（岩土工程专业论文）多年冻土区热棒路基设计计算.pdf

原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果 由本人承担。 论文作者签名：群丢麟 f 日期：撇年6 月，日 铁道科学研究院硕士学位论文 摘要 热棒是应用于土木工程中的无芯重力式热管。热棒因其高导热性能、等 温性能、单向导热性能、环保特性、结构灵活等特性，被广泛应用于工业与民 用建筑、公路工程、铁路工程、机场跑道、输油管线、输电杆塔、水工大坝等。 热棒路基是用来保持多年冻土区路基热稳定性、减弱冻胀融沉及其他不良冻土 现象病害的一种工程措旌。 文本综述了热棒技术在国内外的发展现状，介绍了热棒的基本工作原理 和工作特性，热棒路基及其热工特性，并对热棒路基的稳定性迸行了简要的分 析。对养护多年冻土热棒路基进行了详细的热工计算和设计参数的选取分析， 给出了设计计算过程和方法。文章从热棒暖季隔热( 热棒暖季启动工作) 、寒季 采冷增大路基冻结速率和增加等温冷冻面三方面，分析了全年工作的防冻胀热 棒路基减弱不均匀冻胀的可能性，并通过对热棒全年隔热量和产冷量的热工计 算，简要的讨论有关热棒的基本参数选取。 关键词：热棒( 管) 多年冻土设计 铁道科学研究院硕士学位论文 d e s i g n i n g & c o m p u t i n go ft h e r m a lp i p ee m b a n k m e n t i n p e r m a f r o s tr e g i o n s a b s t r a c t t h e r m a lp i p ei sak i n do ft w o p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o ni nu s eo fc i v i l e n g i n e e r i n g w i t hh i g h e f f i c i e n c yh e a tt r a n s f e r ，i s o t h e r m i c i t ya n de n v i r o n m e n t - p r o t e c t e dt r e a t ，t h e r m a lp i p eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e df o ri n d u s t r ya n dh o u s i n g b u i l d i n g ，h i g h w a ye n g i n e e r i n ga n dr o a d w a ye n g i n e e r i n g ，a i r f i e l dr u n w a y ，o i l t r a n s f e r , c o m m u n i c a t i o np o l ea n dt o w e r ，w a t e rc o n s e r v a n c yd a ma n ds oo n t h e r m a l p i p e e m b a n k m e n ti so n eo fe n g i n e e r i n gm e a s u r e st o p r o t e c t i n g e m b a n k m e n tt h e r m a ls t a b i l i t y ，t oe l i m i n a t i n gf r o s t - h e a v i n ga n dt h a ws e t t l e m e n t d i s e a s ea n do t h e rh a r m f u lc r y o g e n i cp h e n o m e n ad i s e a s e si np e r m a f r o s tr e g i o n s t h ep a p e rm a k e sas u m m a r yo fs t u d ya c t u a l i t yo ft h e r m a lp i p et e c h n o l o g y ，h a s a ni n t r o d u c t i o nt ot h e r m a lp i p eb a s i cw o r kp r i n c i p l ea n dw o r kc h a r a c t e r i s t i c ， t h e r m a lp i p ee m b a n k m e n ta n di t st h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n ds i m p l ea n a l y s i sf o r t h e r m a lp i p ee m b a n k m e n ts t a b i l i t y f o rm a i n t a i n i n gp e r m a f r o s tt h e r m a lp i p e e m b a n k m e n t ，t h ec o n c r e t ed e s i g nc o m p u t i n ga n dc h o i c eo fb a s i cd e s i g np a r a m e t e r s h a v eb e e ng i v e n t h ep a p e ra n a l y z e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h e r m a lp i p ee m b a n k m e n t e l i m i n a t i n gu n e v e nf r o s t h e a v i n gt h r o u g hr e d u c i n gd e p t ho f s e a s o n a lt h a w i n gf r o m t h e r m a lp i p eh e a ti n s u l a t i o ni nt h ew a r m s e a s o n s ，a c c e l e r a t i n gf r e e z i n gr a t i oa n d a d d i n go n ei s o t h e r m a lf r e e z i n gl a y e rf r o mt h e r m a lp i p ec o l dg a t h e r i n gi nt h ec o l d s e a s o n s ，a n dh a sa ns i m p l ei n t r o d u c t i o nt od e s i g nc o m p u t i n gu s i n gt h et h e r m a l c o m p u t i n g o f h e a ti n s u l a t i o nr a t ea n dc o l dg a t h e r i n gr a t e k e yw o r d s ：t 1 1 e r m a lp i p e ，p e r m a f r o s t ，d e s i g nc o m p u t i n g 2 铁道科学研究院硕士学位论文 引言 青藏铁路第二期工程格( 尔木) 一拉( 萨) 段于2 0 0 1 年开工。在全球气温升高 的大背景下，为了让线路顺利通过5 5 0 多公里的多年冻土区，线路设计中采用 了“保护多年冻土”的设计原则，以保证路基的稳定性。热棒路基就是为了实 现这一原则而采用的一种主动保护多年冻土的工程措施。自开工以来，青减铁 路陆续在清水河试验段、北麓河试验段、开心岭试验段、安多试验段开展了热 棒路基的现场试验研究工作，从热棒路基合理性验证，热棒设计参数的选取， 热棒与其他措施( 如保温板) 联合使用，热棒防治路基病害等方面，系统地展 开了热棒路基技术与应用的研究。 本文所述就是这些研究中的一部分，即在清水河试验段现场试验研究所积 累的第一手资料的基础上，通过热工分析，初步探讨了养护多年冻土的热棒路 基设计计算方法。同时，为了解决运营中可能出现的不均匀冻胀问题，文中利 用热棒的等温特性提出了一种切实可行的防治不均匀冻胀病害的热棒路基措 施。 铁道科学研究院硕士学位论文 第一章热棒技术在国内外的发展概况 1 1 热棒技术在国外的发展概况 热管是一种新型高效传热元件，通过工质蒸发和冷凝相变转换，能在很小 的温差下传输很多的热量。热管的当量导热系数比导热性能良好的金属铜高出 几十倍，甚至数百倍。因其高导热性能，热管在实际工程的散热、换热、等温 和温控设备中显示了很大的优越性，被广泛应用于航天、电子、石油、化工、 动力、冶金、纺织、电工、建筑、陶瓷、机械、太阳能利用、工业余热回收等 行业【1 1 1 2 1 。 热棒是应用于寒区土木工程中的无芯重力式热管。由于热棒具有高导热性 能、等温性能、单向导热性能、环保特性、结构灵活等特性，被广泛应用于冻 土工程中，用来提高冻土与基础间的冻结强度和剪切强度、防止多年冻土退化、 减弱冻胀等1 3 l 。热棒是一种无需外加动力、无运动机械部件的冷冻系统，因而 工作时无噪声干扰、无需日常维修养护、安全可靠、可以长期连续运行。自2 0 世纪5 0 年代末期以来，热棒广泛应用于工业与民用建筑、公路工程、铁路工 程、机场跑道、输油管线、输电杆塔、水工大坝等工程，成为多年冻土区解决 冻土地基基础工程中热工问题的强有力技术之一。 2 0 世纪5 0 年代中后期，美国陆军工程兵团e r w i l a l o n g 先生从降低冻结土 体温度、增大桩基承载力出发，开发了一种无动力自冷冻地基系统，用来解决 阿拉斯加多年冻土区的基础设计问题，并申请了专利，因其系统有承载功能， 称为“l o n g 热桩”。1 9 6 0 年美国工程师协会在a u z o z a 和g l e r m a l l e n 的通讯工 程施工现场，用l o n g 热桩做天线、发射塔和房屋的基础，试验取得了满意的 结果。从1 9 6 1 - - 1 9 6 2 年冬季开始，基础范围内一直保持冻结状态，房屋没有 明显的变形。1 9 6 2 年2 月阿拉斯加地区工程师协会制造了一根试验热桩并安装 在a u z o z a 地区，用来分析热桩的热流。在现场实测数据的基础上，利用圆柱 体热阻公式计算、绘制出了热桩安装后和启动后的土体等温线和热流周转图， 计算得到了热桩的年热周转量( 即产冷量) ，在此基础上分析了产冷量与热桩闽 4 铁道科学研究院硕士学位论文 距、土体温度和导热系数等参数的关系【4 l 。这些成果已成为热桩基础设计和热 桩研制的理论基础。 多年冻土区桩基础工程的技术难题之一是桩的冻拔问题。采用热桩可以有 效减小或消除冻拔：由于热桩是等温装置，蒸发段竖直方向上的温度梯度接 近于零，与一般正常梯度状况相比，热棒侧壁的冻结力减小了；在多年冻土 埋深较大时，桩周冻结球体将提供较大的摩擦阻力；在多年冻土埋深较浅时， 这个冻结球体直接锚固在多年冻土上；由于桩周冻结界面是径向扩大的，析 出的冰晶体与桩身平行，因此桩周土体主要产生径向膨胀，从而减小了桩基础 的切向冻胀力。 2 0 世纪7 0 年代早期，为了增加热桩的承载能力和抗拔力，l o n g 先生提出 了热环形桩的概念【4 】，即在桩表面安装环形的螺旋叶片，以利用冻土的剪切强 度。热环形桩增加了桩的承载力，减小了桩的埋深，为热桩在土木工程中的应 用提供了有力的技术支持。1 9 7 3 年，l o n g 先生在阿拉斯加创立北极基础有限 公司，在进一步对热棒在阿拉斯加多年冻土区土木工程中应用研究的基础上， 完成了商用热桩的规格化生产，提供6 大系列的热桩及其设计计算程序和相关 的技术服务。 从北冰洋起横穿阿拉斯加至太平洋的阿拉斯加输油管线工程是利用热桩 解决多年冻土区桩基础问题最成功的典范。管线全长1 2 8 4 k m ，使用了1 1 2 0 0 0 根热棒。运行状态的测试结果表明：安装热棒后，输油管线支撑排架桩柱壁面 和6 m 深处冻士温度迅速下降，保证了桩基的承载力，较好地防止了冻拔危害 吼热桩在阿拉斯加输油管线工程中的应用使热桩技术在设计、施工及其后续 的养护、使用寿命监测方面向前迈进了一大步，推动了热桩在其他国家多年冻 土区的研究和应用。 随着人们对全球气温升高的广泛关注，多年冻土区工程活动导致多年冻土 退化的现象已引起工程界的普遍重视。作为保护多年冻土的冷冻措旌，热棒， 即不能承载的无芯重力式热管，逐渐被广泛应用于铁路工程、公路工程、大坝、 房屋等工程中。 加拿大在2 0 世纪6 0 年代后期向美国购买了热桩专利，2 0 世纪7 0 年代成 立了加拿大北极基础有限公司。1 9 7 8 年，加拿大在哈迪逊海湾铁路选点进行了 铁道科学研究院硕七学位论文 热棒整治路基融沉病害的试验研究。热棒安装在两侧路肩，直径6 1 m m ，总长 9 l o m ，纵向间距4 m 。两年的观测结果表明：热棒能有效缓解路堤下多年冻 土的融化，从而减小路堤下沉，使线路恢复稳定。1 9 8 7 年，在哈迪逊海湾铁路 南北两端病害严重地段选择了3 5 k m 线路区段，用热棒对该区段内的路堤热融 下沉进行整治试验。经观测和分析：南北3 5 k i n 试验段线路质量有了重大改善， 热棒整治路堤热融下沉是成功的。 2 0 世纪9 0 年代后，随着美国和加拿大多年冻土区大型基础建筑的基本完 成，热棒的应用及其相关研究相应的有所减少。目前，热棒主要作为一种防治 措施，与其它工程措施( 如保温板、片石通风、片石护坡等) 联合使用防治全球 气温升高出现的冻土病害。另外，热棒还应用于城市道路和机场跑道的融雪防 冻。 i j 苏联学者在2 0 世纪6 0 年代早期曾提出热传导桩的概念。列宁格勒铁路 运输设计院、莫斯科铁路运输设计院以及西伯利亚冻土研究所曾用煤油做工质 设计了单相单管、单相多管热传导装置，并将其应用于伊尔库茨克公路和雅库 斯克水库等工程中，效果良好。由于单相热管没有相变传热，其传热效果远不 如两相传热的热管。 日本能源缺乏，热管在能源回收与高效利用方面的研究与应用发展较快， 而热棒技术主要应用于热棒冷库以及城市道路和机场跑道的融雪防冻。 研究热棒在寒区工程中应用的国家还有瑞典、挪威、芬兰等。 总的说来，热棒技术的应用与研究随各国国情不同而有差别。由于热棒技 术应用性强，商业潜力大，客观上促进了热棒技术的研究，有利于热棒新技术 的发展。 1 2 热棒技术在国内的发展概况 热棒技术作为青藏铁路高海拔多年冻土区维持铁路正常运营的技术储备 之一，从2 0 世纪8 0 年代以来，中铁西北科学研究院、铁道第一勘察设计院、 中科院寒区旱区环境与工程研究所以及中交第一公路勘察设计院等单位的专 家和技术人员多次赴美国、加拿大、前苏联及俄罗斯参观调研热棒的研究和工 程应用。 1 9 8 7 年，为了更好地解决寒区铁路工程问题，铁道部下达了“冻土地区热 6 铁道科学研究院硕士学位论文 桩技术应用研究”的科研项目，由铁道部科学研究院西北研究所( 中铁西北科 学研究院的前身1 所承担。该项研究历时三年，经理论分析、制造工艺研发和 室内低温风洞试验，以及在青藏公路可可西里地区涵洞进出口融沉防治的现场 试验，热棒研制获得成功。该研究成果解决了制作工艺、低温风洞试验和传热 计算等核心问题，提出了热通量、热扩散系数、热桩功率、冻结半径及产冷量 等各项参数的计算方法及相关诺模图。现场的试验测试完全证实了热棒的高传 热性能【3 j 。 1 9 8 9 年，黑龙江省科委资助在人防地道用哈尔滨设计制造的2 8 支大型钢- 氨热棒进行了热棒天然蓄冷的实验研列“。 1 9 9 3 年，齐齐哈尔市电业局采用热棒技术，成功地解决了输变电设备杆塔 地基的冻拔问题【6 1 ；中科院寒区旱区环境与工程研究所，在低温实验室内对热 棒进行了性能试验，测定了热棒的性能参数，并于该年冬季进行了室外试验。 1 9 9 5 年，哈尔滨市电力局组织相关力量开展了应用热棒技术解决寒区冻胀 问题的实验研究和相关数值分析。 1 9 9 9 年，黑龙江省科委资助哈尔滨工业大学青年教师，开展了热棒在高纬 高寒地区的现场试验研究。 2 0 0 1 年在青藏铁路设计中，提出了“保护多年冻土”的基本设计原则。为 了保证在全球气温升高的背景下，实现这一设计原则，铁道部下达了“路基新 结构一热棒路基”的科研项目，开展现场试验研究，验证热棒路基工程措施保 护多年冻土的有效性。现场实测数据和相关数值分析证明了热棒高效的冷冻效 果【鄂。 2 0 0 2 年，青藏公路在整治清水河段公路融沉病害中，用了2 5 0 0 根热棒。 由中交第一公路勘察设计院开展热棒路基、通风路基、片石护坡、保温材料等 工程措施的效果对比研究。 2 0 0 3 年，青藏铁路又立项开展了“安多热棒路基试验研究”和“路基病害 调查监测与整治措施的研究”两个科研项目，分别研究热棒与保温材料联合使 用的冷冻效果和热棒防治冻土病害的有效性。目前，青藏铁路采用热棒已经达 数千根。 2 0 0 3 年，铁道部开展了在东北既有线采用热棒路基、保温材料、片石护坡 铁道科学研究院硕士学位论文 等工程措施对多年冻土区的铁路病害的整治研究。目前研究正在进行当中。 1 3 小结 在国外，热棒主要应用于输油管线的桩基础，热棒在铁路路基中的应用较 少，比较典型的工程实例是加拿大哈迪逊海湾铁路既有线融沉病害的防治。因 我国国情特点及多年冻土区土木工程的发展要求，热棒主要应用在路基工程 中，用来养护路基下多年冻土、防治路基冻胀融沉病害。青藏铁路和青藏公路 采用的热棒路基技术是热棒首次在我国土木工程中大量使用的范例，为今后热 棒技术的研究和应用积累了一定的现场数据和相应的工程实践经验。但热棒路 基的设计还只是根据前期科研成果，比照国外的相关工程措施在具体的试验验 证的基础上给出的核心设计参数，目前还没有完整的设计计算理论。 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章热棒及热棒路基 2 1 热棒工作原理 热棒是一种无芯重力式热管，通过液汽两相转换对流循环进行热传输。热 棒由一根封闭管组成，里面充以工质，管的上部是冷凝器，下为蒸发器，根据 实际需要可以在冷凝器与蒸发器之间设置绝热段，其结构如图2 1 所示。当蒸 放出汽化潜热， 工质冷凝成液体 压司 i 蒸气上升 【一 压丽 液体回流f i一 吸收热量，工 质蒸发 图2 1 热棒结构示意图图2 2 热棒工作原理示意图 发段温度高于冷凝段温度，其温差超过热棒的启动温差( 据试验，启动温差约 为o 1 ) 时，蒸发段液态工质吸收汽化潜热蒸发成汽体，在压差作用下，蒸汽 沿管内空腔上升至冷凝段，与相对较冷的管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液 体。冷凝段管壁内的液态工质在重力作用下沿管壁回流到蒸发段，再次吸热蒸 发，如此往复循环将蒸发段热量带出( 图2 2 ) 。只要蒸发段高于冷凝段的温差大 于热棒的启动温差，这种循环便可连续进行下去。 2 2 热棒工作特性 ( 1 ) 高传热性能 热棒内部靠工质相变和蒸汽流动传输热量，而相变潜热传输效率较对流换 热和一般热传导效率要高得多( 表2 1 ) 。 9 铁道科学研究院硕十学位论文 表2 1 热棒传热效率的比较 l 热棒液体对流铜钢 冻土 融土 l 有效导热系数 i( w m ) 2 4 2 0 0 04 1 0 03 8 04 32 21 4 注：摘自铁道部科学研究院西北研究所冻土地区热桩技术应用研究，1 9 9 2 年。 ( 2 ) 等温性能 热棒具有较高的等温性能是相对于同样尺寸的热工材料而言的，而且必须 在相同的传热条件下进行比较才有意义。由于热棒的热传导过程是由许多常规 的传热过程所组成的，因此它与一般传热过程一样，温差与传热量成正比。但 热棒中的传热过程不同于纯粹的导热，它还包括相变和蒸汽流动这种小温差的 传热方式，因而热棒具有相对较高的等温性能。在土木工程中，完全可以假定 热棒侧壁为一等温面。在青藏铁路有关的热棒试验项目中，现场实测数据证实 了热棒侧壁的等温性能【5 1 。 f 3 ) 单向导热性能 由热棒的工作原理可知，若冷凝段温度高于蒸发段温度( 即气温高于地温) ， 热棒管内蒸汽不能冷凝，液池内液态工质停止蒸发，热棒自动停止工作。因此 大气中的热量不会通过热棒传入土体。热棒的这种单向传热特性被称之为“热 二极管”。 ( 4 ) 环保性能 热棒运动没有机械部件，因而无需外加动力，无噪声干扰，无污染，无需 日常维修养护，能够安全可靠、长期连续的运行。 ( 5 ) 夕1 - 形多样化 根据工程不同的散热和、汇冷需要，热棒可以灵活地改变形状及其大小。 2 3 热棒路基 2 3 1 多年冻土区路基的热融下沉和冻胀病害 ( 1 ) 热融下沉病害 在多年冻土区修筑路基后，路基土体的密度、含水量及路基表面的蒸发特 性、反射和漫反射特性以及表面热阻等都会发生变化，再加上施工过程中的人 为扰动，必将导致原热力平衡系统的破坏，表现为冻土上限位置的升降变化。 1 0 铁道科学研究院硕士学位论文 由于以下原因可能导致多年冻土上限位置下降：因气温冻结指数有限，寒季 平均气温值达不到路基形成临界高度所需的气温临界值。在该地区修筑路基 后，路面、坡面所增加的地中传热无法通过增大路基高度，即加大路基本体的 热阻来抵消，具体表现为路基无“下界临界高度”，路基下冻土上限必然会下 降。在高温高含冰量冻土地区，多年冻土的冷储量较小，热稳定性较差，暖 季施工带入的热量会导致上限下降。在降水量较大的沼泽湿地或低洼积水地 段，由于排水措旋不当和路基结构不合理引起路基基底积水，形成融化盘。 全球气温升高导致的部分季节冻土、岛状冻土退化。 在含冰量较大的粘性土地段，当路基基底下多年冻土上限附近分布有较厚 的地下冰层时，上限下降，厚层地下冰局部融化。上覆土层在土体自重和外力 作用下将产生大量沉陷，造成路基严重变形。这种变形表现为路基下沉，路堤 阳坡路肩和边坡土体开裂、下滑，路堑边坡溜坍等。这就是热融下沉病害。 这种因上限下降引起的热融下沉病害一般有如下特点：突然的大量下 沉。在以较慢的速度连续下沉一段时间后，有时突发大量的沉陷，并使两侧部 分地基土隆起。这是由于路基基底高含冰量的粘性土融化后处于过饱和状态， 其承载力几乎为0 ，加之路堤两侧融化深度不一，使得基底形成一倾斜的冻结 滑动面。在车辆振动荷载作用下，过饱和的粘性土顺着冻结面挤出，路堤瞬间 产生大幅度的沉陷，通常称为“突陷”。这种突陷严重危及行车安全。例如牙 林线潮乌段8 k m 处，1 9 6 2 年曾发生过在5 h ( o u r ) 内路基下沉1 4 m ，造成机车掉 道事故。牙林线k 1 9 7 公里处发生一次下沉1 s m ，迫使一列客车停车达4 h 。 周期性的持续下沉。路堤在每年融化季节逐年下沉，有的甚至全年下沉。例如 牙林线k 3 2 6 + 4 5 0 k 3 2 6 + 8 8 0 段，1 9 6 2 年下沉1 2 m ，1 9 6 3 年0 8 m ，1 9 6 4 年 继续下沉。严重下沉病害大多发生在沼泽地区的低路堤地段【 。 路基热融下沉病害是多年冻土区路基主要病害之一。在青藏公路，据中交 第一公路勘测设计院现场观测，1 9 8 1 1 9 8 6 年青藏公路某观测路段，路基下沉 4 0 c m ，另一段自1 9 7 6 1 9 8 5 年下沉5 0 c m t s 】。据铁道第三勘测设计院实地调查， 1 9 6 4 年牙林线根河工务段管内，就有严重下沉地段2 2 5 处，总延长1 5 4 7 k r n ； 图罩河工务段管内1 3 8 处，总延长1 8 9 5 2 k m 。有的地段在融化季节，几天就 需抬道一次，严重地段如潮乌段k 0 + 0 7 0 2 0 0 及k 0 + 3 8 0 + 4 0 0 路基连年下沉， 堡壅型堂笪壅堕堡兰壁堡奎 19 6 1 年和1 9 6 2 年下沉量分别达到1 5 m 及1 8 m ，线路坡道标沉至地面。1 9 6 3 年在长6 0 m 范围内卸混碴7 车，经捣固后仍不见路基形状。因路基下沉抬道， 全段每年用砂石达3 万立方米，花费人工2 万多工日删。 f 2 ) 冻胀病害 多年冻土区路基从暖季进入寒季，路基本体及其活动层将发生自上而下和 自下而上的双向回冻，路基冻胀就发生在该回冻过程中。冻胀可分为原位冻胀 和分凝冻胀，前者因其孔隙水原位冻结，水变成冰体积膨胀使土体冻胀，后者 由外界水分补给并在土中迁移到冻结锋面使土体冻胀。路基冻胀量大小与气 温、降水、土温、含水量、填料等因素有关。就工程实践而言，冻胀本身没有 什么危害，有危害的是冻胀不均。冻胀不均产生的原因有如下三类：因水分 分布不均引起的冻胀不均。这种水分分布不均的原因有：路基基床不平整，引 起局部积水；碎石或混砂道床垫层不洁，污染严重，混入泥土较多，导致该处 积水；地表水或地下水对路基土的不均匀浸湿。路堤填土不均匀及路堑基底 土质差异( 因土的性质及结构不同引起的热物理特性。如导热系数、容积热容 量等的差异) 引起冻胀不均；路基不同朝向引起的阴阳坡差异，从而导致地 表热周转的差异引起冻胀不均。 这种因水分分布不均、土质不均、地表热周转差异引起的不均匀冻胀一般 有如下特点：分布广，严重地段比较集中：突发性的出现隆起和回落； 形成的冻害时间在整个寒季，且持续时间长；春融初期，由于昼夜温差较大， 冰变水，水变冰，反复融冻，维修工作十分复杂。 路基不均匀冻胀很容易造成了线路超限，从而形成病害。根据铁路部门有 关标准，左右两股路轨之间或每股路轨在l o m 以内的变形差不能超过4 m m 。 而不均匀冻胀影响的变形很容易超过这限值。例如，牙林线冷布露车站因未 挖排水沟，路基一侧积水，造成站内有三股道冻起5 0 0 m m ，使该股线路封闭 了3 年。一些曲线地段，由于曲线内侧钢轨冻起，使曲线超高难以保持，养路 部门在冬季作业中以绝大部分耩力投入冻害整治作业。特别是出现突发性的严 重线路冻胀地段，不得不派人昼夜巡守，寻找地下水承压最强的处所，进行人 工爆破或凿冰放水落道。1 9 6 5 年的滨洲线、牙林线冻胀病害调查见表2 2 。 铁道科学研究院硕+ 学位论文 表2 2 冻胀病害情况统计表 冻起高度l o 2 4 m m2 5 5 0 m m5 1 m m合计 项别 处延长米处延长米处延长米处延长米 工务段 根河 6 8 7 4 4 1 0 29 6 81 61 6 21 8 61 8 7 4 图罩河 1 7 6 3 3 0 1 1 7 5 4 2 2 52 2 5 9 2 3 7 38 1 1 8 牙克石 5 3 09 0 9 64 3 77 7 1 03 68 4 51 0 0 31 7 6 5 1 满洲里 5 93 9 3| 5 9 3 9 3 海拉尔 4 3 67 3 0 21 4 12 6 8 872 0 45 8 41 0 1 9 4 博克图 5 6 01 3 2 8 62 2 34 4 3 271 2 97 9 01 7 4 8 7 注：摘自铁道第三勘测设计院冻十工程，2 0 0 2 年。 路基冻胀病害按冻起高度可分为：轻微冻害( 5 0 m m ) ：按路基冻害的变形特征：可分为冻凸、冻凹、交错冻起、 单侧冻起、冻胀裂缝等类型；按病害发生部位则可分为：道床冻害f 由道床面 至基床面，不包括陷槽) ，路基表层冻胀( 从基床面至最大融深位置的上半部分1 及路基深层冻胀( 从基床面至最大融深位置的下半部分) 。 2 3 2 热棒在防治路基热融下沉和冻胀病害中的应用 因热融下沉病害会导致路基整体失稳，防止该病害被纳入到线路设计中， 其设计原则之一是“破坏冻土”，即清除产生融沉的冻土。这自然是最彻底的 方法，但应用范围非常有限，一般只能在季节冻土、岛状冻土、冻土南北界等 冻土厚度较小的地区使用。对于有一定厚度的其它冻土，一般采用“保护冻土” 的设计原则，即采取相应的工程措旌保持冻土上限稳定。这些工程措旎根据其 作用原理可以分为三类：减少传入路基中热量的措施。如通过减少太阳短波 直接辐射的遮阳棚和边坡遮阳板措施，通过增大路基热阻的路基隔热措施，通 过表面涂料、边坡种草等改变表面特性措捷；改变路基结构，增加路基对下 沉变形适应性的措施。如填石路基、粗颗粒土换填基底等措施。冷冻地基及 其下卧多年冻土，增大路基稳定性。如利用片石层“热开关效应”的片石通风 路堤，利用寒季空气对流换热的通风管路堤等。养护多年冻土热棒路基就是属 铁道科学研究院硕七学位论文 于利用其高传热性能冷冻冻土地基的第三类措施( 图2 3 ) 。 膨# 够f 群搿搿澎翅 髓 f f 粼蕊毁怒t 戳绩饼 7 辱一 t j x i ? “v | 懋 、i “n j k 媳豫n 垮、1 ； 钟，；玲，) ) 玲 坤* 哼净 & 拦 j 嚣够衍“衍 ，甜l | 出。出i 出t o j 0 止龃 厂v 、v 、1 图2 3 养护多年冻土热棒路基示意图 _ 、厂n 厂、厂、一 图2 4 防冻胀热棒路基示意图 防治不均匀冻胀病害的方法很多，根据整治病害的出发点不同，粗略地可 分为两大类：一类是减少不均匀冻胀的地基改良方法，一类是增加地基抗冻胀 能力的地基加固方法。就减少冻胀的方法而言，主要有三种措施：机械措施。 如避免强烈分凝冻胀的粗颗粒土换填措旋；利用强夯，增大土体密度，使土颗 粒之间的接触类型从固液固型或固固液型尽量向固固型转化，从而切断土中毛 细管之间的联系或减薄土颗粒外围水膜的厚度，达到减少水分迁移量的机械强 夯措施。物理化学措施。如添加化学试剂、阳离子，憎水材料，改变土壤的 成分和性质或者改变土颗粒的集聚状态，减少水分迁移量的盐化措施，电化学 处理等措施。热物理措施。如通过减小冻胀土层厚度使土体总冻胀量减小的 保温材料隔热措旋。防冻胀热棒路基就是利用其暖季隔热减小路基融化深度从 而减小冻胀土层厚度和利用其等温特性减弱不均匀温差的第三类热物理措施 ( 图2 4 ) 。 n 1 养护多年冻土热棒路基 多年冻土一般发育在高纬度或高海拔地区，如中国东北大兴安岭和西部青 藏高原。这些地区的冻结指数较大，寒季气温比土体温度低。这样热棒就可以 在寒季将大气中的冷量采集传送到土体中冷冻地基多年冻土。由于热棒的高导 热性能，故采冷效率很高。热棒在很小的温差下就能启动，故工作时间较长。 热棒有单向传热特性，故在暖季不会将空气中热量送入地基。热棒的这些特性 使热棒路基在增加地基冷储量、减小热融下沉的“保护多年冻土”设计原则中， 成为了一种强有力的工程措旌。我们把如图2 3 所示的路基结构按照其功能称 铁道科学研究院硕士学位论文 之为养护多年冻土热棒路基。其所采用的热棒一般是竖直杆件，垂直或倾斜埋 设在路肩、边坡、坡脚等位置。 ( 2 ) 防冻胀热棒路基 如图2 4 所示路基结构可以较好的防止不均匀冻胀，原理如下( 详见第四 章) ：在暖季路基地面温度高于气温，在青藏高原强辐射地区，地表r l 系数 在2 5 以上。水平埋设在基床中的热棒暖季也能工作，阻止地表向地中传热， 减小季节融化深度。在回冻时期，热棒能加快路基土体冻结速率，减小水分 迁移，从而达到减小冻胀的目的。利用热棒的等温特性减弱路基横向的不均 匀温度梯度。路基因阴阳坡向导致土体温度场分布不对称，从而产生不同冻结 速率，这是产生不均匀的冻胀的原因之一。热棒的等温 ：作特性能够较好的减 弱这一差异，从而保证土体冻胀的均一性，达到减弱不均匀冻胀的目的。我们 把这种专门针对不均匀冻胀病害而采取水平埋设的热棒路基结构称之为防冻 胀热棒路基( 如图2 4 ) 。这里需要指出的是，为了保证热棒工质在重力作用下顺 利回流，蒸发段不能完全水平设置，而需要一定的倾斜角度( 这个值大概在5 7 。 左右) 。因该值就工程而言完全可以忽略不计，在以后的设计计算中，我们假 定是热棒蒸发段是水平的。 应该指出，养护多年冻土熟棒路基，也有一定的防冻胀作用，其原理如下： 一方面通过热棒采冷冷却多年冻土，抬升上限，减小冻结土层厚度，从而减小 冻胀量；另一方面垂直热棒改变了活动层土体冻结时的析冰方向，使水平析冰 变成了垂直和倾斜方向的析冰，从而减小了土体在垂直方向的冻胀。防冻胀热 棒路基也有定的采冷效果，能够从寒季采冷、暖季隔热两方面起到养护多年 冻土，保持路基热稳定的目的。怎样充分利用热棒的这两种功能还是一个值得 探讨的问题。本文在设计计算中只针对这两种结构的主要功能，分别讨论养护 多年冻土热棒路基和防冻胀热棒路基设计计算。 热棒应用在路基中，除了防治热融下沉和不均匀冻胀外，还可用于防治不 良地质现象引起的路基病害。例如，既有线路路基，因排水不畅导致路基坡脚 或基底积水，从而引起各种不良地质现象( 如冰椎、冻胀丘等) 时，可将热棒插 在路基上侧山坡某处，抬升该处多年冻土上限，使其形成一个“防渗幕”，阻 止地下水流入路基基底，从而消除病害，确保路基的稳定。 铁道科学研究院硕士学位论文 2 4 热棒路基热工特性 2 4 1 热棒路基热周转过程 f 1 ) 养护多年冻土热棒路基热周转过程 为了更有效的冷冻地基多年冻土，养护多年冻土热棒路基一般将热棒蒸发 段埋设在活动层以下的冻土层内，而在基底活动层和路基本体部分，设置绝热 段( 见图2 1 ) 。在暖季，多年冻土中的蒸发段温度在零度准确地说是冻土的 起始冻结温度以下，而暖季气温是高于零度的。从而这种养护多年冻土的 竖直热棒在暖季就不工作了。 从暖季进入寒季，热棒开始工作。热棒起始工作时刻与外界的气候条件和 冻土状况有关。青藏高原一般在9 月中下旬。热棒工作时，将大气中的冷量传 送到蒸发段土体，使蒸发段周围士体温度迅速降低。蒸发段温度会因热棒采冷 而继续储冷，同时冷量也会向四周扩散。在热棒工作初期，因气温持续下降， 热棒产冷量不断增加，而受土体较小传热能力的限制，向四周扩散的冷量比热 棒产冷量小，蒸发段温度会持续降低。可以把这段蒸发段温度不断降低的时段 称之为热棒“储冷”阶段。在热棒“储冷”阶段，随着蒸发段温度不断降低， 蒸发段温度与气温的温差不断减小，热棒采冷效果随之减少；而蒸发段温度与 周周土体温度的温差不断增大，冷量扩散效果随之增大。随着时间的推移，采 冷效果和扩散效果必将趋于平衡，蒸发段温度不再增大而达到最低，此时大概 是第二年的2 月初。此后，冷量扩散效果大于采冷效果，热棒路基系统从“储 冷”阶段进入“扩散”阶段。在“扩散”阶段，随着气温的回升，采冷效果下 降，热棒虽然继续从大气中采集冷量，但热棒产冷量比冷量向四周扩散量要小， 蒸发段温度开始升高。当气温回升到与蒸发段侧壁温度相等时，热棒停止工作。 此时，蒸发段温度与周围土体还有一定的温差，冷量继续扩散，但扩散速度逐 渐减小。至8 月底，热棒与周围土体的温度梯度达到最小值( 约0 2 c m ) 。9 月 初，随着夜间气温下降至零度以下，热棒又开始工作，热棒路基系统进入下一 个“储冷扩散”热周转循环。 ( 2 、防冻胀热棒路基热周转过程 与养护多年冻土热棒路基不同的是，防冻胀路基热棒埋设在路基基床中， 该处暖季地温比夜间气温高，故热棒在暖季也能启动工作，阻止地表热量向地 1 6 铁道科学研究院硕士学位论文 中传入。 寒季热棒起始工作时刻也是在9 月中下旬。热棒采冷在热棒水平蒸发段形 成一个“冷汇”。此时，热棒周围土体还是融土，所采冷量主要消耗于土体相 变潜热，发生相变潜热的土体以热棒蒸发段为界可分为上下两层。上层厚度较 小，大约1 0 天即可完全回冻。下层厚度较大，回冻时间长，需要2 3 个月。 路基活动层冻结过程可以称之为热棒路基系统的“回冻”阶段。 “回冻”阶段完成后，路基本体处于冻结状态，热棒所采冷量主要用于路 基和地基冻土储冷。由于此时地表温度很低，热棒蒸发段冷量绝大部分向下层 地基扩散，冷冻路基或地基土体。这一“储冷扩散”阶段一直会持续到4 月 中旬。随着气温回升，冷量将向地表扩散。因地表是丌敞界面，蒸发段冷量向 地表扩散很快，蒸发段温度迅速升高，直到与气温相等，热棒停止工作。之后， 蒸发段与周围土体虽然还有温差，但很快就会扩散完。 而此时，随着气温回升，地表温度在太阳辐射作用下，升温速率比气温快。 当地表热量传到热棒埋设位置时，热棒侧壁温度升高，而气温因进入夜间随之 下降。当气温低于热棒侧壁温度，热棒启动工作，将地中的热量带回大气中， 阻止地表热量继续向地中传入，直至热棒侧壁温度高于大气温度时，热棒停止 工作。这就是热棒的隔热作用。在白天，气温回升，地表温度升高，由于热量 向地中传播的滞后效应，热棒埋设位置的地温低于气温，热棒不工作。在夜间， 气温降低，热量传入热棒埋设位置，地温升高，到午夜，地温高于气温，热棒 启动工作。这样，热棒在暖季的工作是不连续的，并且受气候波动的影响，工 作时间的波动性较大。 热棒的“隔热”阶段从4 月中下旬一直持续到9 月中下旬。此后，气温迅 速下降至零度以下，热棒开始采冷回冻路基土体，热棒路基系统进入下一个“回 冻储冷扩散隔热”热周转循环。 2 4 2 热棒路基热周转效果评价指标产冷量、传热影响范围( 冻土q u ) 、冻结 半径( 融士中、及其计算 f 1 ) 产冷量及其计算 从上面热周转过程可知，热棒工作中的实际有效功率，不仅取决于热棒本 身的额定功率，还取决于热棒周围土体温度、气温、风速等。实际上，热棒 铁道科学研究院硕士学位论文 路基地基系统中的热棒的有效功率比其额定功率小得多。所以不能简单地用工 作时间和额定功率来直接计算热棒的传热量( 产冷量) ，而需通过计算热棒有 效功率才能求得其在寒季工作期间的产冷量( q o 。 假定在t 时，气温为t 。( t ) ，土体平均地温为t 。( t ) ，土体热阻为r s ( t ) ，散热 器热阻为r t ) ，热棒内部热阻为r 。( t ) ，则d t 时间内热棒产冷量增量d q 妁为： d q = 耐器西 2 - 1 积分得t 时刻产冷量的积分表达式： 啪) = 出 若取寒季热棒整个工作时间t 为单位时间，其平均地温、气温为t a 、t s ， 土体平均热阻为r s ，敖热器平均热阻为r f ，热棒内部平均热阻为。，则热棒 总产冷量为： g = 矗篙杀丁 2 3 由公式2 3 可知：产冷量与气温和地温的温差、热棒工作时间成正比，与 土体热阻、冷凝段散热热阻、热棒内部热阻成反比。产冷量的大小不仅与热棒 结构本身( r f 、心。) 有关，还与土体热物理特性有关，与气温和地温有关。就热 棒路基热周转效果而言，产冷量越大，热棒热周转效果越好。 在进行具体热工计算时，公式2 3 中的地温t s 和气温t 。是已知的，热棒 工作时间t 可以从气温和地温随时间变化曲线图中得到。下面讨论冷凝段散热 热阻r f 、热棒内部热阻。和土体热阻氏的计算。 热量从土体传输到大气，要经过许多传热环节，如图2 5 所示。热棒蒸发 热棒内部热阻r 。 冷凝段 | 一m 一一4 j 产r 。、o f 凡 x ，、江r 坐竺一 j r 5 、t 一w 、r m ，：弋： 蒸发段 图2 , 5 热棒路基系统热流程图 铁道科学研究院硕士学位论文 段与土体之间的热传导，其热阻为土体热阻r s ，热棒冷凝段与大气之间的对流、 辐射换热，其热阻为r f 。其他的传热过程和对应的总热阻r 。w 包括：蒸发段和 冷凝段内外壁之间的管壁热传导，对应热阻为r l ，热流通过蒸发段液池和冷凝 段内壁液膜的热传导，对应热阻为r 2 ，蒸发段液态工质在液池的汽一液界面上 蒸发和冷凝段蒸汽工质在内壁液膜的汽液界面上凝结的相变过程，对应热阻 为r 3 ，工质从蒸发段层流运动流向冷凝段，对应热阻为r 4 。 通常，热棒内部热阻r 。中的r 3 和r 4 是很小的，其数量级为1 0 _ 5 1 0 书 。c w ，在工程计算中一般可忽略不计。管壁热阻r l 最大，其数量级在1 0 - 4 1 0 。c w ，工质通过液池和体膜的热阻r 2 比r 1 小，但数量级与r l 相当。而 冷凝器的放热热阻r f 和土体热阻r ；的数量级在1 0 d 1 0 。c w 。所以，在公 式2 _ 3 中可以忽略热棒内部热阻。，其精度完全可以满足工程应用要求。这 样公式2 3 变成： qy=寺告71(2 4 ) 热棒冷凝器散热热阻r f 是冷凝器形状、尺寸、表面温度、气温和风速等 各种因素的函数，可用下列公式【9 】求得： r f = 1 ( a ) ( 2 5 ) 其中： a 冷凝器的有效散热面积； a 冷凝器的放热系数。 a 与散热器翅片形状有关，与风速有关。在计算中，根据热棒厂家提供的 散热器放热系数a 同风速的函数关系式n = 蚵v ) ，用现场的风速资料求得。 土体热阻r s 间接描述了冷量在土体中的扩散能力：r s 越大，冷量扩散越 慢；r s 越小，冷量扩散越快。风与土体的导热系数有关，与蒸发段直径有关。 假设热棒蒸发段是无限长线性传热体，把土体看成是均匀的等温介质，用 圆柱体热阻公式可以得到土体热阻凡的解析解： r 2 警斧 其中： ( 2 6 ) 铁道科学研究院硕士学位论文 d 一热棒的外直径； l c 蒸发段长度； x 热棒影响范围内土体平均导热系数； 卜一最大) 传热影响范围。 ( 2 ) ( 最大) 传热影响范围及其计算 由公式2 6 的推导不难看出，最大传热影响范围是在平均蒸发段温度，平 均土体地温，并假定导热系数为常数的条件下，得到的冷量扩散最大距离。实 际上，热棒冷量扩散因蒸发段温度的变化和地温的变化而分为“储冷”和“扩 散”两个阶段。如图2 6 所示，在“储冷”阶段，冷量大部分集中在蒸发段附 o 图2 6 热棒路基地温度随径向距离变化曲线示意图 l 近，传热影响范围小。在“扩散”阶段，蒸发段温度与土体温度温差减小，冷 量向四周扩散，传热影响范围加大。根据图2 6 中反映的工程实践中热棒径向 温度场随时间动态发展过程，可采用“储冷”阶段的传热影响范围。 传热影响范围可以从实测的热棒径向地温变化曲线图中直接得到，也可