高原多年冻土区厂房地基处理热棒技术应用

高原多年冻土区厂房地基处理热棒技术应用

娄欣

中铁十局集团第二工程有限公司，河南 郑州 450000

1 引言

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度、高海拔多年冻土面积最大的区域，该区域多年冻土具有冻土厚度薄、地温高热稳定性差，对外界温度变化十分敏感的特点。在高原多年冻土区新建厂房，除了需要解决承载力和变形问题外，工程师们更需要考虑多年冻土地基稳定性问题。据青藏工程走廊的工程实践表明，因多年冻土退化、地下冰融化、高温冻土退化强烈和冻融灾害加剧，引发大量工程病害，总体病害率达30～40%。上个世纪90年代以来，青藏公路、青康公路、新藏公路等沿线由于冻土环境变化引发路基病害高达50%。因此，采取什么样的措施来保证冻土区建筑物地基的稳定，是关系到冻土区工程建设成败的关键所在。

2高原多年冻土地基所面临的问题及应对措施

2.1　冻胀和融沉病害

（1）冻胀引起的破坏

冻胀是指土壤在冻结过程中，土中水分冻结成冰，并形成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等形式的冰侵入体，引起土颗粒的相对移动，使土体体积产生不同程度的扩张现象。在高原多年冻土区，由冻胀引起破坏的事例屡见不鲜：青藏铁路在2006 年交付运营后，涵洞冻、融病害时有发生，并有逐年增加的趋势；格拉管道因冻胀丘、冰椎、冰幔而冻胀隆起变形等。

（2）融沉引起的地基失稳

融沉是指土中过剩冰融化所产生水的排除以及土体在融化固结过程中局部地面的向下运动。一般是由于自然(气候转暖)或人为因素(如砍伐与焚烧树木、房屋采暖)改变了地面的温度状况, 引起季节融化深度加大, 使地下冰或多年冻土层发生局部融化所造成的。在天然情况下发生的融沉往往表现为热融凹地、热融湖沼和热融阶地等,这些都是不利于工程建筑物安全和正常运营的条件。

2.2 应对措施

冻土研究者和寒区工程实践者们通过总结经验，开展理论研究，归纳了热、水、力和土质等四大因素的应用机制，提出了许多防治措施。

为防治冻胀病害发生，从对地基土的处理和增强建筑物结构两方面着手。就处理地基土来说,主要是通过削弱产生冻胀的三大要素:易冻胀土质、水分(土中水分及外界补给水分)及土中负温值之一来达到防冻害的目的。采用的主要方法有:换填法、物理化学法、保温法和排水、隔水法。在增强结构措施方面, 主要以深基础、锚固基础(深桩基础、各种扩大基础)为主的不允许冻胀变形建筑物和以柔性结构、加强基础或上部结构的刚度或整体性以及合理分割结构与设置变形缝为主的允许冻胀变形建筑物为主。同时, 还采用架空法、埋入法及隔离法等回避措施。

为防治融沉引起的破坏，主要考虑与温度有极密切关系的有效应力对冻土的作用以及与温度分布和控制有关的热源问题，采用保护多年冻土原则或允许融化原则。保护多年冻土原则即在建筑物施工和规定使用期间, 使地基土永远处于冻结状态, 而允许融化原则是允许地基土在建筑物使用期间或施工前, 使冻土融化到计算深度。常用的措施有桩基础、填土垫基、填土与架空或辐射冷却设备结合基础。

3 热棒技术用于厂房地基处理

3.1热棒工作原理

热棒利用管内灌入的工质的蒸发和冷凝来传递热量，工质的相态变化的启动依赖热棒两端温度差完成，不需要外加动力而工质变化自行循环。工质在蒸发段吸取了热源供给的热量后蒸发，蒸汽向上流动，在冷凝段将汽化潜热放出而凝结为液体，由于重力的作用回流到下半部蒸发段完成一个工作循环。借助于工质连续不断的循环，将下半部热源的热量源源不断地传递到上半部的冷源。

3.2热棒处理多年冻土地基的机理研究

考虑未来全球性气温升高背景，要保障厂房稳定的基础是保护厂房下部多年冻土稳定，必须执行贯彻 “冷却地基土，减少传入多年冻土的热量，提高多年冻土的热稳定性，从而保证修建在其上的厂房的稳定” 的技术路线，这也是多年冻土地区工程建设需要贯彻的一条技术路线。

热棒技术可以很好地利用和采集自然能，一方面，在冬季启动内部液-汽相态变化过程，降低多年冻土土体温度，提高土体的热惰性，缓解了气温变化对未来冻土地基冻融变形的影响，避免建筑物地基出现灾难性破坏，传热过程冷量的积蓄可以预防建筑物可能发生的病害；另一方面，热棒充分发挥其小温差传热的特点，能够在施工期即发挥其快速回冻的功效。白天厂房施工，对局地上覆植被的破坏、地下水通道的改变、回填携带热量以及混凝土水化热等都对多年冻土产生侵蚀，导致多年冻土温度升高，甚至融化。晚上气温降低，达到热棒启动温度时，热棒即开始工作，把因施工传入多年冻土的热量散发到空气中，迅速回冻，保障冻土的冻结状态，进而保障厂房基础的稳定。

3.3 热棒技术应用方法

（1）水平方向处理范围

热棒技术处理高原多年冻土区厂房地基范围根据厂房重要等级来确定，越重要的厂房，对变形控制要求越高，处理范围越广，一般可按照厂房散水外缘区域进行保护。

（2）垂直方向处理范围

根据厂房采暖情况，按照《冻土地区建筑地基基础设计规范》相关章节要求计算地基最大融化深度 。对于新建厂房，垂直方向处理深度取多年冻土天然上限+2.5米和 之间较大值；对于在役厂房，垂直方向处理深度取为 。

（3）热棒埋设布置参数建议

根据既有热棒工程实践可知，热棒有效影响半径大于2.5米，冷却效果随与热棒间距增大而逐渐衰减。为保障多年冻土地基整体稳定，温度梯度小，等温线均匀分布，建议相邻两根热棒间距以1.5米~2.5米为宜，不得超过3米。条件允许下，在外缘设置一排直插热棒，起到阻止冻结层上水侵蚀的目的。

4 实例

项目位于新疆和田地区南部高原，施工点位海拔约5000m，高寒缺氧、人口稀少、自然环境恶劣、处于喀喇昆仑山北麓的山间冲洪积地带，场地地貌为山前平原，场地整体平整、开阔，地表无植被，表层季节性冻土厚度0.8～1.2米。项目共有厂房18座，每个单体建筑面积为1818.45㎡，长30米，宽60.6米，基础采用钻孔灌注桩基础，桩间埋设L型热棒，长度37.49m，共布设30根。L型热棒总体按照倾斜6°埋设，在结构物的背面外露地面（外露长度4.8米，与地面夹角为45°），最大埋设5.5米。热棒就位后，四周回填土，不得随意填充，应用细砂土分层逐段填实，并且对开槽及回填细砂进行计算，得出体积比例进行逐层用水浇透，防止出现空隙或不夯实等现象。对热棒的绝热段进行附加绝热措施，如保温棉、聚氨酯板包裹。

通过现场地温实测，热虹吸管4米范围内的地温要比热虹吸管4米范围以外的地温低0．35℃～0.7℃，热棒的冷冻作用，可有效防止地基多年冻土的衰退和融化，降低地基多年冻土的温度，保证多年冻土的稳定性。

据铁道部科学研究院西北分院在青藏铁路多年冻土区的试验：采用热棒的多年冻土地基，暖季地基多年冻土的最高地温，较之非热虹吸地基要低0.4℃～0.8℃。这种降温效应，可使地基多年冻土的承载力大为提高，并可长期保证建筑物地基运营中的设计温度状态。

5 展望

热棒技术在高原多年冻土区厂房地基处理中能起到快速回冻、稳定冻土地基的效果，但是多年冻土的蕴藏条件随着工程建设的开展是变化的。为了保证热棒技术在地基处理中的稳步应用，还需要重视以下几个方面：

（1）通过对冻土中水、热、力三场耦合的研究和热棒技术加固地基的机理研究, 完善各种地基处理措施的设计计算理论。

（2）了解气候—工程—冻土相互作用规律, 研究热棒在地温调控原理和效果，提出能冷却地基的新的基础结构型式和设计参数，确保工程稳定。

（3）发展冻土区地基处理的原位测试、现场测试以及监测技术, 为实现工程建设的动态设计和信息化施工奠定基础。

参考文献

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