多年冻土的冻融特性和热棒施工

多年冻土的冻融特性和热棒施工
在“世界屋脊”的青藏公路建设过程中，在如火如荼的青藏交直流联网工程建设工地上，有一个词一直无法跨越，那就是“冻土”，青藏交直流联网工程全长1774公里，其中高原冻土线路就达到550公里。

顾名思义，冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，一般可分为为短时冻土（数小时、数日以至半月），季节冻土（半月至数月），以及多年冻土（数年至数万年以上）。

一、冻土的历史记载
我国关于冻土的研究和运用，可以追溯到春秋战国时期，《礼记·月令》中记录：“孟冬之月，水始冰，地始冻。

仲冬之月，冰益坚，地始坼。

季冬之月，冻方盛，水泽腹坚……，孟春之月，东风解冻”，清楚地记述了冬春季节冻土的冻结与融化过程和寒冻裂缝形成现象。

明代徐霞客在《五台山游记》中写道：“余先趋台之南，登龙翻石，其地乱石数万，涌起峰头，下临绝坞，中悬独耸”，记载了在雪后，阳坡己冰消雪融，而中台北仍然“阴崖悬冰数百丈，曰万年冰”，已经明确了冻土在阴、阳坡冻融作用的差异。

关于利用冻土特性用于工程实践，在陈寿的《三国志》中可见一斑，三国时期曹操采用冻结法施工，一夜间将砂料冻结成城墙，使曹军顺利通过渭河，最终取得军事上的胜利。

二、冻土的冻融特性
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。

冻土具有流变性、冰－水两相性，使其长期强度远低于瞬时强度，因此产生了许多特殊的自然地质现象，如：冻胀、融沉、冻拔、冻裂、冻融分选、融冻泥流等，特别是冻土具有的反复冻胀—融沉作用，给冻土层上的建筑物带来巨大的危险。

冻胀作用是指当土层中的温度降低，土体产生冻结过程中，土层中的水分产生迁移和重分布，并凝固成冰，使原土层体积增大，造成地面抬升的过程。

当冻胀作用产生后，如果建筑物和外部荷载不能克服地基土层冻结的膨胀力时，建筑物的基础便会被抬起；如果此时基础各侧受力不同，建筑物就要产生裂缝、倾斜，严重者甚至倒塌。

融沉作用是指当土层中的温度升高，冻土中的冰体融化，土体产生融水、稀释、塌落，呈现流塑状态，在重力作用下产生不均匀下沉的过程。

当冻土中的冰体继续融化，上边土层再次塌落，并使新的冰层继续露出，将导致地表大规模塌陷，极大降低下层土体的承载能力，无法支撑其上的建筑物。

三、冻土的施工方法
冻土地区施工面临不同于一般岩土工程的挑战，尤其是“热棒”制冷技术，重要特点是就是对温度的控制。

美国阿拉斯加输油管线工程曾经使用112000多根热棒，帮助这条管线到目前为止安全运行了20多年。

在加拿大和俄罗斯的多年冻土地区，热棒技术也被应用到输电线塔、公路、铁路等工程之中。

我国青藏铁路正是利用18200根热棒，才能跨越了546公里的多年冻土区。

热棒制冷技术是一种利用液气相得转换对流循环来实现热量传输的系统，是无源冷却系统中热量传输效果最好的装置。

热棒实际上是由一根密封的金属管组成，里面充以液态氮等工质。

管的上部装有散热叶片，称之为冷凝段，置于大气中；管的下部埋入地基多年冻土中，这一段称为蒸发段。

在冬季来临，空气温度降至低于地基多年冻土温度时（蒸发段与冷凝段之间存在温差），热棒即启动工作，蒸发段的液态氮吸热量蒸发成气态氮，在压差的作用下，气态氮沿管内空隙上升至冷凝段，并通过散热片将热量传至空气中，并重新冷凝成液态氮。

在重力的作用下，液态氮沿管壁回流蒸发段再吸热蒸发，如此往复循环，将地层中的热量传输至大气中，从而降低了多年冻土的地温。

当冷凝段温度高于蒸发段温度时，热棒中的液体工质蒸发后形成蒸汽到达冷凝器后不能
冷凝，液体停止蒸发，热棒自动停止工作，所以热棒具有单向传热的特点，大气中的热量不能通过热棒传至冻土中。

因此，夏天地底温度低于地表温度，下层土体仍处于冻土状态，所以热棒在夏天不工作。

热棒是一种单向导热装置，具有传热能力强、传热温差小、启动温度低、均温性能好、单项传热以及安全经济等特点。

因此，热棒制冷技术在多年冻土区得到了广泛应用，能够改善地基土体的力学特征，有效防止多年冻土发生融沉。