig. 2 Brief schematic diagram of action of single row thermosyphon （a） and thermosyphon group （b）

2.2 布置方案

針對(duì)6#橋墩設(shè)計(jì)熱棒陣方案如圖3～4 所示，第一次加固既有熱棒15支（長度20 m），在右側(cè)新增加18 支熱棒（長度17 m），用來阻隔外界熱侵蝕，一般熱棒凍結(jié)有效半徑在2 m 左右，考慮快速凍結(jié)提高降溫能效，本試驗(yàn)熱棒間距布設(shè)1.5 m 左右。同時(shí)設(shè)置測(cè)溫孔5 個(gè)，其中①號(hào)測(cè)溫孔與熱棒同孔，②、③和④號(hào)測(cè)溫孔分別距離熱棒1 m、2 m 和3 m，⑤號(hào)測(cè)溫孔距離外側(cè)熱棒5 m。①號(hào)測(cè)溫孔內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)4 個(gè)，②～⑤號(hào)測(cè)溫孔內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)15 個(gè)，豎直方向詳細(xì)間距見圖4。圖5為橋墩熱棒陣的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖3 橋墩熱棒陣及測(cè)溫孔布置平面圖Fig. 3 Layout plan of thermosyphon group and temperature measuring holes around the bridge pier

圖4 ①～⑤號(hào)測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 4 Profiles of measuring points of temperature measuring holes ①～⑤

圖5 橋墩熱棒陣的現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig. 5 On site photo of thermosyphon group around the bridge pier

3 結(jié)果與分析

3.1 熱棒工作狀態(tài)

熱棒棒身溫度變化與大氣溫度變化規(guī)律具有一致性，且在寒季冷凝段溫度高于空氣溫度，說明熱棒工作正常。以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)，選擇埋設(shè)熱棒日為坐標(biāo)原點(diǎn)，每周周一所測(cè)溫度為該周溫度代表值。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)日期為2018 年10 月14 日—2020 年12 月22 日，歷經(jīng)兩個(gè)冬季。選擇①號(hào)測(cè)溫孔1 號(hào)和2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)溫度為表征溫度，1號(hào)測(cè)溫點(diǎn)表征空氣溫度，2 號(hào)測(cè)溫點(diǎn)表征熱棒棒身溫度，所測(cè)溫度變化曲線繪制于圖6。由圖可知，兩者曲線波動(dòng)變化趨勢(shì)一致，第0～20 周棒身溫度隨空氣溫度降低而降低，且兩者溫度相接近，此時(shí)熱棒已啟動(dòng)工作，且明顯降低了周圍土體溫度；在第20～45 周，空氣溫度從-10 ℃升高到3 ℃，而棒身溫度僅升高至-1 ℃，說明熱棒在第一個(gè)冬季啟動(dòng)期間的冷儲(chǔ)量較大程度抵御了外界的熱侵蝕；第45周以后的溫度曲線變化規(guī)律仍與上述現(xiàn)象相符，同時(shí)在第100 周左右的棒身峰值溫度已略低于第45周左右的棒身峰值溫度，說明熱棒維持著周圍土體的熱穩(wěn)定性。由以上可知，熱棒工作狀態(tài)正常，且能有效降低周圍土體溫度。

3.2 水平方向降溫規(guī)律

為研究熱棒陣在水平方向不同距離降溫效果，分析了②～⑤測(cè)溫孔-3 m 深度處的測(cè)溫變化，并將溫度時(shí)程曲線繪制于圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)，距離熱棒陣越近，降溫速度越快，降溫幅度越大。

圖7 熱棒陣附近各測(cè)溫孔-3 m深度處地溫時(shí)程曲線Fig. 7 Time varying curves of ground temperature at -3 m depth of the temperature measuring holes near thermosyphon group

在第10周（2019年12月24日），②～⑤測(cè)溫孔的溫度分別為-5.7 ℃、-2.6 ℃、-1.4 ℃和-0.7 ℃，熱棒工作已超2 個(gè)月，熱棒周邊2 m 范圍內(nèi)降溫明顯，距離熱棒5 m 處凍土溫度沒有明顯變化。快速降溫過程一直持續(xù)到第21周（2019年3月6日）左右，②～⑤測(cè)溫孔凍土溫度分別降低至-8.3 ℃、-6.6 ℃、-6.5 ℃和-5.1 ℃，相比回填時(shí)溫度，分別降溫7.2 ℃、6.3 ℃、5.7 ℃和4.4 ℃，平均降溫5.9 ℃左右。第25周后（2019年4月16日），各個(gè)測(cè)溫孔顯示地溫上升，在第50周（2019年9月24日）升高到最大值，②～⑤測(cè)溫孔凍土溫度分別升高至-1.7 ℃、-1.3 ℃、-1.2 ℃和-0.9 ℃，較最低水平上升幅度分別為6.6 ℃、5.3 ℃、5.4 ℃和4.2 ℃。第50 周（2019年9 月27 日）氣溫繼續(xù)降低，熱棒又開始工作，凍土溫度又開始降低，到第75周（2020年3月17日），②～⑤測(cè)溫孔凍土溫度分別降低至-8.6 ℃、-6.9 ℃、-6.8 ℃和-5.3 ℃，與一年前相比，各測(cè)溫孔地溫略有降低，同比降低約0.2 ℃。之后的地溫變化規(guī)律與2019 年相似，第107 周（2020 年10 月27 日）②～⑤測(cè)溫孔凍土溫度分別回升至-2.4 ℃、-1.8 ℃、-1.5 ℃和-0.9 ℃，與2019 年同期地溫相比，下降幅度分別為0.6 ℃、0.5 ℃、0.4 ℃和0.1 ℃。

結(jié)合圖7可知，熱棒陣周邊均有明顯降溫，⑤測(cè)溫孔可表征天然地溫，經(jīng)過一個(gè)冬季的工作，最大降溫幅度超過8 ℃，平均降幅超過3 ℃，-3 m 深度處的降溫至-6 ℃，熱棒工作的第二個(gè)冬季，熱棒周邊多年凍土溫度持續(xù)降低，冬季最大降溫值在第一個(gè)冬季基礎(chǔ)上再降約0.2 ℃，經(jīng)過2 年，距離熱棒1 m、2 m、3 m 處多年凍土地溫累計(jì)降幅1.2 ℃、1.5 ℃和0.7 ℃，熱棒周邊3 m范圍內(nèi)平均降溫幅度1.1 ℃。

圖8 為第21 周不同深度下地溫沿水平距離變化，可以看出，熱棒陣外側(cè)不同深度地溫在0～2 m 內(nèi)降溫比較明顯，2～5 m 內(nèi)仍存在降溫效果?？梢姛岚絷嚁U(kuò)大了凍結(jié)區(qū)域范圍，增大了有效凍結(jié)半徑，并降低凍土溫度。熱棒陣降溫后，內(nèi)側(cè)熱棒為外側(cè)熱棒降溫效能輔助增強(qiáng)，使得外側(cè)熱棒周邊低溫冰核區(qū)域增大，通過熱傳導(dǎo)的方式將“冷量”向更遠(yuǎn)處凍土傳遞。采用熱棒陣方案后，增大了有效凍結(jié)半徑，可有效保護(hù)多年凍土上限不下移。

圖8 第21 周（2019-03-10）不同深度處沿水平距離的地溫變化Fig. 8 Ground temperature changes along horizontal distance at different depths in 21st week （2019-03-10）

3.3 豎直方向降溫規(guī)律

將②測(cè)溫孔-3 m、-9 m 和-15 m 深度處所測(cè)溫度時(shí)程曲線繪制于圖9?？梢钥闯?，在歷經(jīng)兩個(gè)凍融循環(huán)后，隨著埋深的增加，在垂直方向上地溫曲線向下波動(dòng)明顯，熱棒對(duì)多年凍土的降溫幅度減小。在第一個(gè)冬季，距離熱棒陣外側(cè)1 m 的-3 m、-9 m和-15 m深度處地溫分別降幅8.3 ℃、3.9 ℃和2.4 ℃，熱棒工作的第二個(gè)冬季，熱棒周邊多年凍土溫度持續(xù)降低，-3 m、-9 m 和-15 m 深度處多年凍土冬季最大降溫在第一個(gè)冬季基礎(chǔ)上分別再降約0.2 ℃、0.7 ℃和0.4 ℃。這主要有兩方面的原因：①深層多年凍土溫度較上層低，與空氣溫度之間溫差較?。虎跓岚衾淠我夯墓べ|(zhì)回流到深層凍土區(qū)域的溫度較淺層的高，回流過程中發(fā)生熱量交換。

圖9 距外側(cè)熱棒1 m處測(cè)溫孔不同埋深處地溫隨時(shí)間變化曲線Fig. 9 Time varying curves of ground temperature at different depths of the temperature measuring hole 1 m away from the outer thermosyphon

為了反映熱棒埋深范圍內(nèi)溫度變化情況，本文從監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)選取2020 年12 月1 日、2019 年12月1日、2018年12月1日進(jìn)行對(duì)比分析，選取距外側(cè)熱棒1 m 的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)繪制于圖10，并用天然孔地溫作為對(duì)照。從圖中可以看出，隨著時(shí)間推移，凍土溫降明顯，在埋深2～15 m 范圍內(nèi)，每經(jīng)歷一個(gè)冬季溫降幅度在1 ℃左右，說明熱棒陣工作后使得周圍土體溫度持續(xù)降低，能提供更多的冷儲(chǔ)量。此外，經(jīng)歷兩個(gè)凍融循環(huán)后，不同深度下的冬季谷值地溫和夏季峰值地溫均明顯下降，這是因?yàn)闊岚魡?dòng)后在第一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的冷儲(chǔ)量抵御暖季熱侵蝕后仍有余量，使得周圍土體在第二個(gè)周期內(nèi)累計(jì)冷儲(chǔ)量進(jìn)一步增多，冬季地溫持續(xù)降低，抵御熱侵蝕能力更強(qiáng)，造成暖季峰值地溫增幅降低。

圖10 距外側(cè)熱棒1 m土體溫度剖面Fig. 10 Profile of ground temperature 1 m away from the outer thermosyphon

3.4 斷面溫度場(chǎng)降溫效能

為進(jìn)一步直觀分析熱棒陣在水平和垂直方向的影響范圍，基于熱棒陣附近各測(cè)溫孔的地溫?cái)?shù)據(jù)，將熱棒陣附近的2020年1月1日及2020年3月1日的溫度場(chǎng)分別繪制于圖11 和圖12。①號(hào)測(cè)溫孔位于熱棒陣內(nèi)，受雙排熱棒影響溫度最低，其余四個(gè)測(cè)溫孔的溫度隨著距熱棒距離的增加溫度也逐漸升高，說明熱棒的降溫效果隨著水平距離的增加而減小。在水平方向，熱棒陣對(duì)5 m 范圍內(nèi)的凍土均有一定的冷卻作用，但從3 月1 日的等溫線變化趨勢(shì)可以看出，距熱棒陣3 m 以內(nèi)的降溫效果最顯著。在垂直方向上，熱棒的降溫效果也呈現(xiàn)出隨著深度的增加而逐漸減小的趨勢(shì)，最有效的冷卻深度在-11 m以內(nèi)。

圖11 2020年1月1日熱棒陣溫度場(chǎng)Fig. 11 Temperature field of thermosyphon group on January 1， 2020

圖12 2020年3月1日熱棒陣溫度場(chǎng)Fig. 12 Temperature field of thermosyphon group on March 1， 2020

對(duì)比圖11 和圖12 可知，隨工作時(shí)間的增加，熱棒的冷卻范圍呈顯著增大的趨勢(shì)，其中-4 ℃等溫線2個(gè)月期間在水平方向上擴(kuò)大了近1.8 m。并且，隨著熱棒工作時(shí)間的增長，在熱棒冷卻范圍增大的同時(shí)，熱棒陣周圍的溫度分布也變得比較均勻。

3.5 沉降變形分析

圖13 為6#橋墩逐年沉降量變化曲線，該橋墩進(jìn)行了三次沉降病害治理。第一次加固采用單排熱棒，2012—2014 年間橋墩沉降速度明顯減緩，但每年沉降量仍然大于50 mm；第二次加固增設(shè)熱棒，熱棒回凍、降溫效果進(jìn)一步提高，2015—2017 年間橋墩每年沉降量逐年減少，控制在10 mm 量級(jí)；熱棒陣施工完成后，2018—2020 年期間沉降變形得到徹底控制，沉降量不超過3 mm。2012 年和2015 年加固措施采用單排熱棒布置方式，與未采取加固措施相比，沉降控制效果明顯，可見采取熱棒技術(shù)治理沉降可行性強(qiáng)，但由于6#橋墩所處位置地下水豐富，加之工程施工擾動(dòng)等因素影響，使得單排熱棒治理沉降效果無法得到有效控制。

圖13 橋墩逐年沉降量變化曲線Fig. 13 Change curve of the bridge pier settlement by year

結(jié)合上述，結(jié)合溫度分布場(chǎng)可知，熱棒之間的凍結(jié)核溫度降溫明顯且區(qū)域范圍內(nèi)溫度相對(duì)均勻分布，溫度的降低有利于提高樁與凍土之間的凍結(jié)強(qiáng)度；外側(cè)熱棒溫度場(chǎng)分布相比內(nèi)側(cè)溫度高，但其使周圍巖土體一直處于凍結(jié)狀態(tài)，能夠抵御熱量。外側(cè)熱棒保護(hù)內(nèi)側(cè)熱棒儲(chǔ)冷凍結(jié)的區(qū)域不受影響，使得熱棒之間的凍結(jié)核溫度逐步降低。外側(cè)熱棒凍結(jié)形成冰幕，有效阻止外界凍結(jié)層上下水和外界環(huán)境的熱交換，阻隔了內(nèi)側(cè)熱棒凍結(jié)區(qū)受外界熱侵蝕，直接保護(hù)和維持內(nèi)排熱棒凍結(jié)區(qū)的穩(wěn)定發(fā)展，降低橋墩樁基附近多年凍土溫度，使樁基凍結(jié)力和承載力增強(qiáng)，有效保護(hù)橋墩的長期穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

多年凍土區(qū)橋墩沉降主要原因是施工熱擾動(dòng)和地下水的熱交換侵蝕所致。在典型橋墩開展熱棒陣試驗(yàn)研究，通過地溫和沉降變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，分析得到熱棒陣能夠有效保護(hù)橋墩穩(wěn)定，主要成果如下：

（1）水平方向上，熱棒陣周邊3 m 范圍內(nèi)均有明顯降溫，測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)最大溫降值超8 ℃左右，-3 m深度處第一個(gè)冬季平均降溫至-6 ℃左右，經(jīng)過兩個(gè)冬季后熱棒周邊3 m范圍內(nèi)平均降溫幅度1.1 ℃。

（2）豎直方向上，隨著埋深的增加，熱棒對(duì)多年凍土的降溫幅度減小，第一個(gè)冬季，測(cè)溫孔-3 m、-9 m 和-15 m 深度處最大降溫幅度分別為8.3 ℃、3.9 ℃和2.4 ℃，第二個(gè)冬季，熱棒周邊多年凍土溫度持續(xù)降低，不同埋深平均降幅超過0.4 ℃。

（3）熱棒陣施工完成后，沉降變形得到徹底控制。外側(cè)熱棒形成的凍結(jié)區(qū)冰幕，阻隔了外界熱侵蝕；內(nèi)側(cè)熱棒凍結(jié)區(qū)穩(wěn)定發(fā)展，使樁基凍結(jié)力和承載力增強(qiáng)，有效保護(hù)了橋墩的長期穩(wěn)定性。