热棒位置与热棒效果关系的研究

姜 利，张丽娜

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

热棒技术是一种无需加任何外动力能源的冷冻技术，目前已经广泛应用到土木工程中。热棒技术最早由美国陆军工程兵团应用在稳定多年冻土方面，在1980年以后，热棒技术被我国首次使用在高海拔的青藏铁路多年冻土区上[1]。热棒是通过转换对流循环实现热量传输的系统，它的作用是冷却地基，防止地基发生融沉变形或者冻胀翻浆，稳定多年冻土地区地基。热棒具有单向传热的性能，冬季时它把路基的热量由下至上传到大气中，由于它独特的单向传热，所以热量只能从地下向地上传输，反向不能传热。热棒只在冬季的时候工作，在夏季的时候停止工作[2]。伊春地区的岛状多年冻土为两层，上部是夏季融化冬天冻结的活动层，下部是多年不融化的多年冻土层[3]。当夏季升温时，冻土的融化会对路基的强度等各方面路用性能非常不利，所以冬季时由于热棒的作用而使冻土上限有一定的上升，对路基的保护作用尤为重要。

1 热棒的工作原理

热棒是装有液体工质的两层密封的管。管的上部叫散热段，即装有散热质，也叫冷凝段；管的下部叫蒸发段，嵌入冻土之中。当蒸发段的温度高于散热段的时候，蒸发段的液体工质会吸收周围空气的热量蒸发为蒸汽，蒸汽沿着管内的空腔在压力差的作用下上升到散热段，与散热管壁接触，放出热量，冷凝为液体。在重力的作用下，液体工质沿着管壁的回流蒸发段再吸热蒸发，往复循环，不断的将介质的热量传递到大气中，以达到降低介质温度的效果。当蒸发段的温度低于散热段的温度时，热棒中的液体工质蒸发后形成的蒸汽到达散热段后不凝结，液体工质不再蒸发，热棒的工作停止[4]，如图1[5]所示。热棒不再传递大气中的热量到介质当中，从而保持了良好的冻结状态。

图1 热棒工作原理图

2 热棒布置

采用埋置热棒的方式对路基进行保护，此次试验是热棒在高纬度岛状多年冻土区的首次使用，试验段选择在了AK0+250～AK0+420段，分三个区段埋设直插型热棒、斜插型热棒和L型热棒，具体的现场施工段热棒埋设横断面示意图和平面布置图如图2、图3和图4所示。

图2 斜棒布置图

图3 直棒布置图

图4 L型棒布置图

3 数据及数据分析

由表1数据可以看到大气温度是零下24.97℃，距热棒5.45 m，深度在地下2.7 m处温度是0.01℃，而在相同深度距热棒1 m和热棒侧壁处的温度分别是零下6.41℃和零下11.35℃。从这组数据可以看出热棒的作用是在一定范围内有效的，当距离热棒较远时，热棒几乎不起作用。同时也能看到在距离热棒较远测温孔地下2.7 m处与大气温度相差达到25℃，这说明土壤的导热性能比较差，而相比之下热棒侧壁定下2.7 m与大气温度相差13℃，这说明热棒的作用非常明显。

表1 低温观测表

路基中一点向热棒传递热量，通过热棒导入到大气中，这是热棒传递热量，也是热量流动的路径，由于热棒壁的温度基本恒定，大约在零下10℃左右，故土中任意一点A向热棒传递热量的最短路径为AB，故可知热棒的影响范围为一个圆柱形区域，如图5所示。

图5 热量传递图

当热棒采取直插形式时一般是埋设在两侧路肩，若两根热棒的有效制冷半径[6]之和小于路面宽度时，这时由于热棒的作用使得路基土在热棒作用半径内的承载能力和抗变形能力都比热棒作用半径以外的要高，这时就容易使路面产生纵向裂缝。而斜插型的埋设方式使得路基中下部受热棒影响的区域变大，使得路基中部土体承受压力和变形的能力有所增加(如图6所示)，相比直插式斜插式对路基的保护作用就更好一些(如图7所示)。由于热棒在工作时需要重力作用的影响，所以L型热棒与斜棒和直棒相比在导热性能上有所差距。

图6 斜棒作用范围

图7 直棒作用范围

如图8所示，在三个区段中的相对热棒壁和路面的同一位置，埋设斜棒的路基整体的温度要比埋设直棒和L型热棒的低(见表2)，这说明埋设斜棒的路基在承受荷载和抵抗变形方面比埋设直棒和L型热棒的路基强；从另一方面看埋设斜棒的路基土的冻土上限也比埋设直棒和L型热棒路基土的冻土上限高。同理埋设直棒比埋设L型热棒对路基土的保护和改善作用好。

表2 不同形式热棒的路基内距地面3 m距热棒壁1 m处的温度

图8 热棒影响点温度走势

4 结 论

综上所述，热棒在岛状多年冻土地区同样对提高冻土上限、保护多年冻土的稳定有很大作用，热棒的作用是有一定范围的，即热棒的有效制冷半径，而热棒的主要作用区域为一个以热棒有效制冷半径为半径的圆柱形区域。三种形式热棒直棒、斜棒和L型热棒，从理论上直棒由于路肩两侧两根热棒的有效制冷半径之和小于路面宽度，使得一个断面内路基在水平方向温度分布不均匀，从而在相同荷载作用下变形不同，这样就会使路面在纵向产生裂缝。斜棒在这方面比直棒好。L型热棒在温度场分布的均匀性上比直棒和斜棒的好，但是由于热棒工作时需要重力作用，而L型热棒下面几乎是水平的，所以导热效率不如直棒和斜棒。从数据以及图中可以看出斜棒路基的温度最低，对路基的保护作用也是最好的，在受力后路基变形性的均匀性上L型热棒比直棒好，但是在提高冻土上限，提高路基承载力上直棒比L型热棒好。

【参 考 文 献】

[1]胡 明，凌思德，黄承甲.多年冻土地区公路热棒路基设计[J].黑龙江交通科技，2012(3)：53-54.

[2]孙 文，吴亚平，郭春香.热棒对多年冻土路基稳定性的影响[J].中国公路学报，2009，22(5)：15-20.

[3]汪双杰，陈国靖.多年冻土路基修筑技[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4]樊云龙.多年冻土地区热棒路基温度场研究[D].西安，长安大学，2011.

[5]徐兵魁，牛怀俊.热棒技术及其应用[J].路基工程，2005(5)：1-4.

[6]米维军，贾 燕.确定热棒制冷影响范围的新方法[J].路基工程，2007(1)：20-23.