为了研究多年冻土区地温变化规律及评价L型和直式热棒的地温调控效果,以某一级公路采用的热棒群降温工程措施为研究对象,以现场实时监测数据为基础,评价了热棒有效影响半径、作用期限和影响深度等因素对多年冻土路基的降温冷却效果,通过热传导理论和非线性分析方法,建立了不同监测时段的地温预测模型。研究表明:在垂直于路基中心线的水平方向上,热棒作用下的路基地温变化呈"弯沉盆曲线"型,最小有效影响半径为2.0m。在近路中心侧最低地温在-0.5℃以下,L型热棒降温效果更佳;而在近路肩侧最低地温基本处于0℃以下,直式热棒冷却效能优势较大。多年冻土路基地温变化近似呈现正弦波形曲线分布,单位周期内地温振幅随深度增加不断衰减,且存在相位滞后效应和偏距差异,经历两个冻融循环冷却期后,两种热棒段的路基最低地温降幅分别达到51.5%、50%。浅层地温受大气温度和黑色沥青路面聚热效应的影响波动幅度较大,但随着路基埋深的不断增大,其周期性波动逐渐削弱并逼近年平均地温。多年冻土地温预测值与实测值相关系数均在0.97以上,预测效果良好。研究成果可为多年冻土路基设计、运营维护和变形监测提供新视野。

热棒是多年冻土区对路基进行热防护的重要措施之一,但相关规范中没有给出热棒路基的设计计算方法,已建热棒路基的设计主要是借鉴以往的工程经验。通过现场监测与计算,分析了冻土路基的热量收支特征,发现冻土路基在暖季处于吸热状态,而在寒季处于放热状态,年内总体处于吸热状态。地基多年冻土融沉的本质原因是路基的吸热量大于放热量导致的热量正积累。基于此,从路基热量收支平衡的角度出发,提出了一种新的热棒路基设计计算方法,其基本原理为确保热棒年内放热量不小于路基的年净吸热量。对青藏高原多年冻土区的热棒路基进行了现场试验监测,结果表明,热棒路基的沉降量明显小于普通路基的沉降量,热棒路基提高了地基多年冻土的稳定性,控制住了路基沉降变形。提出的热棒路基设计计算方法理论明确,参数获取简便,具有较强的工程应用价值,可在多年冻土区热棒路基设计中推广使用。

近年来青藏高原冻土区的路基容易发生融沉现象,究其原因,全球变暖、冻土的季节性变化和人为因素等因子都是导致这种现象的根源。为了青藏铁路的运营安全,对处于岛状多年冻土区的变形路基,通过片石护坡和热棒相结合的方式进行补强。文中根据青藏铁路长期观测系统数据,对路基变形原因,结合路基两侧的天然孔和人工孔进行了路基变形程度、地面孔地温曲线、路基两侧的融化进程曲线等数据分析。结果显示:通过上述治理工程措施,岛状冻土区的冻土人为上限有所抬升,路基本体趋于稳定;由于路基自重和行车荷载等因素作用下路基产生蠕变,从而导致路基发生沉降。

通过对青藏铁路多年冻土区长期监测系统多年来的大量实测数据进行分析,研究了青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律。研究结果表明:青藏铁路沿线气温逐年升高,降水量、冻结指数和融化指数逐年增大,暖冬现象明显,地表温度年升高率达到0.06℃/年;沿线多年冻土区2007—2013年间冻土天然上限下移的达91%,不同深度处的地温整体处于升温状态;青藏铁路路基下多年冻土也发生了升温退化,在2007年冻土人工上限相对原天然上限均抬升的占81%,路基下多年冻土退化明显滞后于天然场地;片石路基、热棒路基等主动降温措施效果明显,保证了青藏铁路多年冻土路基工程的稳定。

为了研究热棒在青藏公路多年冻土区的应用效果,基于楚玛尔河试验监测场地8年的地温观测数据,以水平温度梯度为指标,分析了不同时期热棒的有效半径。为了提高热棒的调控效果,拓展热棒的使用范围,满足宽幅路基强吸热的使用要求,依托北麓河与安多2个试验监测场地,分析了热棒-XPS板路基与热棒-片块石路基地温监测数据。分析结果表明:热棒工作1年后的有效半径约为2.3m,此后,随着热棒工作时间的增加,热棒影响范围逐渐增大;在热棒工作的前5年,地温降幅明显,周围土体地温降幅都基本维持在0.5℃以上,之后每年降温较小,这主要是由于外界环境温度升高,气温与地温的温差逐渐减小,热棒工作的动力逐渐衰减引起的;在热棒工作的8年中,由于热棒的持续制冷作用,热棒路基的人为上限基本不变,而普通路基同时期人为上限最大降低约为80cm;热棒-XPS板路基从6月份开始,XPS板上下温差不断增大,最大温差约为17℃,有效阻隔了暖季大量热量向板下传递;热棒-片块石路基通过2年的调控作用,地温最大降幅为0.51℃。

省道308线公路是连接玉树地震灾区和国道109线的主要交通枢纽,项目的实施对完善青海省青南地区公路网建设、促进藏区经济发展具有重要意义。公路沿线多年冻土工程地质条件复杂,平均海拔在4000m以上,多年冻土地温普遍较高,高含冰量冻土发育。在极差工程地质条件地段,增设热棒路基,保护多年冻土路基的稳定。热棒路基首次在省道308线多年冻土公路工程中应用,因此,有必要在运营阶段对多年冻土区热棒路基效果进行监测。本文总结了该区的地质条件区划和多年冻土特征,结合热棒工作原理,通过地温和变形等试验、监测方法,来实现对热棒路基效果的评价,为以后多年冻土区热棒路基的建设以及运营管理工作提供科学依据。

青藏公路多年冻土地区路基病害是制约青藏地区道路发展的一个重要问题。热棒是治理多年冻土路基病害的重要措施,热棒路基的工作效果与热棒的自身参数、埋深、埋设间距等有很大的关系。通过热棒路基的各个参数与施工要素的影响分析,提出了热棒路基设计原则和方案。

多年冻土地区修筑路基是一世界性难题,热棒路基是保护冻土的一种尝试。在调查已建热棒路基及试验路段并掌握热棒工作原理的基础上,分析了热棒路基的设计原则和依据,并提出了多年冻土地区热棒路基的设计方法。

青藏公路多年冻土地区路基病害是制约青藏地区道路发展的一个重要问题。热棒是防止多年冻土路基上限下降的措施,为了研究热棒路基的降温效果,动态监测青藏高原五道梁地区百米路基试验路段的温度变化,通过与一般路基对比,分析了热棒路基在多年冻土地区的降温效应。研究发现:热棒路基能够有效地降低路基温度、保护冻土和增强路基热稳定性。

由于热棒路基具有良好的降温效果,在青藏公路多年冻土区得到了应用,但是关于热棒路基设计参数的选择,目前主要还是基于工程经验。笔者根据青藏公路楚玛尔河地区热棒路基的现场观测资料,详细给出了热棒一个工作周期内的产冷量及实际耗冷量的计算方法。在设计时可根据路基的使用年限和所要求的上限抬升值求得其耗冷量,选取合适的安全系数可进一步得到产冷量,由产冷量与设计参数的关系式,从而确定热棒的间距和基本参数(蒸发段长度、散热面积、直径)。