姜 利，張麗娜

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

熱棒技術(shù)是一種無(wú)需加任何外動(dòng)力能源的冷凍技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到土木工程中。熱棒技術(shù)最早由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)應(yīng)用在穩(wěn)定多年凍土方面，在1980年以后，熱棒技術(shù)被我國(guó)首次使用在高海拔的青藏鐵路多年凍土區(qū)上[1]。熱棒是通過(guò)轉(zhuǎn)換對(duì)流循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量傳輸?shù)南到y(tǒng)，它的作用是冷卻地基，防止地基發(fā)生融沉變形或者凍脹翻漿，穩(wěn)定多年凍土地區(qū)地基。熱棒具有單向傳熱的性能，冬季時(shí)它把路基的熱量由下至上傳到大氣中，由于它獨(dú)特的單向傳熱，所以熱量只能從地下向地上傳輸，反向不能傳熱。熱棒只在冬季的時(shí)候工作，在夏季的時(shí)候停止工作[2]。伊春地區(qū)的島狀多年凍土為兩層，上部是夏季融化冬天凍結(jié)的活動(dòng)層，下部是多年不融化的多年凍土層[3]。當(dāng)夏季升溫時(shí)，凍土的融化會(huì)對(duì)路基的強(qiáng)度等各方面路用性能非常不利，所以冬季時(shí)由于熱棒的作用而使凍土上限有一定的上升，對(duì)路基的保護(hù)作用尤為重要。

1 熱棒的工作原理

熱棒是裝有液體工質(zhì)的兩層密封的管。管的上部叫散熱段，即裝有散熱質(zhì)，也叫冷凝段；管的下部叫蒸發(fā)段，嵌入凍土之中。當(dāng)蒸發(fā)段的溫度高于散熱段的時(shí)候，蒸發(fā)段的液體工質(zhì)會(huì)吸收周?chē)諝獾臒崃空舭l(fā)為蒸汽，蒸汽沿著管內(nèi)的空腔在壓力差的作用下上升到散熱段，與散熱管壁接觸，放出熱量，冷凝為液體。在重力的作用下，液體工質(zhì)沿著管壁的回流蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)，往復(fù)循環(huán)，不斷的將介質(zhì)的熱量傳遞到大氣中，以達(dá)到降低介質(zhì)溫度的效果。當(dāng)蒸發(fā)段的溫度低于散熱段的溫度時(shí)，熱棒中的液體工質(zhì)蒸發(fā)后形成的蒸汽到達(dá)散熱段后不凝結(jié)，液體工質(zhì)不再蒸發(fā)，熱棒的工作停止[4]，如圖1[5]所示。熱棒不再傳遞大氣中的熱量到介質(zhì)當(dāng)中，從而保持了良好的凍結(jié)狀態(tài)。

圖1 熱棒工作原理圖

2 熱棒布置

采用埋置熱棒的方式對(duì)路基進(jìn)行保護(hù)，此次試驗(yàn)是熱棒在高緯度島狀多年凍土區(qū)的首次使用，試驗(yàn)段選擇在了AK0+250～AK0+420段，分三個(gè)區(qū)段埋設(shè)直插型熱棒、斜插型熱棒和L型熱棒，具體的現(xiàn)場(chǎng)施工段熱棒埋設(shè)橫斷面示意圖和平面布置圖如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 斜棒布置圖

圖3 直棒布置圖

圖4 L型棒布置圖

3 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

由表1數(shù)據(jù)可以看到大氣溫度是零下24.97℃，距熱棒5.45 m，深度在地下2.7 m處溫度是0.01℃，而在相同深度距熱棒1 m和熱棒側(cè)壁處的溫度分別是零下6.41℃和零下11.35℃。從這組數(shù)據(jù)可以看出熱棒的作用是在一定范圍內(nèi)有效的，當(dāng)距離熱棒較遠(yuǎn)時(shí)，熱棒幾乎不起作用。同時(shí)也能看到在距離熱棒較遠(yuǎn)測(cè)溫孔地下2.7 m處與大氣溫度相差達(dá)到25℃，這說(shuō)明土壤的導(dǎo)熱性能比較差，而相比之下熱棒側(cè)壁定下2.7 m與大氣溫度相差13℃，這說(shuō)明熱棒的作用非常明顯。

表1 低溫觀測(cè)表

路基中一點(diǎn)向熱棒傳遞熱量，通過(guò)熱棒導(dǎo)入到大氣中，這是熱棒傳遞熱量，也是熱量流動(dòng)的路徑，由于熱棒壁的溫度基本恒定，大約在零下10℃左右，故土中任意一點(diǎn)A向熱棒傳遞熱量的最短路徑為AB，故可知熱棒的影響范圍為一個(gè)圓柱形區(qū)域，如圖5所示。

圖5 熱量傳遞圖

當(dāng)熱棒采取直插形式時(shí)一般是埋設(shè)在兩側(cè)路肩，若兩根熱棒的有效制冷半徑[6]之和小于路面寬度時(shí)，這時(shí)由于熱棒的作用使得路基土在熱棒作用半徑內(nèi)的承載能力和抗變形能力都比熱棒作用半徑以外的要高，這時(shí)就容易使路面產(chǎn)生縱向裂縫。而斜插型的埋設(shè)方式使得路基中下部受熱棒影響的區(qū)域變大，使得路基中部土體承受壓力和變形的能力有所增加(如圖6所示)，相比直插式斜插式對(duì)路基的保護(hù)作用就更好一些(如圖7所示)。由于熱棒在工作時(shí)需要重力作用的影響，所以L型熱棒與斜棒和直棒相比在導(dǎo)熱性能上有所差距。

圖6 斜棒作用范圍

圖7 直棒作用范圍

如圖8所示，在三個(gè)區(qū)段中的相對(duì)熱棒壁和路面的同一位置，埋設(shè)斜棒的路基整體的溫度要比埋設(shè)直棒和L型熱棒的低(見(jiàn)表2)，這說(shuō)明埋設(shè)斜棒的路基在承受荷載和抵抗變形方面比埋設(shè)直棒和L型熱棒的路基強(qiáng)；從另一方面看埋設(shè)斜棒的路基土的凍土上限也比埋設(shè)直棒和L型熱棒路基土的凍土上限高。同理埋設(shè)直棒比埋設(shè)L型熱棒對(duì)路基土的保護(hù)和改善作用好。

表2 不同形式熱棒的路基內(nèi)距地面3 m距熱棒壁1 m處的溫度

圖8 熱棒影響點(diǎn)溫度走勢(shì)

4 結(jié) 論

綜上所述，熱棒在島狀多年凍土地區(qū)同樣對(duì)提高凍土上限、保護(hù)多年凍土的穩(wěn)定有很大作用，熱棒的作用是有一定范圍的，即熱棒的有效制冷半徑，而熱棒的主要作用區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)以熱棒有效制冷半徑為半徑的圓柱形區(qū)域。三種形式熱棒直棒、斜棒和L型熱棒，從理論上直棒由于路肩兩側(cè)兩根熱棒的有效制冷半徑之和小于路面寬度，使得一個(gè)斷面內(nèi)路基在水平方向溫度分布不均勻，從而在相同荷載作用下變形不同，這樣就會(huì)使路面在縱向產(chǎn)生裂縫。斜棒在這方面比直棒好。L型熱棒在溫度場(chǎng)分布的均勻性上比直棒和斜棒的好，但是由于熱棒工作時(shí)需要重力作用，而L型熱棒下面幾乎是水平的，所以導(dǎo)熱效率不如直棒和斜棒。從數(shù)據(jù)以及圖中可以看出斜棒路基的溫度最低，對(duì)路基的保護(hù)作用也是最好的，在受力后路基變形性的均勻性上L型熱棒比直棒好，但是在提高凍土上限，提高路基承載力上直棒比L型熱棒好。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]胡 明，凌思德，黃承甲.多年凍土地區(qū)公路熱棒路基設(shè)計(jì)[J].黑龍江交通科技，2012(3)：53-54.

[2]孫 文，吳亞平，郭春香.熱棒對(duì)多年凍土路基穩(wěn)定性的影響[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22(5)：15-20.

[3]汪雙杰，陳國(guó)靖.多年凍土路基修筑技[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4]樊云龍.多年凍土地區(qū)熱棒路基溫度場(chǎng)研究[D].西安，長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[5]徐兵魁，牛懷俊.熱棒技術(shù)及其應(yīng)用[J].路基工程，2005(5)：1-4.

[6]米維軍，賈 燕.確定熱棒制冷影響范圍的新方法[J].路基工程，2007(1)：20-23.