L型加设直插型热棒与直插型热棒的地温差异

1/1L型加设直插型热棒与直插型热棒的地温差异L型加设直插型热棒与直插型热棒的地温差异L型加设直插型热棒与直插型热棒的地温差异姜利程维苏禹李泓韦东北林业大学土木工程学院摘要：

对比分析了岛状多年冻土区L型热棒加设直插型热棒与单一的直插型热棒在一定距离与深度的地温,发现L型加设热棒试验段路基的降温效果好于单一直插型热棒,这将对今后的东北地区及低纬度、高海拔地区的道路建设与养护提供依据和技术支持。

关键词：

岛状多年冻土;L型热棒;直插型热棒;地温;收稿日期：

2017-01-04Received：

2017-01-042015年,全球多年冻土面积约占陆地面积的24%,我国多年冻土面积约占国土面积的22.3%,我国1965年、2005年、2015年多年冻土面积(单位:10km)及分布[1]如表1,由此可见多年冻土正在逐年融化减少,根据调查资料[2],冻土的融化给道路工程的稳定性带来了负面影响,主要病害为路面沉陷和纵向裂缝。

表11965年、2005年和2015年多年冻土面积下载原表单纯地增大路基热阻保护冻土的工程措施难以保证多年冻土区路基的长期稳定,在高温、高含冰量地区尤为明显,所以针对不同类型的冻土要采取不同的冻土路基设计原则,对于不稳定冻土,需采取主动冷却冻土路基、控制多年冻土融化速率的原则[3-4]。

1热棒的工作原理与应用热棒是一种单向传热元件,当其垂直放置于重力场中时,在上部环境温度低于下部环境温度时,不需要任何动力,就可把蒸发段的热量源源不断地传送到散热段,如此不断地循环往复,主动对路基下的多年冻土进行降温冷冻,实现始终保持冻结状态的目的。

尽管热棒已广泛应用于青藏公路、铁路及大、小兴安岭地区公路工程建设当中,并在保护多年冻土地基稳定性方面发挥出了积极的作用[5],但在研究与实践中,两种热棒形式交叉安装治理多年冻土路基的案例基本没有,如L型热棒加设直插型热棒,斜插型热棒加设直插型热棒等。

本文主要研究的是L型热棒加设直插型热棒(交叉安装)与单一形式的直插型热棒的地温对比分析。

2试验段概况2.1热棒布置概况本试验段位于黑龙江省前嫩公路伊春至北安段的一处匝道,是交通运输部科技示范项目高纬度岛状多年冻土区高速公路路基设计与施工技术研究,本段先后于2011年7月、12月及2012年2月安装了斜插型热棒42根、直插型热棒40根、L型热棒30根,合计112根热棒。

经观测研究发现:L型热棒降温效果最差且路中出现纵向裂缝,直插型热棒降温效果略好于斜插型热棒,试验段与非试验段衔接处出现路面沉陷,沉陷值达到4.0cm左右并伴有路面横向裂缝,平均裂缝宽2.7cm,长度5m,已形成路面病害。

考虑到行车安全,于2015年在L型热棒段加设直插型热棒16根,并在原试验段与非试验段处加设直插型热棒10根,同时将沉陷及裂缝修补。

具体布置如图1,测温线位置与热棒距离分别为0m、0.5m和0.7m。

图1热棒布置示意下载原图2.2地质条件两试验段相距40m,地质概况基本相同,具体见地质柱状图,如图2。

图2地质柱状图下载原图3地温对比分析3.1距热棒0.7m处测温点地温对比分析由表2和图3、图4可以看出如下。

(1)在6.0m和6.5m深度处,L型加设热棒段平均地温低于0℃,新设热棒段平均地温高于1℃。

并且同一深度同一次测量的L型加设热棒段地温比新设热棒段平均低大约1.5~2.0℃。

其中两试验段最大温差分别为4.1℃和3.1℃,最小温差均为0.2℃,且均发生在2016年7月(当地全年大气温度最高月)。

表2两试验段同深度平均地温对比下载原表图3L型加设热棒段地温深度变化曲线下载原图图4新设直插型热棒段地温深度变化曲线下载原图(2)两热棒试验段的地温都比前一年同时期的地温低,如2016年10月7日观测数据对比2015年10月10日,在6.0m深度处,L型加设热棒段地温低1.1℃,新设热棒段低1.6℃;在6.5m深度处,L型加设热棒段地温低0.6℃,新设热棒段低1.4℃。

图56m深度两试验段地温曲线下载原图由图5、图6可以直观的看出,L型加设热棒段地温明显低于新设热棒段。

新设热棒段地温随时间呈U形变化,受季节影响较严重,L型加设热棒段受外界影响较小,且制冷效果优于直插型热棒。

在6m深度,地温变化有以下特征:(1)两试验段地温均于2015年10月达到最大值,原因有二:其一,大气温度在7月达到最大值,说明热量从大气经路面传至路基6m深度需要一定的时间,地温较大气温度滞后90d左右;其二,热棒没有工作。

图66.5m深度两试验段地温曲线下载原图(2)L型加设热棒段地温于2016年3月达到最低值,较大气温度滞后60d左右,新设热棒段地温于2016年4月达到最低值并保持到5月,较大气温度滞后90~120d左右,较L型加设热棒段滞后30~60d左右,造成这一结果的原因有二:其一,L型加设热棒段已经过L型热棒的多年作用,使路基建立了较天然路基低的地温平衡状态,所以在2015年的时间节点上,与新设热棒段的起始地温不同;其二,L型加设热棒段热棒的布设密度较高,单位面积的热棒数量是新设热棒段的2倍,热棒数量直接影响降温速率。

在6.5m深度,地温状况与6.0m较为相似,不同点在于:L型加设热棒段,地温最高值发生在2015年9月,而非10月,即10月较9月地温不但没有上升反而下降,原因是热棒蒸发段工作介质已达到工作温度逐渐开始启动,但由于地温有一定波动而不稳定,所以蒸发段表现为间歇性工作,导致距蒸发段上方0.5m处依然未受到热棒的影响。

3.2距热棒0.5m处测温点地温对比分析由表3和图7、图8可以看出如下。

(1)在4.5m、5.5m、6.0m和6.5m深度处L型加设热棒段平均地温低于0℃,新设热棒段平均地温高于1℃(6.5m深度除外)。

并且同一深度同一次测量的L型加设热棒段地温比新设热棒段平均低大约0.6~2.5℃。

其中两试验段各深度最大温差分别为8.3℃、5.4℃、4.4℃和3.3℃,大多发生在2015年10月;最小温差分别为0℃、0.1℃、0℃和0℃,大多发生在2016年7、8月。

(2)两热棒试验段的地温都比前一年同时期的地温低,如2016年10月7日观测数据对比2015年10月10日,在4.5m深度处,L型加设热棒段地温低4.1℃,新设热棒段低0.4℃;在5.5m深度处,L型加设热棒段地温低2.3℃,新设热棒段低1.9℃;在6.0m深度处,L型加设热棒段地温低1.2℃,新设热棒段低2.7℃;在6.5m深度处,L型加设热棒段地温低0.4℃,新设热棒段低3.7℃。

可以看出L型加设热棒段地温随深度增加而降低的加速度的绝对值在减小,新设热棒段则与之相反,原因在于新设热棒段于2015年安装完毕,经过一年的冻融循环,地温才逐步趋于稳定,而L型加设热棒段已经过L型热棒的多年作用使地温建立了平衡,通过张丽娜[6]的分析研究,原试验段安装后也经历过与新设热棒段相似的状况。

表3两试验段同深度平均地温对比下载原表图7L加设热棒段地温深度变化曲线下载原图图8新设直插型热棒段地温深度变化曲线下载原图L型加设热棒段地温随深度的变化较稳定,表3可以看出,4.5m与5.5m深度处的平均地温相同,6.0m与6.5m深度处的平均地温相同。

新设热棒段地温随深度的变化较大,呈正温度梯度,说明该段还需要一定的时间来建立新的热平衡状态,属于正常现象。

两热棒段的平均温差随深度的增加逐渐减小,说明随着深度的增加,两试验段的地温逐渐接近,这也说明新设热棒段地温正在逐渐稳定。

图94.5m深度两试验段地温曲线下载原图图105.5m深度两试验段地温曲线下载原图图116.0m深度两试验段地温曲线下载原图图126.5m深度两试验段地温曲线下载原图通过图9~图12可以看出,在4.5m、5.5m、6.0m和6.5m深度,两试验段地温均于2015年10月达到最大值,地温较大气温度滞后90d左右。

L型加设热棒段地温于2016年3月达到最低值,较大气温度滞后60d左右,新设热棒段地温于2016年2月达到最低值,较大气温度滞后30d左右,较L型加设热棒段提前30d左右,这与距热棒0.7m地温分析的结论相反,造成这一结果的原因如下。

(1)本测温孔较上一测温孔在空间上向热棒靠近了0.2m,在垂直于行车道的方向上向热棒靠近了0.5m,该测温孔受热棒的影响较上一测温孔大。

(2)新设热棒段热棒工作效率高于L型加设热棒。

(3)L型加设热棒段热棒可能损坏(需分析距热棒0m的地温再确定)。

综合以上原因导致该结果,这也是新设热棒段在5.5m、6.0m和6.5m深度处最低地温低于L型热棒段的主要原因。

3.3距热棒0m处测温点地温对比分析由表4和图13、图14可以对比分析如下。

表4两试验段同深度平均地温对比下载原表图13L加设热棒段地温深度变化曲线下载原图图14新设直插型热棒段地温深度变化曲线下载原图(1)在5.5m、6.0m和6.5m深度处L型加设热棒段平均地温低于-2℃,新设热棒段平均地温低于-1℃。

并且同一深度同一次测量的L型加设热棒段地温比新设热棒段平均低大约0.7~1.2℃,其中两试验段最大温差分别为4.9℃、4.0℃和2.4℃,大多发生在2015年10月;最小温差分别为0.1℃、0.1℃和0.2℃,大多发生在2016年7、8月。

(2)两热棒试验段的地温都比前一年同时期的地温低,如2016年10月7日观测数据对比2015年10月10日,在5.5m深度处,L型加设热棒段地温低2.1℃,新设热棒段低2.5℃;在6.0m深度处,L型加设热棒段地温低1.0℃,新设热棒段低4.7℃;在6.5m深度处,L型加设热棒段地温低1.0℃,新设热棒段低3.2℃。

(3)两热棒段平均地温最低值均在6.0m深度处,这说明热棒的最佳工作深度在6.0m。

图155.5m深度两试验段地温曲线下载原图图166.0m深度两试验段地温曲线下载原图图176.5m深度两试验段地温曲线下载原图通过图15~图17可以直观地看出,在2015年9月、10月两热棒段地温温差较大,当进入冬季开始工作后,两试验段地温很接近,如果重新计算地温平均值(除2015年9月、10月),两试验段地温仅相差0.4℃,说明经过2个月的过渡期,新设热棒段地温逐渐稳定,并且观测初期新设热棒段的降温速率大于L型加设热棒段,原因前面已分析。

4结语(1)本文主要研究的是L型加设热棒段与直插型热棒段地温的横向对比分析,发现两种热棒形式交叉作用的降温效果要优于单一形式的热棒布置。

(2)距热棒0.7m处深度在6.0~6.5m处时平均地温温差范围在2~1.5℃;距热棒0.5m处深度在4.5~6.5m处时平均地温温差范围在2.6~0.6℃;距热棒0m处深度在5.5~6.5m处时平均地温温差范围在1.2~0.7℃。

(3)两试验段的最大地温温差大多发生在2015年9月、10月,即新热棒安装的过渡期;最小地温温差大多发生在2016年7月、8月,即热棒的非工作期,地温的稳定性与热棒安装后的时间成正比关系。

(4)本试验L型加设热棒段热棒的安装密度较大(热棒间隔为2m),为了达到降低地温提升多年冻土上限的目的,可以每隔4m交