黑龙江冻土路基融沉防控热棒技术及效能分析

王国峰,武 鹤,田玉龙,陈彦君,辛德仁,葛 琪,石桂梅,于纪淼,魏建军,罗 志

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院, 哈尔滨 150050;2.龙建路桥股份有限公司, 哈尔滨 150010;3.黑龙江省公路勘察设计院, 哈尔滨 150080)

热棒是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置,热棒的结构大致为一个密闭空心长棒,内部装有一些液氨类制冷工质;热棒上部(放热段)装有散热片,热棒的下部(吸热段)直接埋入多年冻土中[1]。针对多年冻士区的冻土层,在冬季,环境温度低于热棒吸热段周围冻土层温度,热棒中的液体工质吸收冻土中的热量,蒸发成汽体[2];蒸汽在管内压差的驱动下,沿热棒中心通道向上流动至热棒上部,遇到较冷的管壁后,吸收冷量,放出汽化潜热,再冷凝成液体,在重力作用下,沿管壁流回吸热段再蒸发[3-4]。如此循环往复,把自然界大气中的冷量源源不断地传输到地基冻土中。在夏季,液体全部变成气体,气体对流很小[5],热量向底部传导很慢或基本处于停滞状态[6]。热棒这种独特的单向传热性能,使得热量只能从地面下端向地面上端传输,反向不能传热[7]。

通过热棒的单向导冷作用,冬天在地下冻土层中储存大量冷量,在夏季使冻土不致融化,形成“永冻层”,提高了冻土的强度[8],可有效防止以冻土为路基的公路、铁路在运行时的融沉现象[9-10]。文中以京漠公路瓦拉干至樟岭段热棒控制路基融沉试验段为研究对象,以多年冻土产生融沉的形成机理为依据,利用传感器采集冻土路基内部的温度数据,通过高精度水准仪采集路基变形监测数据,分析热棒设计对试验段路基温度变化的影响以及融沉的控制效果。研究结果将对富冰多年冻土区热棒技术的推广有重要的实践价值,也为高纬度地区多年冻土路基病害的防治提供经验借鉴。

1 多年冻土区路基不均匀沉降成因分析

由于多年冻土区路基产生不均匀沉降的影响因素较多,不同路基深度范围的变形源有一定差别,而且各个因素间存在深度更迭与交叉,使得多年冻土路基的沉降原因错综复杂[11]。同时,由于路基长期暴露于自然气候中,随着夏季气温的升高,进一步对路基稳定性造成影响,多年冻土路基变形影响因素随不同路基深度发生变化,因此,多年冻土区路基的变形机理分析始终是路基病害治理的难点之一[12-14]。文中参考相关研究成果,以冻土路基中不同深度位置的路基变形成因为切入点,分析多年冻土地区路基产生不均匀沉降的内在机理。

1)路基自身产生变形。路基自身产生的变形其主要成因是路基顶面承担车辆荷载耦合冻融循环后产生的路基土变形。形成路基自身变形的外界因素主要包括路基填土成分组成、施工期压实程度、路基防排水措施等,因此,路基自身产生变形量与其施工质量直接相关,特别是新建路基,其沉降变形主要源于此类原因。

2)浅层冻土扰动后变形。在修建路基前,浅层冻土处于相对稳定状态,但在路基修筑过程中,浅层冻土受外界环境扰动,其性状发生变化,多年冻土层与扰动层之间形成富水化土体,在外界环境温度冻融循环的作用下,扰动土层沉降变形累计值逐渐增大,直至达到相对平衡的状态后变形趋于稳定。

3)深层多年冻土融化变形。受外界环境温度升高影响,叠加扰动土层富水化严重,导致多年冻土层的上表层冻土融化,路基底部的冻土上限下移,同时土体内孔隙水无法正常排出。相关研究显示,在经历3～5个冻融循环后,深层多年冻土融化变形是路基不均匀沉降的主要因素。

4)高含冰量土层融化变形。多年冻土按冻土含冰量的多少可以分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层。由于高含冰量土层含冰量较高,在外界环境影响下冻土融化,下沉变形量明显大于少冰冻土[15]。

2 路基变形监测工程项目概况

2.1 试验路段冻土分布情况

本研究选定国道京漠公路为试验路段,该项目位于黑龙江省大兴安岭地区境内。路线经过大兴安岭山脉东北坡,处于根河与嫩江两条地震大断裂带上。路线所在区域为多年冻土带,其中,盘古河以西、河源南向东为大片连续冻土带,其他为岛状多年冻土带。瓦拉干至樟岭段多年冻土类型有少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层。其中,富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层属高含冰量冻土,是该项目沿线的主要冻土类型,冻土总含水率大于15%,且融化后处于饱和出水状态。

2.2 冻土路基处理情况

根据冻土融沉等级及融沉类型的划分,京漠公路瓦拉干至樟岭段属于富冰、饱冰、含土冰层,融沉等级为Ⅳ级。以保证路基稳定为原则,综合地勘部门建议,对于富冰、饱冰、含土冰层冻土下限≤6 m的情况,需要采取全部清除富冰、饱冰、含土冰层换填砂砾的处理方式(见图1)。

图1 试验路段冻土路基处理

3 路基稳定方案设计

本次研究结合京漠公路瓦拉干至樟岭段冻土分布情况,在K434+930～K435+270设置了一段热棒处理路基。试验路段的冻土类型为富冰、饱冰冻土,冻土深度大于4 m,试验路段长度340 m。

3.1 热棒埋设方案

根据冻土路基使用要求、试验路段路基处理情况,以及冻土工程地质条件,鉴于试验段有富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层,参考同类冻土防控技术方案[13],选用长度为10 m,直径83 mm,壁厚5 mm的钢制直插式热棒,热棒埋置位置位于土路肩边缘,如图2所示。根据试验路段中多年冻土的上限值,确定该试验区的热棒埋设深度。为了保证热棒蒸发段埋置在多年冻土上限深度以下不小于1.5～3.0 m的位置,本次试验段的热棒插入路基深度为7 m。沿路线行车方向,热棒埋设间距为3.0 m。

图2 热棒路基热棒布置横断面

3.2 热棒路基测温孔布设方案

为了监测热棒对路基换填材料下面冻土的保护效果,在试验段中选取3个典型断面,每个断面布设18个测温孔,测温孔深度为7 m,每个测温孔内布置1根测温电阻串,热棒和测温孔的平面位置如图3所示。

图3 热棒和测温孔平面布置(m)

在18个测温孔中,每个天然孔设置8个测温点,其余测温孔设置7个测温点。每断面共127个测温点,配1台128通道温度采集仪,测温电阻串引线均引入天然孔一侧的仪器保护箱内(见图3)。图4和图5为测温孔和天然孔内测温电阻串的位置。该试验段共布设热棒236根,测温孔54个,测温点381个。

图4 测温管内温度传感器布置(cm)

图5 天然孔内温度传感器布置(cm)

3.3 热棒路基沉降观测方案

为监测热棒路基沉降情况,本项目在试验段路基内设置13个沉降观测点,布设在距离路肩外边缘3 m位置(轮迹带处)。沉降观测点采用可加长的沉降板进行观测。具体沉降点平面布设情况如图6所示。

图6 试验段路基内沉降观测点布置平面(m)

4 试验路段热棒应用效果评价

4.1 热棒路基内部温度变化及多年冻土上限变化特征分析

在热棒完成埋设并调试完毕后,对试验路段的测温数据进行实时观测,并完成试验数据的记录与整理。为横向对比评价路基内部不同部位的温度分布情况,基于热棒路基内部不同深度位置温度的数据结果,选用同一年内编号为1#、3#、6#、18# 4个位置的测温孔测温数据进行分析。其中,1#测温孔位于路肩热棒埋设处,与热棒一同埋设;3#孔位于硬路肩处,距离路肩边缘2 m;6#孔位于路段的中心线处;18#孔位于路肩边缘外侧5 m处。图7～图10表示2018年1月至12月期间,4个测温孔处不同深度位置的地温变化情况。

图7 1#测温孔1—12月地温随深度变化

图8 3#测温孔1—12月地温随深度变化

图9 6#测温孔1—12月地温随深度变化

图10 18#天然测温孔1—12月地温随深度变化

4个点位地温曲线的变化有一个共同的特点:随着深度的增加,地温的变化趋于稳定。其中,多年冻土路基在9—10月达到最大融深,即冻土上限,距离路基顶面4.5 m左右,而天然孔冻土上限距离地表3 m左右,3 m以下的土体温度保持在-2 ℃左右,说明路基的修筑使原天然地基多年冻土上限向下迁移。

从图7～9还可以看出,路基土层深度在0～4.5 m之间为温度的不稳定区,这段深度的地温变化受到外界温度影响,越接近路基表面,影响越大。

比较各孔测温曲线图中的温度变化曲线可以看出:从4月至11月,1#观测孔(见图7)地温明显低于3#、6#和18#观测孔,这主要是1#测温孔位于热棒边缘,受热棒效应的影响较大,而6#测温孔离热棒的距离为6 m左右,受热棒效应的影响较小,18#天然测温孔离热棒的距离最远,基本不受热棒效应影响。同时,观测孔距离热棒越远,其地温差值越大。

4.2 热棒工作周期的确定

热棒的工作周期是指热棒蒸发段周围土体温度与外界气温差值高于启动温度时,热棒进入工作状态,直到其与外界气温差值低于启动温度而暂停工作,这一时间段称为热棒的工作周期。热棒的工作周期主要与当地的气候条件,即冻结指数关系密切。

从本实验路段观测数据(见图11)可知,每年4月到10月,热棒周围土体温度与同深度的热棒以外的土体温度变化保持高度一致,说明这一时期热棒处于工作周期。因此,热棒的工作周期约为7个月,即每年的4月到10月。在工作周期内,热棒蒸发段周围的土体温度要明显低于其他位置的土体。

图11 不同观测孔温度变化曲线

4.3 热棒的有效工作半径

热棒的工作半径是一项重要的技术指标,它是指热棒在一个工作周期内能够降低周围土体温度的影响范围,可分为有效工作半径和最大工作半径[12]。一般可以通过蒸发段深度处土体温度沿远离热棒方向的分布曲线获得,同时,热棒的工作效率还与地温、路基土的性质、含水量等有关。本项目所采用的热棒工作环境为:0～2.6 m为换填碎石土、2.6～3.5 m为原状土(含少量碎石黏土)、3.5～6.6 m为冻土(不含冰层或少含冰层)。

图12、图13为2018年各个月份热棒蒸发段下部,即路基顶面以下4 m和5 m处土体温度沿远离热棒方向的横向分布曲线。

图12 路基下4 m处土体温度沿远离热棒方向温度分度曲线

图13 路基下5 m处土体温度沿远离热棒方向温度分度曲线

从图中可知,土体的温度梯度在热棒的工作周期内沿远离热棒方向不断减小,越靠近热棒温度梯度越大,表明土体因热棒的制冷作用而获得较多的冷量。温度分布曲线显示,在一年中,远离热棒3 m左右,路基土温度分布基本趋于一致,热棒影响效应显著降低,因此,可将路基土内距离热棒3 m范围视为受热棒冷量影响的主要区域,认为热棒的有效工作半径为3 m。距离热棒4.5 m范围内的土体温度在一年内均表现出不同程度的降低,4.5 m以外土体其沿着远离热棒方向的温度梯度几乎为0,说明冷量不再向4.5 m以外的土体传递,认为热棒对其周围土体的最大工作半径为4.5 m,由于热棒有效工作半径的影响因素较为复杂,其与路基土温度的一致性研究将在后续进一步量化分析。 因此,在实际的热棒处置工程中,热棒沿路基纵向布置的间距不宜超过其工作半径的2倍,否则两个热棒之间的路基土可能无法得到冷却;也不宜过小,否则中间的路基土可能会因扰动层土体冻结而产生冻胀变形。

5 观测数据统计与结果分析

为了监测路基下方冻土是否有沉降发生,项目组在铺设热棒前(2017-10-31)、夏季(2018-06-18)、夏秋转换季节(2018-09-02)、第三年秋季(2019-10-02)和第四年秋季(2020-09-11)5个时间段,对试验路段中设计的沉降观测点进行观测,观测结果如表1所示。

表1 沉降观测结果

表1中反映的4年5次测量之间高差值的变化均在0.1%以内,沉降变化非常小,说明试验路路基底面的冻土稳定,未发生融沉现象。

6 结 论

文中针对京漠公路瓦拉干至樟岭段热棒路基试验段进行了热棒处理路基方案设计,该试验路段产生路基不均匀沉降的原因包括路基自身产生变形、浅层冻土扰动后变形、深层多年冻土融化变形及高含冰量土层融化变形,其中,深层多年高含冰量冻土融化是主要原因。基于对试验段所采集的地温数据、路基变形监测数据进行的对比分析,主要得到以下结论:

1)地温监测结果显示,随着深度的增加,热棒路基试验段的地温变化幅度趋于稳定,5～7 m之间土层地温稳定在0 ℃左右,但土层深度在0～4.5 m之间为温度的不稳定区,主要是受到外界温度影响所致。

2)该试验段热棒的有效工作半径为3 m,最大工作半径为4.5 m,同时,热棒在有效制冷范围内能很好地控制路基下方冻土的温度。

3)沉降观测结果显示,经过4年5次测量,沉降的高差值变化幅度均在0.1%以内,路基下方的冻土稳定,未发生融沉。因此,本试验段所采用的热棒稳定冻土路基方案可行、有效,可为同地区、同类型冻土路基加固处理提供理论参考和经验借鉴。