1）热棒路基的工作原理

热棒是一种单向传热的元件，当下部环境温度高于上部环境温度时，热棒下部（蒸发段）的管内工质受热后蒸发变为蒸气向上升，当蒸气升入上部空间（热棒冷凝段）后受管外冷风的冷却，冷凝成液体，在重力作用下回到下部空间，通过工质循环的蒸发，冷凝过程将下部环境的热量源源不断地送到上部环境，使下部环境的温度不断下降。当下部环境温度低于上部环境温度时，在重力场中由于蒸气密度远远小于冷凝液的密度，蒸气不可能自发往下流，冷凝液也不可能自发往上流，所以相反的传热过程不可能发生。

如图3—74所示，当热棒放置于冻土环境中，在气温低于地温时，是一种对下部冻土很好的制冷元件；而当气温高于下部地温时，不会通过它把热量传入地下，此时它是一种隔热元件。因此，热棒是一种很好的单向制冷元件，可以把外部的冷量直接传送到地下深处，起到稳定降低地温的作用。

图3—74　热棒路基处治路段

2）热棒路基的适用条件

热棒路基降温效果明显，在新建路段，一般用于极高温多年冻土区或冻土退化区，尽可能埋置双向热棒，如受工程造价的限制，可只在阳坡面埋置热棒；在改建路段，热棒路基可用于治理由于融化盘偏移所引起的路基不均匀沉陷、纵向裂缝等病害。

3）热棒路基设计

图3—75为热棒路基设计图。热棒路基设计主要包括热棒自身参数设计、热棒合理埋深、热棒间距等。

（1）热棒自身参数的确定（工质、工质充装量、各部尺寸等）

热棒主要由工质和管壳组成，根据其使用要求和工作条件选择工质和管壳材料，设计合理的管壳尺寸，计算工质的充装数量。除此之外，还应该合理设计冷凝器的尺寸。

图3—75　热棒路基设计图

工质的选择应根据要求的热棒工作温度范围和管壳的耐压性能，以及工质与管壳材料的相容性来确定。另外，工质的选择还应考虑工质与管壳材料不能起化学反应，否则在化学作用过程中生成的气体和其他物质将可能使热棒不能工作。工质的品质越高，热棒的热传输性能越好，因此在条件允许时，尽可能选用高品质因素的工质。

管壳材料的选择主要考虑热棒的使用条件和工程造价。管壳设计的任务是确定管壳的尺寸和壳壁的厚度。

工质的充灌数量是随热棒的总长度而变的，它等于热棒运行时，棒中蒸气工质与壳壁上液膜数量与棒底部液池中液体工质质量之和。

冷凝器的设计主要应考虑两点：一是冷凝器要有足够的冷凝面积，以确保蒸发段吸收的热量能及时散发到大气中去；二是冷凝器与管壳的连接最好不要有变径，这样可防止在变径段蒸气流速加大，过早出现淹没现象。

（2）合理埋深的确定

热棒的埋设深度主要以被处治的构造物的基础埋深和地基弱化深度为依据。设置热棒的目的是在负温期有效制冷，明显降低土体温度，提升冻土上限，提高冻土地基的稳定性。所以只有当冻土的蒸发端埋置在多年冻土层以内，才能起到对多年冻土层以上土体进行冷却，提高冻土上限的作用。因此，热棒的埋深必须要在多年冻土层以下。将热棒插至多年冻土层，即大于最大融化深度，不但减少了冻胀过程中的切向冻胀力，而且消除了法向冻胀力，保证了热棒地基基础的稳定。在设计当中埋深取8 m。

（3）设置间距和方式

热棒的间距主要是根据其制冷的有效半径确定。目前，我国三个厂家生产的热棒功率基本相等，根据在青藏公路、青藏铁路的使用情况，其有效半径在2 m左右。依据对地基处治的要求不同，热棒的间距一般为有效半径的1.0～2.5倍。在本次设计中热棒间距取3～4 m。

（4）热棒技术要求

热棒的自身参数应包括工质、管壳、冷凝器等。工质一般采用液氨，管壳采用炭钢或不锈钢，冷凝器采用螺旋翅片管或螺旋齿形翅片管（图3—76）。热棒常用的规格和尺寸可根据冻土路基的使用要求和冻土地质条件进行热工计算确定（表3—34）。一般要求热棒的使用年限宜不小于30年。

图3—76　热棒冷凝端几何形状

D—基管外径；d—基管内径；f—翅片厚度；t—翅片节距；h—翅片高度；hc—翅片齿形高度；w—齿宽

表3—34　热棒规格和尺寸一览表

4）热棒路基施工工艺

（1）基本要求

①按照设计要求，对拟使用的热棒进行结构设计和定制，实验合格后定型生产，各结构元件完好，企业完成自检。对自检合格的产品由业主委托有热棒检测能力的检测机构对热棒进行第三方检测，重点是热棒的气密性检测、启动性能检测。检测合格的热棒进行标记，出具出厂检验报告、产品出厂质量证明文件、第三方检测报告，防止不合格产品用于工程。

热棒结构特殊，特别是异形热棒，运输前先要对热棒进行固定，运输过程要保证热棒不损坏、不变形。L形热棒如图3—77所示。

②施工前专门的技术交底。鉴于热棒路基尚没有可行的施工技术规范，施工人员不熟悉施工过程及质量控制注意事项，在所用材料、机械设备、人员准备充分，明确设计和施工意图，技术人员专门的技术交底后，方可进行施工。

图3—77　共玉公路L形热棒

③当必须与安装配合施工时，有关的基础工程必须应已完工，热棒路基一般在路面完成后进行，避免因路面施工时机械、人为因素造成热棒损坏、失效。

④施工准备。工程施工前，应对临时建筑、运输道路、水源、电源、照明、主要材料和机具及劳动力等进行充分准备，并做出合理安排，选择合适的钻机。

（2）热棒路基的施工工艺

①测量放线。根据设计文件的热棒间距和路线用经纬仪进行放样定位，并用白灰标示每根热棒的钻孔点位。若设计为双侧热棒时，路基两侧热棒应错位布设。

②钻机定位（图3—78）。根据热棒外径、埋深等选择合适的钻机，平整场地，将钻机移至钻孔点位，固定钻机。一般采用较简单的地锚固定法，在地层较复杂、特别难钻、钻机震感较大的情况下，必须采用钢绳固定或支架支撑，避免发生意外。(www.daowen.com)

③钻孔（图3—79）。根据钻机的种类选择合适的钻头及钻进方法。

在易塌孔地层中，简便易行有利于保护冻土的护壁方法是：钻进中向孔内投入泥球，用合金钻头搅拌涂抹孔壁，以达到保护钻孔、防止钻孔坍塌的目的。

热棒埋置角度控制：根据钻机的类型进行控制，其与钻直线夹角为0°，孔直线度偏差≤5 mm。

钻进角度控制：开孔时采用导向装置，用慢速钻进，液压给进加压，保证钻孔角度，为了避免钻进时钻头下俯，钻孔都必须预留一个倾角。

为保证埋入深度的准确，将充分利用钻探、测地雷达等勘察资料，准确确定路基下的冻土人为上限。

图3—78　钻机定位

图3—79　热棒路基钻孔

钻出的钻渣应及时清理，不得堆砌在路肩或边坡上。

④成孔检查。对钻好的孔位、孔径、孔深进行检查，检查合格后方可进行下一道工序。

钻孔施工完成后，应及时起吊热棒，进行热棒安装。如不能安装，则应采取临时措施保护钻孔，如用泡沫垫将孔口掩盖，防止孔内落入杂物等。

⑤热棒吊装（图3—80）。在考虑吊装时，还要结合工件的强度、刚度、局部稳定性等选择最有利的受力位置，必要时应采取补强加固措施，以确保安全施工。

在吊装单支热棒时，利用热棒本身顶部端盖的环形槽作为受力点进行系吊（设计吊点），并根据热棒的长度采取必要的防护措施，防止因设备的摇摆而发生危险。要求吊车吊臂有效起吊高度需超出热棒的长度1 m。

吊装时应注意不要压伤和擦伤工件（尤其是上部的翅片部分）。主要吊装工序如下：吊装设备就位—起吊—热棒孔内就位—孔内热棒导正。

⑥回填。热棒吊装入孔后，先进行导正纠偏，如图3—81所示。

用砂土回填热棒与孔之间的间隙，要求回填密实。回填密实工作要点包括过筛细砂、每次填入厚度、加水、捣实。

热棒安装完成后，对施工场地进行清理，将施工垃圾清理远运至弃土场，并恢复路基边坡原状。最后对热棒施工进行全面验收。

（3）热棒路基施工质量控制关键点

①热棒质量检查。严把热棒进场质量关，不合格产品不能进场，避免热棒在运输过程中损坏、变形。失效的热棒严禁使用。

②成孔质量检查。对钻好的孔位、孔径、孔深进行检查，监理工程师验收合格后方能进入下一道工序。

③热棒吊装。根据热棒的长度选择合适的吊车，系吊时选择合理吊点，吊装过程中避免压伤和擦伤齿片。

④热棒路基孔口处理。热棒与孔之间的间隙，按要求用砂砾回填密实。

图3—80　热棒吊装

图3—81　热棒导正纠偏

5）热棒路基检测

（1）测温传感器

在热棒施工时，在热棒的蒸发段安装测温热敏元件，通过测得管壁及周围土体温度来判断热棒工作状态。但该方法必须在热棒安装时埋置温度传感器，增加了热棒安装的工作量，提高了成本，且测量速度慢。如施工时未安装或传感器损坏，则无法对热棒进行检测。

（2）便携式热棒数据采集仪

热棒数据采集仪的热棒工作状态检测系统分下位机和上位机。下位机用于现场热棒的温度采集，通过红外温度探头采集现场热棒的温度数据，并将数据通过一套专用的热棒温度采集软件记录于电脑中。上位机由热棒工作状态分析软件组成，通过下位机所采集的热棒数据，分析热棒的工作状态，并通过多种方式直观地显示热棒的状态。

因为白天高原气候多变，太阳光的照射、风吹的影响和地表温度不断变化等外界一系列的环境因素干扰，使得测得的数据趋同，较难分辨出热棒的不同工作状态。所以测试时间应选取在晚间（最好凌晨以后），高原的环境温度较低（热棒极可能处在工作状态），风比较小，无日照、无地表温度等外界干扰因素的影响，此时获得的数据是能够较真实地反映热棒本身实际的。

热棒工作状态可以从热棒散热片上的温度反映出来。当热棒工作状态良好时，散热片上的温度提升较高；当热棒工作状态较差或者完全不工作时，散热片上的温度提升较少或者完全不提升。其次，热棒散热片温度的测量因尽量减小干扰因素的影响，否则干扰严重，得不出真实的分析结果，因此热棒工作状态的检测方法为：

①热棒数据采集的对象是热棒散热片上不同高度的温度。

②数据采集时间是热棒工作季节的晚上和清晨。

③热棒工作状态是由比较附近热棒散热片温度的高低和温度梯度的大小得出的。

最后将采集的热棒温度数据通过专门的热棒工作状态分析软件分析其工作状态，得到热棒是否正常工作的结论，从而达到检测热棒的目的。