胡 明，凌思德，黃承甲

(長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

多年凍土地區(qū)公路熱棒路基設(shè)計(jì)

胡 明，凌思德，黃承甲

(長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hù)凍土的一種嘗試。在調(diào)查已建熱棒路基及試驗(yàn)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(jì)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(jì)方法。

多年凍土;熱棒路基;設(shè)計(jì)原則

熱棒技術(shù)是一種廣泛用于土木工程中的無(wú)需外加動(dòng)力源的冷凍技術(shù)，20世紀(jì)50年代末，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)為了穩(wěn)定和養(yǎng)護(hù)多年凍土在美國(guó)首次應(yīng)用。20世紀(jì)80年代起，熱棒開始在我國(guó)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(yàn)段，但經(jīng)實(shí)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(guó)多年凍土面積約為占到國(guó)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(jì)方法對(duì)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(duì)流循環(huán)熱傳輸裝置，它在溫差作用下驅(qū)動(dòng)內(nèi)部工質(zhì)的氣液兩相對(duì)流循環(huán)。熱棒通過(guò)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(chǔ)量，最終將大氣冷能儲(chǔ)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(shí)，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(shí)，熱棒中的液體工質(zhì)蒸發(fā)后形成的蒸汽到達(dá)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(guò)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(jì)原則及方案

2.1 公路熱棒路基設(shè)計(jì)原則

多年凍土地區(qū)熱棒路基設(shè)計(jì)的原則主要包括保護(hù)凍土的設(shè)計(jì)原則、控制凍土融化速率的設(shè)計(jì)原則。保護(hù)凍土的設(shè)計(jì)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(jì)原則是指保持多年凍土引起的路基沉降不會(huì)降低公路的服務(wù)水平，保證在道路設(shè)計(jì)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(jì)允許變形范圍以內(nèi)的原則。

2.2 公路熱棒路基設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)凍土熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。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(dá)一定深度后，地溫變化相對(duì)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(duì)該地區(qū)地質(zhì)條件下凍土層的熱量狀況的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，是評(píng)價(jià)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(jì)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(lái)的凍脹和融沉引起的，對(duì)各個(gè)地區(qū)的路基病害進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)特征和凍土地溫特征對(duì)病害進(jìn)行綜合分析，找出不同影響因素對(duì)產(chǎn)生某種病害的影響，對(duì)不同因素的影響程度進(jìn)行總結(jié)，并提出相應(yīng)的工程措施來(lái)治理路基病害。通過(guò)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(duì)于道路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)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(jì)者找到最佳的設(shè)計(jì)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(duì)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(xiàng)重要指標(biāo)。凍土含水量對(duì)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(jì)方法

在熱棒路基設(shè)計(jì)時(shí)所有指標(biāo)的確定，均以保護(hù)多年凍土或控制凍土融化速率為出發(fā)點(diǎn)。

3.1 路堤高度的確定

路堤會(huì)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(jì)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(gè)最低的路堤高度成為下臨界高度。同時(shí)，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(gè)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(huì)對(duì)多年凍土產(chǎn)生影響。因此在路基設(shè)計(jì)時(shí)，路堤高度必須達(dá)到一合理值，即所謂的合理路基高度。

全球氣候的變暖，會(huì)使多年凍土的性狀發(fā)生變化，凍土路基的合理高度也會(huì)隨之發(fā)生變化。通過(guò)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(dá)式為。

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

合理高度的確定，為以后路基高度的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，避免路基過(guò)高或過(guò)低引起的對(duì)多年凍土的擾動(dòng)。在低溫凍土區(qū)，采用合理的路基高度就基本上能達(dá)到保護(hù)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(dá)到保護(hù)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(dá)到保護(hù)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(lái)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(guó)行業(yè)校準(zhǔn)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(shí)，若細(xì)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(shí)體工程研究表明，邊坡坡度對(duì)多年凍土上限、多年凍土平均地溫，及路基內(nèi)溫度場(chǎng)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(jì)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(jì)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(jià)問(wèn)題和耐用性問(wèn)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(zhǎng)度、翅片數(shù)量，工質(zhì)和工質(zhì)數(shù)量等，工程造價(jià)問(wèn)題和耐用性問(wèn)題一般考慮管殼的材料、尺寸、厚度。

冷凝段、蒸發(fā)段長(zhǎng)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(zhǎng)度為6～7 m，冷凝段長(zhǎng)度為3～4 m，翅片數(shù)量為300個(gè)左右。

工質(zhì)的數(shù)量是由熱棒的總長(zhǎng)度而定，等于熱棒處于工作狀態(tài)時(shí)，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(guò)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(shí)，才能對(duì)多年凍土層進(jìn)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(gè)合理的范圍內(nèi)。熱棒的縱向間距不宜過(guò)大，否則，縱向兩根熱棒中間部分會(huì)受不到熱棒的降溫作用。同樣也不宜太小，否則熱棒之間會(huì)相互影響，不利于冷量的擴(kuò)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(shí)，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(guò)對(duì)出現(xiàn)裂縫的位置路肩及邊坡進(jìn)行動(dòng)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(chǎng)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(guò)大，抗壓能力下降，導(dǎo)致沉陷。縱觀青藏公路全線，病害較為嚴(yán)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(hù)道等)也是熱棒路基設(shè)計(jì)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(wú)需外加動(dòng)力源的冷凍技術(shù)。熱棒路基被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)跑道、輸油管線等工程，但是設(shè)計(jì)不合理在應(yīng)用的過(guò)程中會(huì)起到適得其反的作用，只有明確了設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

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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(jì)管理。