[发明专利]基于热量收支平衡原理的多年冻土区热棒路基设计计算方法

说明书

本发明公开了一种基于热量收支平衡的多年冻土区热棒路基设计计算方法，收集工程所在地区的气温、风速资料，查明路基填料和地基土的物理参数及地基多年冻土的天然上限深度和地温资料，测量路基断面尺寸；根据规范及工程需要选取合适的热棒型号；计算热棒制冷影响半径及在路基中的影响范围；计算热棒制冷影响范围内路基年内净吸热量；计算单根热棒制冷量；确定热棒数量及布置方式。该计算方法的基本原理是确保热棒年内制冷量不小于路基‑地基系统的年净吸热量，为热棒路基的设计计算提供了理论基础，解决了热棒路基设计计算难题，具有重大的工程应用价值；简便可行、科学合理，能够实现控制由于地基多年冻土退化融沉导致的路基沉降变形。

技术领域

本发明属于多年冻土区路基热防护设计技术领域，涉及一种基于热量收支平衡原理的多年冻土区热棒路基设计计算方法。

背景技术

近年来，在国家西部大开发战略的支持下，青海省和西藏省的交通事业得到了快速发展。由于青海和西藏两省总体海拔较高，多年冻土广泛发育，因此越来越多的道路工程修建在多年冻土地区，这将改变地基多年冻土的热平衡状态，尤其是在黑色沥青路面条件下，地基多年冻土吸热量将会急剧增大，造成多年冻土发生升温融沉，从而导致路基产生沉降变形。20世纪50年代，美国陆军工程兵团为了养护多年冻土将热棒引入土木工程，其冷却多年冻土和控制路基沉降的作用得到了工程界的普遍认同。在青藏铁路建设中，多年冻土区的部分路段采用了主动保护多年冻土的热棒复合路基，其总长达30.38km；青藏公路现已在26段多年冻土路段布设了热棒，累积路段长度为18.7km；新建的国道214线公路改扩建工程也在部分路段采用了热棒路基。虽然热棒目前已成为多年冻土区对路基进行热防护的重要手段之一，但相关规范中只给出了热棒制冷量功率的计算方法，无热棒路基设计计算方法，所以热棒路基设计主要是借鉴以往的工程经验。鉴于此，徐兵魁（徐兵魁，熊治文.青藏高原多年冻土区热棒路基设计计算.《中国铁道科学》.2006，27（5）：17-22）、李永强（李永强.青藏铁路多年冻土区热棒路基的设计计算.《铁道工程学报》.2007,110（11）:32-36.）、刘戈（刘戈，章金钊，吴青柏.青藏公路多年冻土区热棒路基的设计计算.《中外公路》.2010,30（6）：14-16.）对多年冻土区公路和铁路热棒路基的设计计算方法做了研究，三者计算方法的核心原理完全一致，可概述如下：

1）假定热棒设置后由于其制冷效果会使冻土上限抬升一定的高度，并计算出相应的耗冷量，再取一定的安全储备即为最终的耗冷量。

2）计算热棒的制冷量并与所需耗冷量进行对比，如果前者大于或等于后者则满足设计要求，反之则达不到设计要求，需增加热棒数量或增加其他热防护措施。

汪双杰等于2016年提出了“基于能量平衡原理的多年冻土地区热棒路基参数设计方法”的专利方法（专利号201610498669.7），其核心原理：假设在没有设置热棒以前，多年冻土路基上限会以一定的速率下降，并计算出相应的热量；然后将热棒制冷量与上限下降的耗热量比较，若如果前者大于或等于后者则满足设计要求，反之则达不到设计要求，需进行设计更改。

受气候变暖影响，青藏高原多年冻土目前总体处于退化状态，其退化的本质原因在于，天然地面在年内的吸热量大于放热量而造成的热量正积累，这些净吸热量传入多年冻土层中会造成多年冻土发生融化。当在天然地面上修筑路基工程后，特别是在在黑色路面条件下，路基的净吸热量将大大增大，会造成地基多年冻土更为严重的退化融沉。在多年冻土区路基工程中设置热棒的目的在于利用其主动制冷效果降低多年冻土的地温和抬升冻土上限以增加多年冻土的“冷储量”，阻止或减缓多年冻土的退化，从而控制由于多年冻土的融沉退化造成的沉降变形。从热量收支平衡的角度出发考虑，要想实现上述目的必须使热棒的制冷量大于路基的净吸热量。然而已有的计算方法仅仅计算了冻土上限抬升和地温降低所需的耗冷量，或基于假设条件下冻土融化耗热量，没有从热量收支平衡的角度考虑路基年内的净吸热量。如果热棒年内制冷量小于路基年内的净吸热量，多年冻土仍将处于退化融沉状态，路基的沉降变形将不能得到控制。

发明内容