冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土体或岩石，是广泛分布在地球表层的一种低温地质体。它一般由固相矿物颗粒，固相冰，液相未冻水，气相的水汽和空气等四相体系组成[1]。

 

　　冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体。正是由于冻土的这种特殊性，使冻土地区的地基主要存在着以下两个方面的病害：季节融化层的冻胀与热融沉陷，这两种病害严重影响和制约着工程建设与发展[2]。

 

　　2、热棒技术的应用历史及原理

 

　　热棒技术是60年代初发展起来的一种广泛用于土木工程中的、无需外加动力的冷冻技术，它实际上是一种无蕊重力式热棒。热棒在寒区基础工程中的应用，解决了基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，保障了多年冻土地基的稳定。在管线工程、桥涵、道路路基、机场跑道、通讯输电线塔以及港口工程中，热棒也被用来冷却地基，防止冻胀和融沉，增加地基强度，保证冻土地基的稳定[3]。

 

　　热棒是无源冷却系统中热量传输效率最高的一种装置。它是一种直立气液两相对流循环的单向传热系统，由一根密封的钢管组成，里面充有工质，如：氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等，一般采用液氨作为工质。管的下端为蒸发段（吸热段），上端为冷凝段（放热段），根据实际工程要求，在两段中间可布置绝热段，制造时管内抽真空并充入适量的液氨后密封，使用时热量从热源通过吸热段管壁传给液氨，液氨在蒸发段内蒸发，蒸汽从蒸发段流到冷凝段，并在冷凝段内凝结，热量通过放热段管壁传给冷源，冷凝段凝结的液氨靠重力返回吸热段。通过以上循环，热源热量源源不断地流向冷源。由于管内液氨需靠重力循环，所以该元件使用时只能是热源在下端、冷源在上端，即传热具有单向性，不可逆向传热[3]。

 

　　在寒季，由于空气温度低于多年冻土的温度，蒸发器中液体工作介质吸收多年冻土中的热量而蒸发，蒸汽在管内压差的驱动下沿热棒中心通道向上流动至冷凝器，与相对温度较低的冷凝器管壁接触后放出汽化潜热冷凝成液体，液体工作介质在重力作用下沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此循环即将多年冻土中的热量源源不断地传到大气中。

 

　　在暖季，由于空气温度高于多年冻土温度，热棒中的液体工作介质蒸发后形成的蒸汽到达冷凝器后不能冷凝，液体停止蒸发，热棒停止工作，因此大气中的热量不能通过热棒传至冻土中，从而保持冻土良好的冻结状态[4][5]，其工作原理如图1所示。

 

　　图1热棒工作原理示意图

 

　　3、热棒技术的特点及技术标准

 

　　热棒具有下列特点：（1）无需外加动力；（2）热系数可高达纯银的数千倍，直径83×5液氨热棒在-5℃时传热能力可达610kW；（3）单向传热，反向不传热；（4）热棒的蒸发器与冷凝器仅有0.1℃～0.5℃温差时，即可启动工作；（5）在-60℃～60℃可有效工作；（6）经严格工艺处理的热棒可靠工作寿命≮30年，群棒工作效率更高；（7）无需日常维修养护，运行无噪声，符合环保要求。

 

　　热棒技术在青藏铁路中得到了应用。青藏铁路采用89mm热棒，产品技术要求为：（1）冷凝段散热器长度为3.5m；（2）冷凝段散热器面积≮6.9m2；（3）翅片厚度≮1.9mm；（4）冷凝器采用高频电阻焊螺旋翅片，无开口；（5）热棒外表面经过严格处理，具有良好的反射、辐射及防腐性能；（6）热棒力学强度：屈服强度>290MPa，抗拉强度>480MPa，伸长率>23%。采用的热棒型号应经过现场不少于一个冻融循环试验检验，证明其热工特性稳定，有效传热半径≮1.5m。

 

　　4、热棒技术在青藏铁路冻土工程中的应用

 

　　对青藏高原冻土区的冻土层来讲，环境温度低于热棒蒸发段所在的周围冻土层温度，地下的热量加热了插入地下的热管，使内部的工作介质汽化，在蒸汽压的作用下向上部冷凝段流动；在冷凝段，由于温度比较低，蒸汽遇冷凝结，凝结液体在重力的作用下回到蒸发段，进行下一个循环。如此不断工作，将地下的热量带出地面，由散热片向外扩散。而夏天，外界环境温度比较高，由于热管内部没有吸液芯，工作介质不能从下面流到冷凝段，所以此时的热量只能依靠管壁的热传导。正是由于热虹吸管的这个特点，使地下的永冻层变厚，加固了冻土的强度，减小了地基的冻胀融沉变化。目前，青藏铁路采用热棒已经达数千根。

 

　　2001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。为了保证实现保护多年冻土的设计原则，铁道部下达了"路基新结构---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冷冻效果。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。2003年，又开展了"安多热棒路基试验研究"和"路基的调查监测与整治措施的研究"，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。

 

　　2001年11月，在青藏铁路格拉段清水河DK1024+400M-DK1024+450M，使用了26根热棒作为实验工程，由中铁西北科学研究院对其使用效果进行了测试，试验表明热棒使用效果良好。

 

　　5、结束语

 

　　热棒在处理寒冷地区的地基的稳定性方面有较高的应用价值，技术上和理论上是可行的，它不但可以降低土体的温度，提高冻土地基的承载力，而且也可以有效地防止冻胀和融沉等次生不良冻土灾害。可以应用热棒的地区非常广，可以应用的领域也非常广，在考虑热棒应用的适宜性后，能较好地利用这种技术达到自然冷能综合利用的目的。我国多年冻土区面积有215000平方公里，占国土总面积的22.4%，而季节冻土区则覆盖大半个中国。在这些经济相对落后地区，经济环保的热棒技术在工程建设中具有良好的应用前景。

 

　　参考文献

 

　　[1]刘建坤等.寒区岩土工程引论[M].北京：中国铁道出版社，2005.1-38，50-118

 

　　[2]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京：科学出版社，2001.39-99

 

　　[3]陈肖柏，刘建坤，刘鸿绪，王雅卿.土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社，2006.4-10

 

　　[4]徐兵魁，牛怀俊.热棒技术及其应用[J].路基工程，2005.5

 

　　[5]严朝阳.热棒技术在青藏铁路多年冻土地段路基中的应用[J].铁道建筑，2005，9