熱棒位置與熱棒效果關系的研究

姜 利，張麗娜

(東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

熱棒技術是一種無需加任何外動力能源的冷凍技術，目前已經廣泛應用到土木工程中。熱棒技術最早由美國陸軍工程兵團應用在穩定多年凍土方面，在1980年以后，熱棒技術被我國首次使用在高海拔的青藏鐵路多年凍土區上[1]。熱棒是通過轉換對流循環實現熱量傳輸的系統，它的作用是冷卻地基，防止地基發生融沉變形或者凍脹翻漿，穩定多年凍土地區地基。熱棒具有單向傳熱的性能，冬季時它把路基的熱量由下至上傳到大氣中，由于它獨特的單向傳熱，所以熱量只能從地下向地上傳輸，反向不能傳熱。熱棒只在冬季的時候工作，在夏季的時候停止工作[2]。伊春地區的島狀多年凍土為兩層，上部是夏季融化冬天凍結的活動層，下部是多年不融化的多年凍土層[3]。當夏季升溫時，凍土的融化會對路基的強度等各方面路用性能非常不利，所以冬季時由于熱棒的作用而使凍土上限有一定的上升，對路基的保護作用尤為重要。

1 熱棒的工作原理

熱棒是裝有液體工質的兩層密封的管。管的上部叫散熱段，即裝有散熱質，也叫冷凝段；管的下部叫蒸發段，嵌入凍土之中。當蒸發段的溫度高于散熱段的時候，蒸發段的液體工質會吸收周圍空氣的熱量蒸發為蒸汽，蒸汽沿著管內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，液體工質沿著管壁的回流蒸發段再吸熱蒸發，往復循環，不斷的將介質的熱量傳遞到大氣中，以達到降低介質溫度的效果。當蒸發段的溫度低于散熱段的溫度時，熱棒中的液體工質蒸發后形成的蒸汽到達散熱段后不凝結，液體工質不再蒸發，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當中，從而保持了良好的凍結狀態。

圖1 熱棒工作原理圖

2 熱棒布置

采用埋置熱棒的方式對路基進行保護，此次試驗是熱棒在高緯度島狀多年凍土區的首次使用，試驗段選擇在了AK0+250～AK0+420段，分三個區段埋設直插型熱棒、斜插型熱棒和L型熱棒，具體的現場施工段熱棒埋設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 數據及數據分析

由表1數據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和熱棒側壁處的溫度分別是零下6.41℃和零下11.35℃。從這組數據可以看出熱棒的作用是在一定范圍內有效的，當距離熱棒較遠時，熱棒幾乎不起作用。同時也能看到在距離熱棒較遠測溫孔地下2.7 m處與大氣溫度相差達到25℃，這說明土壤的導熱性能比較差，而相比之下熱棒側壁定下2.7 m與大氣溫度相差13℃，這說明熱棒的作用非常明顯。

表1 低溫觀測表

路基中一點向熱棒傳遞熱量，通過熱棒導入到大氣中，這是熱棒傳遞熱量，也是熱量流動的路徑，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圓柱形區域，如圖5所示。

圖5 熱量傳遞圖

當熱棒采取直插形式時一般是埋設在兩側路肩，若兩根熱棒的有效制冷半徑[6]之和小于路面寬度時，這時由于熱棒的作用使得路基土在熱棒作用半徑內的承載能力和抗變形能力都比熱棒作用半徑以外的要高，這時就容易使路面產生縱向裂縫。而斜插型的埋設方式使得路基中下部受熱棒影響的區域變大，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路基的保護作用就更好一些(如圖7所示)。由于熱棒在工作時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，在三個區段中的相對熱棒壁和路面的同一位置，埋設斜棒的路基整體的溫度要比埋設直棒和L型熱棒的低(見表2)，這說明埋設斜棒的路基在承受荷載和抵抗變形方面比埋設直棒和L型熱棒的路基強；從另一方面看埋設斜棒的路基土的凍土上限也比埋設直棒和L型熱棒路基土的凍土上限高。同理埋設直棒比埋設L型熱棒對路基土的保護和改善作用好。

表2 不同形式熱棒的路基內距地面3 m距熱棒壁1 m處的溫度

圖8 熱棒影響點溫度走勢

4 結 論

綜上所述，熱棒在島狀多年凍土地區同樣對提高凍土上限、保護多年凍土的穩定有很大作用，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域為一個以熱棒有效制冷半徑為半徑的圓柱形區域。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兩根熱棒的有效制冷半徑之和小于路面寬度，使得一個斷面內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，這樣就會使路面在縱向產生裂縫。斜棒在這方面比直棒好。L型熱棒在溫度場分布的均勻性上比直棒和斜棒的好，但是由于熱棒工作時需要重力作用，而L型熱棒下面幾乎是水平的，所以導熱效率不如直棒和斜棒。從數據以及圖中可以看出斜棒路基的溫度最低，對路基的保護作用也是最好的，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】

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

[2]孫 文，吳亞平，郭春香.熱棒對多年凍土路基穩定性的影響[J].中國公路學報，2009，22(5)：15-20.

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

[4]樊云龍.多年凍土地區熱棒路基溫度場研究[D].西安，長安大學，2011.

[5]徐兵魁，牛懷俊.熱棒技術及其應用[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.