一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列

1.本发明涉及多年冻土区铁路工程建设技术领域，尤其涉及一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列。


背景技术：

2.路桥过渡段是指公路、铁路等道路工程中，连接桥梁与路基的过渡区域，是桩基、桥台、胸墙、护锥和路基等多类型结构物的组合体，空间结构复杂是其典型特征；且结构的迥异以及垂向刚度差，使得过渡段成为道路工程的病害高发区段。而在多年冻土区，路桥过渡段桥台、桩基为混凝土结构体，由于混凝土良好的热学导热性，在不断吸热条件下不仅会导致桥台桩基周围冻土的快速退化和融化，并随之导致桥台和桩基承载力的快速下降，会发生不断的沉降变形过程。而且在冬季冻结、暖季融化的冻融循环过程中，还会导致桥台背后路基的填土在较大范围内随之冻结-融化的循环变化，由于该部分土体饱含水分，在冻结过程会发生较大程度的冻胀和冻胀力，在水平冻胀力的推动下，会导致桥台发生水平位移过程。该种因素的存在，同时叠加青藏高原暖湿化进程的不断加剧，都导致了多年冻土区路基过渡段工程病害的大量存在。如青藏铁路穿越了550km的多年冻土区，在青藏铁路投运后15年期间，多年冻土腹地路桥过渡段的病害发生率高达70~80%，严重威胁了青藏铁路运营安全。由此可见，桥台底部和底部桩基周围冻土的热学稳定性直接影响桥基的力学稳定性。由于冻土温度越低、其强度会更高，稳定性越强，因此，只有有效降低桥台底部及一定深度范围的冻土温度，才能从根本保证过渡段的长期稳定。
3.为解决该种病害，在青藏铁路的整治工程中，在锥形护坡表面采用了块石护坡，在锥形护坡坡脚插入热棒等常见的工程措施或组合（saize zhang, 2021），现场情况如照片1a所示。在以往措施中，热棒工程措施直接插入地下，应能发挥最为有效作用。如在青藏直流输电线路工程中，对于塔基的冻土桩基础，就是在桩基的周围插入一定数量的热棒，通过年季变化过程、不断冷却桩基周围的冻土温度，而能达到桩基长期稳定的目的。但在青藏铁路路桥过渡段中，由于桥台为竖直长方体，背后路基为上窄下宽的梯形，而路基高度很高（5~8m），路基填土的底面宽度远大于桥台的宽度，因此在桥台周围都布设有锥柱体形状的锥形护坡，在形成两者过渡的同时，也对桥台进行保护。也正是由于锥形护坡的存在，使得在锥形护坡坡脚插入的热棒都远离了（最远超过10m以上）需要冷却的桥台底部及其底部的桩基础，导致这些措施难以发挥有效作用，使得桥梁和路基的沉降变形仍在持续和加大，路桥过渡段病害依然长期存在（图1b）。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种实现靶向降温的应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列。
5.为解决上述问题，本发明所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：该靶向聚焦热棒阵列由多个蒸发段变角度的热棒组成，且设在路基的一侧，并靠
近桥台和桩基础；所述蒸发段埋设于地表以下；所述热棒的冷凝段以垂直角度直插于所述地表之上。
6.多个所述热棒以所述桩基础的中心为轴心，沿锥形护坡的坡脚线呈近对称扇形分布。
7.所述蒸发段均面向所述桥台和所述桩基础，并且该蒸发段的末端的水平投影位置位于所述桩基础的外侧；同时所述蒸发段与所述冷凝段形成夹角α，α=90
°
~180
°
。
8.所述夹角α按下式确定：；式中：l分别表示热棒埋设位置距桩基础外侧的水平距离；l表示蒸发段的长度。
9.所述蒸发段的内部充填液态工质，其长度为5m~20m。
10.所述冷凝段距所述地表的距离为2m~3m。
11.所述冷凝段与所述地表的夹角为0~90
°
。
12.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明中热棒蒸发段变角度设计，大幅增加了热棒在水平方向的制冷范围，克服了传统直插式热棒对路桥过渡段核心区域降温受限的缺点。
13.2、本发明中热棒沿锥形护坡扇形排列的设计，使得蒸发段整体工作，蒸发段水平投影长度最高可达20m，实现冷量向核心区长距离输送，有效避免了桥梁周围作业面、净空高度的限制。
14.3、解决了多年冻土区路桥过渡段基底冻土退化问题。
15.多年冻土区路桥过渡段沉降病害主要由基底冻土退化引起的承载力下降导致，以往标准断面使用的块石护坡、碎石护坡、块石路基等填土式路基冷却措施，主要依靠冷季对流换热对路堤填土区域进行降温，对下伏冻土地基的降温效果有限，尤其在青藏高原地区，风沙堆积和孔隙填充已经大大降低了该措施的工程效果。而本发明中蒸发段变角度和热棒阵列的设计，使得热棒排整体工作形成以目标体为核心的靶向降温区，随着热棒阵列的长期高效工作，在靶向区内形成负积温效应，有效解决基底冻土退化和强度弱化问题。特别是在铁路路桥过渡段高路堤、宽基底、多结构的复杂空间结构条件下，本发明能够实现对路桥过渡段核心区域进行多角度、多维度、高效率的靶向降温，为工程实际难题的解决提供有效途径。
附图说明
16.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
17.图1为青藏铁路路桥过渡段采用的块石护坡和热棒组合措施及其效果。（a）现场照片；（b）实施后沉降变形量随时的变化。
18.图2为本发明热棒阵列整体俯视图。
19.图3为本发明热棒阵列整体侧视图。
20.图4为本发明蒸发段变角度热棒侧视图。
21.图5为采用本发明后的温度场变化图。
22.图中：1—路基，2—桥台，3—桩基础，4—热棒，41—蒸发段，42—冷凝段，5—锥形
护坡，51—坡脚线，6—地表。
具体实施方式
23.如图2~4所示，一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，该靶向聚焦热棒阵列由多个蒸发段41变角度的热棒4组成，且设在路基1的一侧，并靠近桥台2和桩基础3；蒸发段41埋设于地表6以下；热棒4的冷凝段42以垂直角度直插于地表6之上。
24.其中：多个热棒4以桩基础3的中心为轴心，沿锥形护坡5的坡脚线51呈近对称扇形分布。
25.蒸发段41均面向桥台2和桩基础3，并且该蒸发段41的末端的水平投影位置位于桩基础2的外侧；同时蒸发段41与冷凝段42形成夹角α，α=90
°
~180
°
。
26.夹角α按下式确定：；式中：l分别表示热棒4埋设位置距桩基础3外侧的水平距离；l表示蒸发段41的长度。
27.冷凝段42与蒸发段41之间的夹角α随热棒4埋设位置与桩基础3的空间关系呈规律变化，即随热棒4埋设位置与桩基础3的外侧水平投影距离的增大而减小。这样，安装在桩基础3外围的热棒4由于其蒸发段41的水平投影长度增加，能够保证对桩基础3底部和外围区域的冻土具有降温效果。
28.蒸发段41的内部充填液态工质，其长度为5m~20m。
29.冷凝段42距地表6的距离为2m~3m。
30.冷凝段42与地表6的夹角为0~90
°
。
31.根据实际现场场地条件和桩基制冷需要，热棒4可放置于阳坡一侧或阴坡一侧，也可以在路基1的两侧布设，其数量不仅可以是图中2中所展现的12根，也可比展现的数量多，也可比其少。
32.在实际应用过程中，可根据路基1高低、桩基础3形式、尺寸以及锥形护坡5的大小等实际环境条件和工程条件，进行不同角度α的热棒4的设计和安装。蒸发段41的长度l及其据桩基础3外侧的水平投影距离l也可根据现场实际条件进行灵活调整，但总的布设特征为，所有热棒4的蒸发段42均指向桥台2和桩基础3，形成以桥台2和桩基础3为中心的靶向区。
33.该靶向聚焦热棒阵列的实施方法如下：
①
根据路桥的桥台2、桩基础3、锥形护坡5和路基1的几何尺寸和空间位置关系，确定靶向聚焦热棒阵列的布设位置、热棒数量、角度等设计参数，按设计参数定制加工热棒。
34.②
按设计参数，在锥形护坡5的坡脚确定孔位和放线，采用角度可调的钻孔机具，按每根热棒4的规定角α进行钻孔作业，利用角度测量仪检查成孔角度。
35.③
成孔角度满足要求后，采用吊机和钻机联合作业的方法，进行热棒4的安放，之后回填细沙密实、固定。
36.④
按照顺序重复上述步骤，实施其它热棒4的钻孔、安装和回填内容，以此形成靶向聚焦热棒阵列。
37.本发明所述靶向是指在平面上，所有热棒4以桩基础3的中心为轴心呈扇形布设，所有蒸发段41的垂直投影均指向桩基础3，由此构成以桩基础3为轴心的靶向区。
38.所述热棒阵列，是指由多个蒸发段41变角度热棒4组成的不规则热棒排，在工程实施案例中，热棒阵列沿锥形护坡5的坡脚线51走向依次按间距展开，其钻孔水平间距为1m~4m。
39.【工作原理】针对路基桥台和锥形护坡结构条件下，路基桥台冻土基础冷却需要，以及热棒布设困难特殊难题，本发明结合以往研究中发现的“聚冷效应”理论研究基础，充分解构路桥过渡段病害整治关键节点以及锥形护坡5的工程结构特点等而提出，并利用热棒蒸发段角度的特殊设计以及空间位置的特殊排列，在地温调控和传热过程中，主要通过热棒排的整体和长期冻融循环中的“聚冷效应”和“靶向效应”，对路桥过渡段的桩基础3进行靶向降温，使得靶向区域能够形成温度最低区域（即低温核），从而实现冻土地温的快速恢复和桩基础3承载力的增强，以解决现有热棒技术冷却范围受限以及热棒布设困难的问题，进而达到对冻土地基长期有效降温和冻土路基长期稳定的目的。
40.所述“聚冷效应”是指热棒阵列在空间上和时间上冷量的一种聚集效果，空间上表现为：由于热棒阵列中多根热棒4的整体冷却作用在桥台2、桩基础3底部的中心区域形成低温冻土区，其冷量在暖季气温回升过程中难以散失；在时间上表现为：热棒阵列的负积温效应随着时间的增长逐年累积，其在基础底部形成的低温冻土（≤-1℃）核的宽度、深度和体积均随热棒阵列服役期限的增长而增大，从而实现冻土地基长期保持低温状态、增强上部结构的承载力和稳定性。
41.所述“靶向效应”是指热棒阵列的每一根热棒4布设的空间位置、蒸发角度具有特殊设计和排列，以达到对桥台2、桩基础3等目标体进行精准、高效降温的目的。进一步的表现为，从图2看，所有热棒4的安装孔位近似形成以桥台2底部桩基础3的几何中心为圆心，所有蒸发段的水平投影均指向桥台2和桩基础3；从图3来看，靶向热棒阵列以桥台2、桩基础3的中心线为对称轴，沿左右两侧近对称布设；通过以上实施，在空间上呈现面向桥台2、桩基础3的空间环抱式布设。如此，达到对桥台2、桩基础3底部冻土地基靶向降温的目的。
42.因此，本发明通过多角度、多方位的热棒阵列设置，在桥梁基础底部形成聚冷效应，从而显著降低基底冻土温度，大幅改善冻土热学状态，进而提高冻土强度、桩侧冻结力和基础承载力。且随着热棒阵列冷量的持续累积，基础将具备抵抗气温升高的能力，从而维持工程结构物的长期稳定和安全运行。
43.实施例
44.为验证本发明靶向聚焦热棒阵列的调控效能，结合青藏铁路k1128+899桥现场工程地质资料和冻土条件，进行工程措施作用下的数值模拟仿真计算。
45.在路堤填土高度7m、顶面宽度为8m、桥台高度5m、桩基宽度7m、桩基高度5m的路桥过渡段实施靶向聚焦热阵列，热棒阵列的排列形式和组构参照图2和图3设计，热棒的长度为12m，其平均制冷功率设定为30w。在计算过程中，热棒工作的启动温差为0.2℃，热边界条件参照该区域（青藏高原北麓河盆地）现场观测资料设定。
46.在该工况下，实施完1个周期的最大融深时刻，即10月15日的纵向地温剖面如图5所示。可以看出（a）在地温量值特征方面，基础底部和周围大部分区域地温处于负温状态，基础地温最低温度可达-1.5℃；（b）在地温场形态特性方面，地温等值线整体呈现下凹分布，特别是低温等值线（≤-1℃）集中在基础底部的整个宽度范围，其中-1.5℃等值线最大深度接近8m，-1℃等值线最大深度接近10m，基础周围的冻土均处于全部冻结状态。因此，该措施能有效解决冻土工程难题，具体表现如下：
⑴
改善了原有路桥过渡段基础底部温度状况，满足多年冻土区铁路路基温度场调控要求。通过图5可以看出，本发明实施后，桥台2、桩基础3的底部主要持力层部位地温均处于负温状态。并在基础底部形成低温冻土核，同时由于桥梁地处低洼区域，土体含水量较高，有利于冷量的存储，随着时间的积累，这种低温区域的范围和冷量将持续积累，提高了路桥过渡段冻土基础对外界环境温度升高的抗融沉能力。
47.⑵
增强了桥台2和桩基础3的力学稳定性，满足冻土区铁路桥台2和桩基础3力学场稳定的要求。通过图5可以看出，本发明实施后，桥台2和桩基础3的四周大部分处于小于-1℃的负温状态，即均为强度较高的低温冻土，提高了桥台2和桩基础3与地基的冻结强度，以及周围土体的抗压强度和抗拉强度，增强了桥台2和桩基础3的抗压、抗拉和抗扭能力，从而大幅提高路桥过渡段结构的承载力和安全系数。
48.本实施例仅是为了本发明所做的代表性分析，其结论在概念和趋势上（具体数值上会有区别）基本代表本发明保护范围内容。
49.此外，模拟计算表明，按照本发明结构进行冻土区铁路路桥过渡段修筑，冻土路基在运营期间一直进行冷能的存储，路基内冻结区将随运行时间而增大，因此该结构可以满足路基力学稳定性所需要求，并可维持路基长期稳定。

技术特征：
1.一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：该靶向聚焦热棒阵列由多个蒸发段（41）变角度的热棒（4）组成，且设在路基（1）的一侧，并靠近桥台（2）和桩基础（3）；所述蒸发段（41）埋设于地表（6）以下；所述热棒（4）的冷凝段（42）以垂直角度直插于所述地表（6）之上。2.如权利要求1所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：多个所述热棒（4）以所述桩基础（3）的中心为轴心，沿锥形护坡（5）的坡脚线（51）呈近对称扇形分布。3.如权利要求1所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：所述蒸发段（41）均面向所述桥台（2）和所述桩基础（3），并且该蒸发段（41）的末端的水平投影位置位于所述桩基础（2）的外侧；同时所述蒸发段（41）与所述冷凝段（42）形成夹角α，α=90
°
~180
°
。4.如权利要求3所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：所述夹角α按下式确定：；式中：l分别表示热棒（4）埋设位置距桩基础（3）外侧的水平距离；l表示蒸发段（41）的长度。5.如权利要求1或3所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：所述蒸发段（41）的内部充填液态工质，其长度为5m~20m。6.如权利要求1所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：所述冷凝段（42）距所述地表（6）的距离为2m~3m。7.如权利要求1或6所述的一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，其特征在于：所述冷凝段（42）与所述地表（6）的夹角为0~90
°
。

技术总结
本发明涉及一种应用于路桥过渡段的靶向聚焦热棒阵列，该靶向聚焦热棒阵列由多个蒸发段变角度的热棒组成，且设在路基的一侧，并靠近桥台和桩基础。所述蒸发段埋设于地表以下；所述热棒的冷凝段以垂直角度直插于所述地表之上。本发明能够实现对路桥过渡段核心区域进行多角度、多维度、高效率的靶向降温，有效解决基底冻土退化和强度弱化问题，为工程实际难题的解决提供有效途径。的解决提供有效途径。的解决提供有效途径。


技术研发人员：俞祁浩 陈坤 张寿红 张晓昊 郭磊 董添春
受保护的技术使用者：中国科学院西北生态环境资源研究院
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/31