寒域之路：多年凍土區(qū)高速公路路基熱調(diào)控技術(shù)與長期性能解析一、引言1.1研究背景與意義多年凍土是指持續(xù)凍結(jié)時間在兩年及以上的土或巖石，廣泛分布于高緯度和高海拔地區(qū)，約占地球陸地面積的25%。在我國，多年凍土主要集中在青藏高原、東北大小興安嶺以及西部高山地區(qū)，面積約為215萬平方公里，占國土面積的22.3%。這些地區(qū)往往蘊含著豐富的自然資源，如青藏高原的礦產(chǎn)資源、東北的森林資源等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對這些資源的開發(fā)利用需求日益增長，同時，加強區(qū)域間的聯(lián)系與交流也至關(guān)重要，因此，在多年凍土區(qū)建設(shè)高速公路具有不可忽視的重要意義。在多年凍土區(qū)進行高速公路建設(shè)面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中最為關(guān)鍵的問題便是凍土的熱穩(wěn)定性。凍土對溫度極為敏感，微小的溫度變化都可能導致其物理力學性質(zhì)發(fā)生顯著改變。當凍土溫度升高時，凍土中的冰會逐漸融化，導致土體體積減小，進而引發(fā)路基沉降；而在低溫季節(jié)，凍土體積膨脹，又可能對路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的壓力，導致路面開裂、隆起等病害。此外，高速公路的建設(shè)和運營會改變原有的地表熱交換條件，進一步加劇凍土的溫度變化。例如，高速公路的瀝青路面具有較強的吸熱能力，會使路基吸收更多的熱量，加速凍土的融化；車輛的行駛也會產(chǎn)生振動和熱量，對凍土的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，為了確保高速公路路基的穩(wěn)定性，采用有效的熱調(diào)控技術(shù)是必不可少的。熱調(diào)控技術(shù)對于提高多年凍土區(qū)高速公路路基的長期使用效果具有重要作用。一方面，合理的熱調(diào)控技術(shù)可以有效地降低路基下伏凍土的溫度，減少凍土融化的風險，從而保證路基的穩(wěn)定性，延長高速公路的使用壽命。另一方面，良好的熱調(diào)控技術(shù)可以減少路基病害的發(fā)生，降低高速公路的維護成本，提高公路的運營效率，保障交通運輸?shù)陌踩珪惩?。例如，通過采用熱棒、通風管路基等熱調(diào)控措施，可以有效地將路基中的熱量散發(fā)出去，降低凍土溫度，減少路基沉降和路面病害的發(fā)生。對多年凍土區(qū)高速公路路基熱調(diào)控技術(shù)與長期使用效果的研究，不僅對凍土區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要的指導意義，也將推動凍土工程理論的發(fā)展。在實踐方面，研究成果可以為工程設(shè)計和施工提供科學依據(jù)，幫助工程師們選擇合適的熱調(diào)控技術(shù)和設(shè)計參數(shù)，提高工程質(zhì)量和安全性。例如，通過對不同熱調(diào)控技術(shù)的效果進行研究，可以確定在不同地質(zhì)和氣候條件下最適宜的熱調(diào)控方案，為工程實踐提供參考。在理論方面，深入研究凍土與熱調(diào)控措施之間的相互作用機理，可以豐富和完善凍土工程理論體系，為解決其他凍土工程問題提供新的思路和方法。例如，通過研究熱棒在凍土中的傳熱機理，可以進一步完善凍土熱傳導理論，為凍土工程的設(shè)計和分析提供更準確的理論支持。此外，該研究還有助于提高我國在凍土工程領(lǐng)域的國際影響力，促進國際間的合作與交流。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多年凍土區(qū)路基熱調(diào)控技術(shù)與長期使用效果研究一直是凍土工程領(lǐng)域的重要課題，國內(nèi)外學者在這方面開展了大量的研究工作，取得了一系列有價值的成果。在熱調(diào)控技術(shù)研究方面，國外起步相對較早。美國、加拿大等國在阿拉斯加、加拿大北部等多年凍土區(qū)進行了眾多工程實踐與研究。例如，美國在阿拉斯加的公路建設(shè)中，采用了通風管路基和熱棒技術(shù)來調(diào)控路基溫度。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，通風管路基在冷空氣流通順暢的情況下，能有效降低路基下伏凍土的溫度，在一定程度上減緩了凍土的融化速度；熱棒技術(shù)則利用其單向傳熱特性，在冬季將路基中的熱量導出，夏季阻止熱量傳入，對維持凍土的凍結(jié)狀態(tài)起到了積極作用。加拿大在凍土區(qū)鐵路建設(shè)中，運用了保溫材料鋪設(shè)在路基底部和邊坡，以減少外界熱量對凍土的影響，實踐表明，合適的保溫材料可以顯著降低路基的熱擾動，保持凍土的穩(wěn)定性。國內(nèi)在多年凍土區(qū)路基熱調(diào)控技術(shù)研究方面也取得了豐碩成果。在青藏公路和青藏鐵路的建設(shè)過程中，我國科研人員針對青藏高原特殊的地質(zhì)和氣候條件，研發(fā)了多種熱調(diào)控技術(shù)。塊石路基是青藏鐵路多年凍土段常見的結(jié)構(gòu)形式，其原理是利用寒季冷空氣與暖季熱空氣的對流特性，實現(xiàn)“阻熱、傳冷”。研究表明，塊石路基內(nèi)年均溫度明顯下降，凍土人為上限上升，有效保護了下伏多年凍土。通風管路基在青藏公路的改造工程中得到應用，通過合理設(shè)計通風管的管徑、鋪設(shè)間距和深度，以及利用通風管內(nèi)空氣的強迫對流和自然對流，在暖季帶出熱量，寒季降低路基土體溫度，增加多年凍土地基的冷儲量。此外，我國還開展了淺色路面、遮陽棚路基等熱輻射調(diào)控措施的研究與試驗。如在青藏公路開展的淺色路面研究，證實了其能減少熱量流入，降低地溫；遮陽棚路基試驗段研究表明遮陽棚具有主動冷卻凍土的作用，但由于青藏高原多烈風，遮陽棚結(jié)構(gòu)易受破壞且耐久性不足，限制了其廣泛應用。在多年凍土區(qū)路基長期使用效果研究方面，國外主要通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬來評估。例如，俄羅斯對西伯利亞地區(qū)的凍土區(qū)公路進行了長達數(shù)十年的監(jiān)測，分析了路基在不同氣候條件和交通荷載作用下的變形和溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，路基下伏凍土的溫度逐漸升高，導致路基出現(xiàn)不同程度的沉降和開裂。利用數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLAC等，對凍土路基的長期性能進行預測，通過建立復雜的熱力學和力學模型，考慮溫度、濕度、應力等多因素的耦合作用，模擬路基在不同工況下的長期變化過程。國內(nèi)同樣重視路基長期使用效果的研究。依托青藏公路和青藏鐵路的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了路基在運營過程中的病害發(fā)展情況。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫高含冰量凍土區(qū)，路基的熱融沉陷和縱向裂縫等病害較為嚴重，影響了公路和鐵路的正常運營。通過建立路基溫度場和變形場的數(shù)學模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證和優(yōu)化，對路基的長期穩(wěn)定性進行預測和評估。如基于有限元方法建立的凍土路基二維非對稱水、熱雙向耦合計算模型，能夠較為準確地模擬路基在溫度變化下的變形和熱傳導過程，為路基的長期性能評估提供了有力工具。盡管國內(nèi)外在多年凍土區(qū)路基熱調(diào)控技術(shù)與長期使用效果研究方面取得了顯著進展，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有熱調(diào)控技術(shù)在復雜地質(zhì)和氣候條件下的適應性有待進一步提高。例如，在高溫高含冰量且地形復雜的凍土區(qū)，單一的熱調(diào)控技術(shù)往往難以有效控制路基溫度和變形。不同熱調(diào)控技術(shù)之間的協(xié)同作用研究還不夠深入，如何優(yōu)化組合多種熱調(diào)控技術(shù)，以達到最佳的熱調(diào)控效果和經(jīng)濟效益，還需要進一步探索。在路基長期使用效果研究方面，雖然數(shù)值模擬取得了一定成果，但模型的準確性和可靠性仍需提高，尤其是對凍土的復雜物理力學性質(zhì)和多因素耦合作用的模擬還存在較大誤差。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累還不夠豐富，特別是長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這限制了對路基長期性能變化規(guī)律的深入認識。綜上所述，針對當前研究的不足，本文將圍繞多年凍土區(qū)高速公路路基，深入研究熱調(diào)控技術(shù)在復雜條件下的適應性和不同技術(shù)的協(xié)同作用，改進和完善數(shù)值模擬模型，加強現(xiàn)場監(jiān)測，以提高對路基長期使用效果的預測和評估能力，為多年凍土區(qū)高速公路的建設(shè)和運營提供更科學的依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容多年凍土區(qū)高速公路路基熱調(diào)控技術(shù)類型研究：對目前常用的熱調(diào)控技術(shù)，如熱棒技術(shù)、通風管路基技術(shù)、保溫材料應用技術(shù)、塊石路基技術(shù)、遮陽棚路基技術(shù)、淺色路面技術(shù)等進行全面梳理。深入分析每種技術(shù)的工作原理，例如熱棒技術(shù)是利用氣液兩相轉(zhuǎn)換的高效傳熱特性，在冬季將路基中的熱量導出，夏季則阻止熱量傳入；通風管路基技術(shù)是通過通風管內(nèi)空氣的對流，在暖季帶出熱量，寒季降低路基土體溫度。詳細研究其傳熱機制，包括熱量的傳遞方向、傳遞速率以及與周圍土體的熱交換過程。探討各項技術(shù)的適用條件，如不同氣候條件（年平均氣溫、氣溫年較差、降水量等）、地質(zhì)條件（凍土類型、含冰量、地溫等）下，哪種熱調(diào)控技術(shù)更為有效。熱調(diào)控技術(shù)在多年凍土區(qū)高速公路路基中的應用案例分析：選取國內(nèi)外典型的多年凍土區(qū)高速公路項目，如我國的共玉高速公路、青藏公路部分路段，以及國外加拿大、俄羅斯等國的凍土區(qū)公路項目作為研究對象。對這些項目中所采用的熱調(diào)控技術(shù)進行詳細分析，包括技術(shù)的具體實施方案，如熱棒的埋設(shè)深度、間距，通風管的管徑、鋪設(shè)角度和間距等參數(shù)；保溫材料的種類、厚度和鋪設(shè)位置；塊石路基的塊石粒徑、鋪設(shè)厚度等。通過現(xiàn)場調(diào)查和資料收集，獲取這些項目在建設(shè)和運營過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括路基溫度變化數(shù)據(jù)、路基變形數(shù)據(jù)、路面病害情況等。對比分析不同項目中熱調(diào)控技術(shù)的應用效果，總結(jié)成功經(jīng)驗和存在的問題。例如，通過對比不同項目中熱棒技術(shù)的應用效果，分析熱棒在不同地質(zhì)和氣候條件下對路基溫度和變形的控制效果差異。多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果影響因素研究：從氣候因素（如全球氣候變暖導致的氣溫升高、降水模式改變等）、地質(zhì)因素（凍土的類型、含冰量、地溫分布、土層結(jié)構(gòu)等）、交通荷載因素（交通量大小、車輛類型、軸重等）、熱調(diào)控技術(shù)因素（技術(shù)的合理性、有效性、耐久性等）以及施工質(zhì)量因素（路基填筑壓實度、熱調(diào)控設(shè)施的安裝質(zhì)量等）等方面入手，系統(tǒng)研究影響路基長期使用效果的因素。分析各因素對路基穩(wěn)定性、路面狀況、結(jié)構(gòu)耐久性等方面的具體影響機制。例如，研究全球氣候變暖導致的氣溫升高如何加速凍土融化，進而影響路基的穩(wěn)定性；分析交通荷載的長期作用如何導致路基的疲勞損傷和變形累積。通過建立數(shù)學模型和進行數(shù)值模擬，定量評估各因素對路基長期使用效果的影響程度。熱調(diào)控技術(shù)與多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果的關(guān)聯(lián)研究：基于前面的研究內(nèi)容，深入探討熱調(diào)控技術(shù)與路基長期使用效果之間的內(nèi)在聯(lián)系。分析不同熱調(diào)控技術(shù)對路基長期穩(wěn)定性、路面病害發(fā)展、結(jié)構(gòu)耐久性等方面的影響規(guī)律。例如，研究熱棒技術(shù)如何通過降低路基溫度，減少凍土融化，從而提高路基的長期穩(wěn)定性；探討通風管路基技術(shù)對路面病害（如裂縫、車轍等）的抑制作用機制。通過建立熱-力-變形耦合模型，模擬不同熱調(diào)控技術(shù)下路基在長期運營過程中的溫度場、應力場和變形場的變化，預測路基的長期使用效果，為熱調(diào)控技術(shù)的優(yōu)化選擇和設(shè)計提供科學依據(jù)。1.3.2研究方法文獻研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于多年凍土區(qū)路基熱調(diào)控技術(shù)與長期使用效果的相關(guān)文獻，包括學術(shù)論文、研究報告、工程案例資料等。對這些文獻進行系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。通過文獻研究，總結(jié)前人在熱調(diào)控技術(shù)原理、應用效果評估、路基長期性能影響因素等方面的研究成果，分析現(xiàn)有研究的不足之處，明確本文的研究重點和方向。案例分析法：針對選取的國內(nèi)外典型多年凍土區(qū)高速公路項目案例，深入現(xiàn)場進行實地調(diào)研和數(shù)據(jù)采集。與項目的建設(shè)、運營和管理單位進行溝通交流，獲取項目的設(shè)計文件、施工記錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)等一手資料。對這些資料進行詳細分析，總結(jié)熱調(diào)控技術(shù)在實際工程應用中的經(jīng)驗和教訓，為本文的研究提供實踐支持。例如，通過對共玉高速公路的案例分析，了解在青藏高原復雜地質(zhì)和氣候條件下，多種熱調(diào)控技術(shù)組合應用的實際效果和遇到的問題。數(shù)值模擬法：運用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLAC、COMSOL等，建立多年凍土區(qū)高速公路路基的熱-力-變形耦合模型。考慮氣候、地質(zhì)、交通荷載、熱調(diào)控技術(shù)等多種因素，模擬路基在不同工況下的溫度場、應力場和變形場的變化情況。通過數(shù)值模擬，預測路基的長期使用效果，分析不同熱調(diào)控技術(shù)的作用機制和效果差異，為熱調(diào)控技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。例如，通過數(shù)值模擬不同熱棒間距和埋設(shè)深度下路基溫度場的變化，確定最優(yōu)的熱棒布置方案。現(xiàn)場監(jiān)測法：選擇具有代表性的多年凍土區(qū)高速公路路段，建立長期的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測內(nèi)容包括路基溫度、地溫、路基變形、路面狀況等。通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測，獲取真實可靠的數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，同時也為研究熱調(diào)控技術(shù)與路基長期使用效果的關(guān)聯(lián)提供數(shù)據(jù)支持。例如，在某監(jiān)測路段埋設(shè)溫度傳感器和位移傳感器，定期采集數(shù)據(jù)，分析路基溫度和變形隨時間的變化規(guī)律，以及熱調(diào)控技術(shù)對這些變化的影響。二、多年凍土區(qū)高速公路路基熱調(diào)控技術(shù)概述2.1多年凍土特性及對高速公路路基的影響多年凍土，又稱永久凍土，是指持續(xù)三年或三年以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，被稱為季節(jié)融化層，多年凍土層頂面距地表的深度則為凍土上限，這是多年凍土地區(qū)道路設(shè)計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。多年凍土主要分為兩層，上層是夏融冬凍的活動層，下層是終年不融的多年凍結(jié)層。這種特殊的土體是寒冷氣候（年均氣溫<—2℃）區(qū)的產(chǎn)物，其分布面積約占地球陸地面積的25%。在全球范圍內(nèi)，多年凍土廣泛分布于北半球的高緯度地區(qū)，如俄羅斯、加拿大近一半的領(lǐng)土，美國阿拉斯加85%的土地；在南極和格陵蘭的無冰蓋地段和被冰蓋邊緣覆蓋的地下，以及南美和中亞的高山地區(qū)也有分布。在我國，多年凍土面積約為國土面積的22%，主要集中在青藏高原、東北北部山區(qū)以及西北高山地區(qū)，其中青藏高原是世界上低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土分布區(qū)。多年凍土具有獨特的物理力學特性。從物理特性來看，它含有豐富的地下冰，這使得凍土的密度、含水量等物理指標與普通土體存在明顯差異。由于冰的存在，凍土的密度通常比相同土質(zhì)的未凍土要大，且含水量會隨著冰的融化和凍結(jié)而發(fā)生變化。凍土的導熱系數(shù)也與未凍土不同，冰的導熱系數(shù)大于水，因此凍土的導熱系數(shù)一般大于融化后的土體，這導致凍土在熱量傳遞過程中表現(xiàn)出與普通土體不同的特性。在寒冷季節(jié)，熱量更容易通過凍土傳遞，使得凍土溫度下降較快；而在溫暖季節(jié)，凍土又能較好地儲存冷量，減緩升溫速度。在力學特性方面，凍土的強度和變形特性受溫度影響顯著。當凍土處于凍結(jié)狀態(tài)時，冰作為膠結(jié)物質(zhì)將土顆粒牢固地膠結(jié)在一起，使得凍土具有較高的強度和較低的壓縮性。然而，一旦溫度升高，凍土中的冰開始融化，膠結(jié)作用減弱，土體的強度會急劇降低，壓縮性增大。研究表明，凍土的抗壓強度在融化過程中可降低數(shù)倍甚至數(shù)十倍，其變形模量也會大幅減小。這種強度和變形特性的劇烈變化，使得凍土在溫度波動時容易產(chǎn)生變形，對其上的工程結(jié)構(gòu)造成嚴重影響。多年凍土的流變性也是其重要的力學特性之一。流變性是指在恒定荷載作用下，土體的變形隨時間而持續(xù)發(fā)展的特性。凍土的流變性主要是由于冰的蠕變和未凍水的遷移引起的。在長期荷載作用下，凍土中的冰會發(fā)生緩慢的變形，導致土體產(chǎn)生不可恢復的塑性變形；同時，未凍水在溫度梯度和壓力梯度的作用下會發(fā)生遷移，進一步加劇土體的變形。這種流變性使得凍土路基在長期運營過程中會逐漸產(chǎn)生沉降和變形，影響道路的平整度和行車安全。多年凍土的這些特性對高速公路路基有著多方面的影響。在溫度變化的作用下，路基穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。當氣溫升高時，多年凍土中的冰逐漸融化，土體體積減小，導致路基產(chǎn)生融沉變形。融沉變形會使路面出現(xiàn)下沉、開裂等病害，嚴重影響道路的正常使用。在高溫高含冰量的凍土區(qū)，融沉問題更為突出。例如，青藏公路部分路段穿越高溫高含冰量凍土區(qū)，在夏季氣溫較高時，路基融沉病害頻發(fā)，路面出現(xiàn)大量裂縫和坑洼，給行車安全帶來極大隱患。在低溫季節(jié)，土體中的水分凍結(jié)膨脹，會造成路基的凍脹。凍脹會使路面隆起、開裂，破壞路面結(jié)構(gòu)。當路基中的水分分布不均勻時，凍脹變形也會不均勻，導致路面出現(xiàn)高低不平的現(xiàn)象，影響行車舒適性和安全性。在東北地區(qū)的一些高速公路，冬季氣溫較低，路基凍脹病害較為常見，每年春季都需要對路面進行大量的修復工作。多年凍土的變形和強度變化還會對路基的承載能力產(chǎn)生影響。隨著凍土的融化和變形，路基的承載能力逐漸降低，難以承受車輛的荷載。當車輛行駛在承載能力不足的路基上時，會進一步加劇路基的變形和破壞，形成惡性循環(huán)。在交通量較大的高速公路上，這種影響更為明顯，需要采取有效的措施來提高路基的承載能力和穩(wěn)定性。多年凍土的溫度變化還會引發(fā)一系列不良地質(zhì)現(xiàn)象，如凍融滑坡、熱融湖塘等。凍融滑坡是由于凍土在融化過程中，土體的抗剪強度降低，在重力作用下發(fā)生滑動。熱融湖塘則是由于凍土融化后，地面塌陷，形成積水洼地。這些不良地質(zhì)現(xiàn)象不僅會破壞路基結(jié)構(gòu)，還會對周邊環(huán)境造成破壞，增加高速公路建設(shè)和維護的難度。2.2熱調(diào)控技術(shù)原理與分類多年凍土區(qū)高速公路路基熱調(diào)控技術(shù)的核心原理是通過調(diào)控熱傳遞方式，改變路基與周圍環(huán)境之間的熱量交換，從而維持路基溫度的穩(wěn)定，確保凍土不發(fā)生過度融化或凍脹，保證路基的穩(wěn)定性。熱傳遞主要有三種基本方式：熱輻射、熱對流和熱傳導，各類熱調(diào)控技術(shù)正是基于對這三種方式的調(diào)控來實現(xiàn)其功能的。熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，在熱控技術(shù)中是重要的散熱方式。熱輻射調(diào)控技術(shù)通過改變路面或路基結(jié)構(gòu)對太陽輻射的吸收和反射特性，減少熱量向路基的傳入。常見的熱輻射調(diào)控措施包括淺色路面、遮陽棚路基和遮陽板路基等。淺色路面是通過將瀝青路面刷白或采用淺色路面材料，提高路面結(jié)構(gòu)的太陽輻射反射率，從而減少熱量流入，達到降低地溫的目的。美國學者曾開展淺色路面現(xiàn)場試驗研究，利用淺色涂料對局部路面進行粉刷，并利用溫度傳感器對地面溫度進行長期監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與瀝青路面相較，白色路面的下伏凍土融化深度與路面變形均更低。中國科學院在青藏公路開展的淺色路面研究也證實，淺色路面與砂礫石路面的下伏凍土上限變化基本相同，且均高于瀝青路面下的凍土上限。然而，淺色路面在長期運行過程中，由于汽車輪胎的磨損，容易發(fā)生黑化，其作用效果會隨之降低。遮陽棚路基和遮陽板路基則是通過增加附屬結(jié)構(gòu)對輻射源進行遮擋，減少路基結(jié)構(gòu)接收的輻射量，達到局部降溫的效果。美國學者在阿拉斯加公路開展的遮陽板試驗路段現(xiàn)場研究表明，遮陽板可以有效減少路基邊坡的吸熱量，其坡面溫度較未遮擋路段降低約6℃左右，能起到保護凍土的作用。國內(nèi)在青藏高原地區(qū)開展的遮陽棚路基試驗段研究也顯示遮陽棚具有主動冷卻凍土的作用。但青藏高原地區(qū)多烈風，遮陽棚與遮陽板這類附屬結(jié)構(gòu)會影響地表氣流場分布，自身在風荷載作用下極易發(fā)生破壞，威脅交通通行安全，且結(jié)構(gòu)材料存在耐久性問題，限制了其廣泛應用。熱對流是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，在熱控技術(shù)中可通過空氣對流加速路基熱量釋放，達到冷卻路基的目的。常見的熱對流調(diào)控工程措施主要包括碎石路基、塊石路基和通風管路基等。塊石路基是青藏鐵路、公路多年凍土段常見的路基結(jié)構(gòu)形式。在多年凍土地區(qū)，寒季空氣溫度極低，塊石層下部凍土溫度相對較高，冷熱空氣之間存在溫度差（壓力差），在空氣壓力作用下形成自然對流，冷空氣下降，暖空氣上升，從而將路基下伏地層的熱量帶出路基，起到保護多年凍土的目的。暖季時，塊石層溫度較高，路基下伏凍土溫度更低，塊石層中冷空氣在下，暖空氣在上，不能形成自然對流，二者之間僅能發(fā)生熱傳導，而空氣的導熱性能極差，因此暖季塊石路基并不會帶入很多熱量。塊石層起到“阻熱、傳冷”特性，使得塊石路基內(nèi)年均溫度下降，促使凍土人為上限上升。塊石路基設(shè)計施工時需要綜合考慮年平均氣溫、濕度、風速、風向等外部因素；多年凍土的年平均地溫、凍土類型、融化深度、地形與植被覆蓋率等本質(zhì)因素；以及路基高度、路面材料、塊石粒徑等人為因素。通風管路基利用通風管中空氣對流，暖季可帶出熱量，寒季可以降低路基中土體的溫度，增加基底下多年凍土地基的冷儲量，屬于主動冷卻型措施。通風管內(nèi)的氣流存在兩種運動：一種是外力迫使氣流穿過通風管的強迫對流，另一種是空氣密度差引起的自然對流。通風管應用需要一定的氣候環(huán)境，當氣溫使通風管內(nèi)的凍結(jié)指數(shù)大于融化指數(shù)的2倍時，才具有潛在凍結(jié)能力，使管底的凍結(jié)深度大于融化深度，進而保持凍土地基的熱穩(wěn)定性。通風管路基的設(shè)計過程主要考慮通風管管材與管徑、通風管鋪設(shè)間距與深度、通風管輔助結(jié)構(gòu)與防護措施等因素。在施工階段需要注意：路基基地草皮不清除，用重型振動壓路機將碎石壓入地表土層；按埋設(shè)深度與間距的設(shè)計要求，進行溝槽開挖和通風管布設(shè)；通風管管周應鋪設(shè)中粗砂保護層；管頂鋪設(shè)不小于0.2m中粗砂后，按路堤壓實度填筑和壓實。熱傳導是指當不同物體之間或同一物體內(nèi)部存在溫度差時，就會通過物體內(nèi)部分子、原子和電子的微觀振動、位移和相互碰撞而發(fā)生能量傳遞現(xiàn)象。熱傳導調(diào)控技術(shù)主要通過增大路基結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻，或降低暖季熱流入量、或增大冷季的冷流入量，以控制路基下伏凍土的年凈吸熱量。常見的工程措施有高填方路基、保溫板路基、熱棒路基等。保溫板路基是在路基內(nèi)鋪設(shè)一層隔熱保溫層，利用其低導熱性阻滯路面結(jié)構(gòu)的熱量流入，從而起到保護凍土低溫狀態(tài)，防治凍土上限退化的作用。保溫材料的選擇至關(guān)重要，常用的保溫材料有聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板等，這些材料具有較低的導熱系數(shù)，能有效阻止熱量的傳遞。保溫板的鋪設(shè)位置和厚度也會影響其保溫效果，一般鋪設(shè)在路基底部或邊坡，厚度根據(jù)工程實際需求確定。熱棒路基則是利用熱棒的單向傳熱特性來調(diào)控路基溫度。熱棒內(nèi)部充裝低沸點的工質(zhì)，當熱棒的一端溫度高于另一端時，工質(zhì)在高溫端汽化，吸收熱量，蒸汽在壓差作用下流向低溫端，在低溫端冷凝，放出熱量，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下回流到高溫端，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)熱量的傳遞。在冬季，熱棒將路基中的熱量導出，降低路基溫度；在夏季，熱棒停止工作，阻止熱量傳入路基。熱棒的埋設(shè)深度、間距等參數(shù)對其傳熱效果有重要影響，需要根據(jù)凍土的溫度、含冰量等因素進行合理設(shè)計。三、常見熱調(diào)控技術(shù)及其應用案例分析3.1調(diào)控熱輻射技術(shù)3.1.1淺色路面技術(shù)淺色路面技術(shù)是一種通過改變路面顏色來調(diào)控路基熱輻射的有效方法，其核心原理基于熱輻射的基本理論。太陽輻射是路面熱量的主要來源之一，路面在吸收太陽輻射能后，一部分能量會轉(zhuǎn)化為熱能，進而影響路基的溫度場分布。傳統(tǒng)的瀝青路面顏色較深，對太陽輻射的吸收率較高，通常在0.8-0.9之間，這使得大量的太陽輻射能被路面吸收并傳遞至路基，導致路基溫度升高，加速多年凍土的融化。而淺色路面通過提高路面結(jié)構(gòu)的太陽輻射反射率，減少了路面吸收的太陽輻射能。例如，白色路面的反射率可達到0.7-0.8，相比瀝青路面大幅降低了對太陽輻射的吸收。根據(jù)熱輻射定律，物體吸收的輻射能量與反射率成反比，反射率的提高意味著路面吸收的太陽輻射能量減少，從而降低了向路基傳遞的熱量，起到調(diào)控路基溫度的作用。美國在淺色路面技術(shù)的研究與應用方面開展了較早的探索。美國學者曾在部分地區(qū)開展淺色路面現(xiàn)場試驗研究，他們利用專門的淺色涂料對局部路面進行精心粉刷，并在路面及路基不同深度埋設(shè)高精度溫度傳感器，對地面溫度進行長期、連續(xù)的監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，與瀝青路面相比，白色路面下伏凍土的融化深度明顯更低。在一個典型的監(jiān)測周期內(nèi)，瀝青路面下伏凍土的融化深度達到了[X]米，而白色路面下伏凍土的融化深度僅為[X]米，降低了約[X]%。白色路面下的路面變形也相對較小，在相同的交通荷載和氣候條件下，瀝青路面出現(xiàn)了較多的裂縫和車轍，而白色路面的平整度保持較好，裂縫和車轍的發(fā)展程度明顯低于瀝青路面。這表明淺色路面在減少熱量流入、降低凍土融化深度和控制路面變形方面具有顯著效果。中國科學院在青藏公路也開展了深入的淺色路面研究。研究人員在青藏公路選取了典型路段，設(shè)置了淺色路面試驗段，并與相鄰的普通瀝青路面段進行對比監(jiān)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淺色路面與砂礫石路面的下伏凍土上限變化基本相同，且均高于瀝青路面下的凍土上限。經(jīng)過多年的監(jiān)測，瀝青路面下的凍土上限平均下降了[X]米，而淺色路面和砂礫石路面下的凍土上限下降幅度僅為[X]米和[X]米，證實了淺色路面熱調(diào)控措施在青藏公路這種高海拔多年凍土區(qū)的有效性。在長期運行過程中，淺色路面面臨著一些挑戰(zhàn)。由于汽車輪胎的頻繁磨損，淺色路面容易發(fā)生黑化現(xiàn)象，導致其反射率逐漸降低，作用效果隨之減弱。隨著使用年限的增加，淺色路面的反射率可下降[X]%-[X]%，使得其對路基溫度的調(diào)控能力逐漸降低。因此，如何提高淺色路面的耐久性，維持其穩(wěn)定的反射率，是該技術(shù)在實際應用中需要解決的關(guān)鍵問題。3.1.2遮陽棚與遮陽板技術(shù)遮陽棚與遮陽板技術(shù)是通過增加附屬結(jié)構(gòu)對輻射源進行遮擋，減少路基結(jié)構(gòu)接收的輻射量，從而達到降低路基溫度的目的，其原理基于熱輻射的遮擋效應。太陽輻射以電磁波的形式傳播，當遇到遮陽棚或遮陽板時，大部分輻射被遮擋和反射，無法直接照射到路基表面。遮陽棚通常搭建在路基上方，形成一個覆蓋結(jié)構(gòu)，遮陽板則安裝在路基邊坡等部位，對太陽輻射進行定向遮擋。根據(jù)遮陽結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安裝角度，其對太陽輻射的遮擋率可達[X]%-[X]%，有效減少了路基吸收的太陽輻射熱量，進而降低了路基溫度。美國在阿拉斯加公路開展的遮陽板試驗路段現(xiàn)場研究取得了顯著成果。研究人員在試驗路段安裝了專門設(shè)計的遮陽板，并對遮陽板路段和未遮擋路段的路基溫度、邊坡吸熱量等參數(shù)進行了詳細監(jiān)測。結(jié)果表明，遮陽板可以有效減少路基邊坡的吸熱量，其坡面溫度較未遮擋路段降低約6℃左右。在夏季高溫時段，未遮擋路段的邊坡溫度可達到[X]℃，而遮陽板遮擋下的邊坡溫度僅為[X]℃左右。這種溫度的降低有效地減緩了凍土的融化速度，起到了保護凍土的作用。通過對路基內(nèi)部溫度場的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，遮陽板下方路基內(nèi)部的溫度也明顯低于未遮擋路段，在路基深度[X]米處，溫度降低了[X]℃-[X]℃，進一步證明了遮陽板對路基整體溫度的調(diào)控效果。國內(nèi)在青藏高原地區(qū)也開展了遮陽棚路基試驗段研究。研究人員在青藏高原的試驗路段搭建了遮陽棚，并利用先進的監(jiān)測設(shè)備對路基溫度、變形等指標進行實時監(jiān)測。研究結(jié)果顯示，遮陽棚具有明顯的主動冷卻凍土的作用。在遮陽棚的保護下，路基土體溫度明顯降低，在一個監(jiān)測周期內(nèi)，路基中心部位的溫度降低了[X]℃-[X]℃，凍土上限抬升明顯。在路基的左右護道、路肩孔和中心孔，凍土上限抬升在1.0-1.7m，平均抬升1.1m。青藏高原地區(qū)多烈風，遮陽棚與遮陽板這類附屬結(jié)構(gòu)會對地表氣流場分布產(chǎn)生顯著影響。在強風作用下，遮陽結(jié)構(gòu)自身極易發(fā)生破壞，威脅交通通行安全。遮陽棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮風荷載的作用，若結(jié)構(gòu)強度不足，在風速達到[X]m/s以上時，就可能出現(xiàn)遮陽棚支架變形、遮陽布撕裂等情況。遮陽板（棚）結(jié)構(gòu)材料還存在耐久性問題，長期暴露在惡劣的自然環(huán)境中，材料容易老化、腐蝕，導致其使用壽命縮短，限制了該技術(shù)的廣泛應用。3.2調(diào)控熱對流技術(shù)3.2.1碎石與塊石路基技術(shù)碎石與塊石路基技術(shù)是多年凍土區(qū)高速公路路基熱調(diào)控的重要措施之一，其原理基于空氣對流和熱傳導的綜合作用。在多年凍土地區(qū)，寒季時，外界空氣溫度極低，而塊石層下部的凍土溫度相對較高，這種顯著的溫度差（壓力差）使得冷熱空氣之間形成自然對流。冷空氣在壓力作用下下降，暖空氣則上升，在對流過程中，路基下伏地層的熱量被有效地帶出路基，從而達到保護多年凍土的目的。暖季時，情況則有所不同，塊石層溫度較高，路基下伏凍土溫度更低，此時塊石層中冷空氣在下，暖空氣在上，無法形成自然對流，熱量傳遞主要通過熱傳導進行。由于空氣的導熱性能極差，其熱傳導效率很低，因此暖季塊石路基不會帶入過多熱量，起到了“阻熱、傳冷”的特性，使得塊石路基內(nèi)年均溫度下降，促使凍土人為上限上升。青藏鐵路和青藏公路是碎石與塊石路基技術(shù)應用的典型案例。在青藏鐵路的建設(shè)中，大量采用了塊石路基結(jié)構(gòu)。以清水河路段為例，該路段位于高溫高含冰量凍土區(qū)，對路基的穩(wěn)定性要求極高。通過設(shè)置塊石路基，利用其獨特的熱調(diào)控機制，有效地降低了路基下伏凍土的溫度。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在塊石路基鋪設(shè)后的幾年內(nèi)，路基下伏凍土的年平均溫度下降了[X]℃-[X]℃，凍土上限上升了[X]米-[X]米，極大地提高了路基的穩(wěn)定性。在冬季，塊石路基內(nèi)的自然對流作用強烈，大量冷空氣進入塊石層，將路基中的熱量迅速帶出，使得路基下伏凍土的溫度快速降低，保持了凍土的凍結(jié)狀態(tài)。而在夏季，塊石路基有效地阻止了熱量的傳入，減少了凍土的融化。青藏公路在多年的運營過程中，也對碎石與塊石路基技術(shù)進行了應用和改進。在一些病害嚴重的路段，通過鋪設(shè)碎石路基，改善了路基的熱狀況。在昆侖山口附近的路段，原有的路基由于凍土融化出現(xiàn)了嚴重的沉降和裂縫。采用碎石路基后，經(jīng)過多年的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)路基的沉降速率明顯減緩，路面裂縫的發(fā)展也得到了有效控制。這是因為碎石路基增加了路基的孔隙率，促進了空氣對流，使得路基在冬季能夠更好地散熱，降低了凍土的溫度，減少了融沉病害的發(fā)生。在不同季節(jié)，碎石與塊石路基的熱傳遞機制存在明顯差異。在冬季，主要以自然對流換熱為主，熱傳導為輔。冷空氣在塊石間的孔隙中快速流動，將熱量從路基內(nèi)部帶出，此時對流換熱的強度遠大于熱傳導。在夏季，熱傳導成為主要的熱量傳遞方式，對流換熱基本停止。由于空氣的導熱系數(shù)低，使得塊石路基能夠有效地阻止熱量從路面?zhèn)魅肼坊虏?，減少了凍土的受熱影響。碎石與塊石路基在設(shè)計施工時需要考慮多方面因素。在外部因素方面，年平均氣溫、濕度、風速、風向等都會影響路基的熱狀況。在年平均氣溫較高的地區(qū)，需要增加塊石層的厚度或調(diào)整塊石的粒徑，以增強其熱調(diào)控能力；在風速較大的地區(qū)，要考慮風速對空氣對流的影響，合理設(shè)計塊石的排列方式，確保對流的穩(wěn)定性。本質(zhì)因素中，多年凍土的年平均地溫、凍土類型、融化深度、地形與植被覆蓋率等至關(guān)重要。對于高溫高含冰量的凍土，需要采用更有效的熱調(diào)控措施，如增加塊石的粒徑和鋪設(shè)厚度；在地形復雜的區(qū)域，要根據(jù)地形特點調(diào)整路基的結(jié)構(gòu)和塊石的鋪設(shè)方式，以適應不同的地形條件。人為因素方面，路基高度、路面材料、塊石粒徑等也不容忽視。路基高度的增加可以減少路面熱量對凍土的影響，但過高的路基會增加工程成本；路面材料的選擇會影響路面的吸熱和散熱性能，進而影響路基的熱狀況；塊石粒徑的大小直接關(guān)系到空氣對流的強度和熱傳導的效率，需要根據(jù)實際情況進行合理選擇。3.2.2通風管路基技術(shù)通風管路基技術(shù)是一種利用空氣對流原理來調(diào)控路基溫度的有效方法，在多年凍土區(qū)高速公路路基建設(shè)中具有重要應用價值。其工作原理基于通風管內(nèi)空氣的對流運動，通過暖季帶出熱量、寒季降低路基土體溫度，從而增加基底下多年凍土地基的冷儲量，屬于主動冷卻型措施。通風管內(nèi)的氣流存在兩種運動形式：一種是在外力作用下，如風力或車輛行駛引起的空氣流動，迫使氣流穿過通風管的強迫對流；另一種是由于空氣密度差引起的自然對流。當通風管內(nèi)的空氣溫度不均勻時，熱空氣密度小上升，冷空氣密度大下降，形成自然對流。通風管路基的設(shè)計涉及多個關(guān)鍵參數(shù)。通風管管材的選擇至關(guān)重要，常用的管材有聚乙烯管、鋼管等。聚乙烯管具有重量輕、耐腐蝕、施工方便等優(yōu)點，但強度相對較低；鋼管則強度高，但易腐蝕，需要進行防腐處理。管徑的大小會影響通風量和空氣流速，一般根據(jù)路基的寬度、高度以及所需的熱調(diào)控效果來確定管徑。在路基較寬、熱調(diào)控需求較大的情況下，需要選擇較大管徑的通風管，以保證足夠的通風量。通風管鋪設(shè)間距與深度也對熱調(diào)控效果有顯著影響。鋪設(shè)間距過小會增加工程成本，過大則可能導致熱調(diào)控不均勻；鋪設(shè)深度過淺可能無法有效降低凍土溫度，過深則施工難度增大。一般來說，通風管的鋪設(shè)間距在[X]米-[X]米之間，鋪設(shè)深度在[X]米-[X]米之間，具體數(shù)值需要根據(jù)工程實際情況通過數(shù)值模擬或現(xiàn)場試驗來確定。通風管輔助結(jié)構(gòu)與防護措施也是設(shè)計中需要考慮的重要因素。輔助結(jié)構(gòu)如通風管的彎頭、三通等，用于改變通風管的走向和連接不同部分的通風管，其設(shè)計要保證通風的順暢。防護措施包括對通風管的防堵塞、防腐蝕、防冰凍等。為防止通風管堵塞，可以在通風管入口處設(shè)置濾網(wǎng)，過濾空氣中的雜質(zhì)；為防止通風管腐蝕，除了選擇耐腐蝕的管材外，還可以對通風管進行防腐涂層處理；為防止通風管在冬季冰凍，可以在通風管內(nèi)設(shè)置加熱裝置或采用保溫材料包裹通風管。在施工階段，通風管路基有一系列需要注意的事項。路基基地草皮不清除，這是因為草皮具有一定的隔熱和保護作用，可以減少外界熱量對路基的影響。用重型振動壓路機將碎石壓入地表土層，這樣可以增加路基的密實度，提高路基的承載能力，同時也有助于通風管的穩(wěn)定安裝。按埋設(shè)深度與間距的設(shè)計要求，進行溝槽開挖和通風管布設(shè)，在開挖溝槽時要保證溝槽的平整度和深度符合設(shè)計要求，避免出現(xiàn)高低不平或深度不足的情況；在布設(shè)通風管時，要確保通風管的連接緊密，防止出現(xiàn)漏風現(xiàn)象。通風管管周應鋪設(shè)中粗砂保護層，中粗砂可以起到緩沖和保護通風管的作用，防止通風管受到周圍土體的擠壓而損壞。管頂鋪設(shè)不小于0.2m中粗砂后，按路堤壓實度填筑和壓實，這樣可以保證通風管上方的土體具有足夠的強度和穩(wěn)定性，避免在車輛荷載作用下出現(xiàn)變形或塌陷。以某多年凍土區(qū)高速公路通風管路基工程為例，該工程位于青藏高原地區(qū)，氣候寒冷，凍土問題嚴重。在該工程中，采用了直徑為[X]mm的聚乙烯通風管，鋪設(shè)間距為[X]米，鋪設(shè)深度為[X]米。經(jīng)過多年的運營監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)通風管路基有效地降低了路基下伏凍土的溫度。在暖季，通風管內(nèi)的空氣對流將路基中的熱量帶出，使得路基土體溫度明顯降低，與未采用通風管路基的路段相比，路基中心部位的溫度降低了[X]℃-[X]℃；在寒季，通風管內(nèi)的冷空氣進一步降低了路基土體的溫度，增加了多年凍土地基的冷儲量，凍土上限上升了[X]米-[X]米，有效提高了路基的穩(wěn)定性，減少了路面病害的發(fā)生。3.3調(diào)控熱傳導技術(shù)3.3.1保溫板路基技術(shù)保溫板路基技術(shù)是通過在路基內(nèi)鋪設(shè)隔熱保溫層，利用保溫材料的低導熱性來阻滯路面結(jié)構(gòu)的熱量流入，從而保護凍土的低溫狀態(tài)，防止凍土上限退化。其原理基于熱傳導的基本理論，熱傳導是指當物體內(nèi)部存在溫度差時，熱量會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。保溫材料的導熱系數(shù)極低，如常見的聚苯乙烯泡沫板（EPS）導熱系數(shù)一般在0.03-0.04W/（m?K）之間，擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）的導熱系數(shù)更低，約為0.028-0.03W/（m?K），這使得熱量在通過保溫層時傳遞速率大幅降低，從而減少了路面熱量向路基下伏凍土的傳導。在某高速公路建設(shè)項目中，該路段穿越多年凍土區(qū)，為了保護凍土路基的穩(wěn)定性，采用了保溫板路基技術(shù)。項目選用了XPS保溫板，將其鋪設(shè)在路基底部，厚度為[X]厘米。通過長期的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)保溫板路基在熱調(diào)控方面取得了顯著效果。在夏季高溫時段，與未采用保溫板的普通路基相比，保溫板路基下伏凍土的溫度明顯更低。在路基深度[X]米處，普通路基下的凍土溫度達到了[X]℃，而保溫板路基下的凍土溫度僅為[X]℃，降低了[X]℃左右，有效減緩了凍土的融化速度。在冬季，保溫板也起到了良好的保溫作用，減少了路基熱量的散失，使得凍土能夠保持較低的溫度，維持其凍結(jié)狀態(tài)。保溫板路基技術(shù)在應用中具有多方面的優(yōu)勢。它能夠有效地減少路面熱量對凍土的影響，降低凍土的溫度變化幅度，從而提高路基的穩(wěn)定性。保溫板的鋪設(shè)相對較為簡便，施工成本相對較低，且不會對周圍環(huán)境造成較大的破壞。保溫板還具有一定的耐久性，能夠在較長時間內(nèi)保持其保溫性能。保溫板路基技術(shù)也存在一些局限性。保溫板的保溫效果會隨著時間的推移而逐漸下降，尤其是在受到外界因素（如機械損傷、化學腐蝕等）的影響時，其性能會加速劣化。在高溫高濕的環(huán)境下，保溫板可能會吸收水分，導致其導熱系數(shù)增大，保溫效果降低。因此，在使用保溫板路基技術(shù)時，需要對保溫板進行定期的檢查和維護，及時更換受損的保溫板，以確保其長期的有效性。3.3.2熱棒路基技術(shù)熱棒路基技術(shù)是一種利用熱虹吸原理來調(diào)控路基溫度的有效方式，在多年凍土區(qū)高速公路路基建設(shè)中具有重要作用。熱棒的工作原理基于氣液兩相轉(zhuǎn)換的高效傳熱特性。熱棒內(nèi)部充裝低沸點的工質(zhì)，如氨、氟利昂等。當熱棒的一端（通常是插入路基下部的一端）溫度高于另一端（暴露在大氣中的一端）時，工質(zhì)在高溫端吸收熱量而汽化，蒸汽在壓差作用下迅速流向低溫端。在低溫端，蒸汽遇冷冷凝，放出熱量，將熱量傳遞給周圍的大氣或土體。冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在重力作用下回流到高溫端，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)了熱量的高效傳遞。以青藏公路為例，在多年凍土路段大量應用了熱棒路基技術(shù)。在昆侖山口附近的路段，由于凍土溫度較高，含冰量較大，路基穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。通過在路基兩側(cè)埋設(shè)熱棒，有效地改善了路基的熱狀況。熱棒的埋設(shè)深度一般在[X]米-[X]米之間，間距為[X]米-[X]米。在冬季，外界氣溫較低，熱棒的大氣端溫度低于路基端溫度，熱棒內(nèi)的工質(zhì)開始循環(huán)工作。大量的熱量從路基中被帶出，使得路基下伏凍土的溫度顯著降低。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在熱棒工作后的第一個冬季，路基下伏凍土在深度[X]米處的溫度下降了[X]℃-[X]℃，有效地減緩了凍土的升溫趨勢，保持了凍土的凍結(jié)狀態(tài)。在夏季，由于外界氣溫升高，熱棒的大氣端溫度高于路基端溫度，工質(zhì)停止汽化，熱棒不再進行熱量傳遞，從而阻止了熱量從大氣傳入路基，起到了良好的隔熱作用。熱棒路基技術(shù)在應用中，安裝要點至關(guān)重要。熱棒的埋設(shè)深度需要根據(jù)凍土的溫度、含冰量、厚度以及路基的高度等因素進行合理確定。埋設(shè)深度過淺，無法有效降低凍土溫度；埋設(shè)深度過深，則會增加施工難度和成本。熱棒的間距也需要精確計算，間距過大，熱調(diào)控效果不佳；間距過小，會造成資源浪費。在安裝過程中，要確保熱棒的垂直度，避免出現(xiàn)傾斜，影響熱傳遞效率。熱棒與周圍土體的接觸要緊密，防止出現(xiàn)空隙，導致熱量傳遞受阻。經(jīng)過長期的監(jiān)測和實踐驗證，熱棒路基技術(shù)在青藏公路等多年凍土區(qū)的應用取得了良好的長期效果。在持續(xù)多年的監(jiān)測中，采用熱棒路基技術(shù)的路段，路基沉降量明顯小于未采用熱棒的路段。在一些高溫高含冰量凍土路段，未采用熱棒的路基沉降量達到了[X]厘米以上，而采用熱棒路基技術(shù)的路段，路基沉降量控制在了[X]厘米以內(nèi)，有效地保證了路基的穩(wěn)定性，減少了路面病害的發(fā)生，保障了公路的正常運營。熱棒路基技術(shù)也存在一定的局限性，如熱棒的使用壽命有限，需要定期維護和更換；在一些特殊的地質(zhì)和氣候條件下，熱棒的工作效率可能會受到影響。四、多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果分析4.1影響長期使用效果的因素4.1.1自然因素溫度變化：多年凍土區(qū)的溫度變化是影響路基長期使用效果的關(guān)鍵自然因素之一。多年凍土對溫度極為敏感，微小的溫度波動都可能引發(fā)其物理力學性質(zhì)的顯著改變。全球氣候變暖導致多年凍土區(qū)氣溫呈上升趨勢，這對路基穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴重威脅。隨著氣溫升高，多年凍土中的冰逐漸融化，土體的強度和承載能力急劇下降。研究表明，當凍土溫度升高1℃-2℃時，其抗壓強度可降低30%-50%，變形模量減小40%-60%。凍土的融化還會導致土體體積減小，引發(fā)路基融沉。在高溫高含冰量凍土區(qū)，這種融沉現(xiàn)象更為嚴重，可能導致路面出現(xiàn)大量裂縫、坑洼，甚至塌陷，嚴重影響行車安全和舒適性。據(jù)統(tǒng)計，青藏公路部分路段在夏季高溫時段，由于凍土融化，路基沉降量可達每年5-10厘米，給公路的正常運營帶來了極大困擾。季節(jié)性溫度變化也會對路基產(chǎn)生凍脹和融沉循環(huán)作用。在冬季，氣溫降低，路基土體中的水分凍結(jié)，體積膨脹，導致路基凍脹。而在春季氣溫回升時，凍土開始融化，土體體積收縮，出現(xiàn)融沉。這種凍脹和融沉的循環(huán)作用會使路基結(jié)構(gòu)逐漸破壞，路面出現(xiàn)起伏不平的現(xiàn)象。長期的凍融循環(huán)還會導致路基土體的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低土體的密實度和穩(wěn)定性。在東北地區(qū)的一些高速公路，冬季路基凍脹高度可達3-5厘米，春季融沉后路面平整度明顯下降，需要頻繁進行修復。降水：降水對多年凍土區(qū)高速公路路基的影響主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，降水會增加路基土體的含水量，改變土體的物理力學性質(zhì)。當路基土體含水量增加時，其重度增大，抗剪強度降低，容易導致路基邊坡失穩(wěn)。過多的水分還會在土體孔隙中積聚，在凍結(jié)過程中形成冰透鏡體，進一步加劇路基的凍脹和融沉。在一些降水較多的多年凍土區(qū)，路基邊坡滑坡、坍塌等病害較為常見。例如，在某高速公路穿越的山區(qū)多年凍土路段，由于夏季降水集中，路基邊坡多次發(fā)生滑坡，嚴重影響了公路的正常通行。另一方面，降水還會影響路基下伏凍土的溫度場分布。降水通過入滲進入路基土體，在向下滲透的過程中，會攜帶熱量，改變凍土的溫度。當降水較多時，大量的熱量被帶入凍土中，可能導致凍土溫度升高，加速凍土融化。降水還會影響地表徑流和地下水位，進而影響路基周圍的水熱環(huán)境，對路基的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在一些地勢較低的路段，地下水位受降水影響較大，高地下水位會使路基處于飽水狀態(tài)，降低路基的承載能力，增加路基病害的發(fā)生概率。風力：風力在多年凍土區(qū)高速公路路基的長期使用中也扮演著重要角色。強風會對路基邊坡產(chǎn)生侵蝕作用，破壞邊坡的防護結(jié)構(gòu)，使邊坡土體逐漸流失，降低路基的穩(wěn)定性。風力還會加速路基表面水分的蒸發(fā)，改變路基土體的含水量分布，進而影響路基的熱狀況。在一些風蝕嚴重的地區(qū)，路基邊坡的防護設(shè)施如護坡、擋土墻等容易受到破壞，需要頻繁進行修復和加固。例如，在青藏高原部分地區(qū)，強風經(jīng)常吹蝕路基邊坡，導致邊坡表面的植被受損，土體松動，增加了路基邊坡滑坡的風險。風力還會影響路基周圍的氣流場，改變熱量交換條件。在寒冷季節(jié)，強風會增強空氣對流，加速路基熱量的散失，使路基溫度降低，可能導致凍土過度凍結(jié)，增加凍脹的風險。在溫暖季節(jié)，強風則可能加速熱量向路基的傳遞，使路基溫度升高，加劇凍土融化。風力對不同熱調(diào)控技術(shù)的效果也有影響。對于通風管路基和塊石路基等依賴空氣對流進行熱調(diào)控的技術(shù)，風力的大小和方向會直接影響其通風效果和熱傳遞效率。在風速較大的地區(qū)，通風管路基的通風量會增加，熱調(diào)控效果可能增強；但如果風速過大，可能會導致通風管內(nèi)氣流紊亂，影響熱調(diào)控的穩(wěn)定性。4.1.2人為因素施工質(zhì)量：施工質(zhì)量是影響多年凍土區(qū)高速公路路基長期性能的重要人為因素。在路基填筑過程中，壓實度不足會導致路基土體松散，孔隙率增大，從而使路基的承載能力降低，容易產(chǎn)生沉降變形。若路基填筑材料不符合要求，如使用了含水量過高或強度不足的土料，在溫度和荷載作用下，路基會發(fā)生較大的變形，影響其長期穩(wěn)定性。在某高速公路建設(shè)中，由于部分路段路基填筑壓實度未達到設(shè)計要求，通車后不久就出現(xiàn)了明顯的沉降，路面出現(xiàn)裂縫，嚴重影響了行車安全和舒適性。熱調(diào)控設(shè)施的安裝質(zhì)量也至關(guān)重要。以熱棒為例，如果熱棒的埋設(shè)深度、垂直度不符合設(shè)計要求，或者熱棒與周圍土體的接觸不緊密，就會影響熱棒的傳熱效率，降低其對路基溫度的調(diào)控能力。在一些工程中，由于熱棒安裝時垂直度偏差較大，導致熱棒在工作過程中無法有效將路基熱量導出，使得路基下伏凍土溫度升高，引發(fā)路基融沉病害。保溫材料的鋪設(shè)質(zhì)量也會影響其保溫效果。若保溫材料存在破損、拼接不嚴等問題，熱量會通過縫隙傳入路基，導致保溫效果大打折扣。在某多年凍土區(qū)公路項目中，由于保溫板鋪設(shè)時拼接處密封不嚴，經(jīng)過一段時間的運營后，發(fā)現(xiàn)保溫板下方的凍土溫度明顯升高，路基出現(xiàn)了不均勻沉降。車輛荷載：車輛荷載的長期作用會對路基產(chǎn)生累積損傷，影響路基的長期性能。隨著交通量的增加和車輛軸重的增大，路基所承受的荷載不斷增大，導致路基土體產(chǎn)生疲勞變形。在重復荷載作用下，路基土體的顆粒結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙率發(fā)生變化，土體的強度和剛度降低，從而引發(fā)路基沉降和變形。研究表明，當交通量達到一定程度時，路基的沉降量會隨著交通量的增加而顯著增大。在一些重載交通頻繁的高速公路路段，路基的沉降速率明顯高于其他路段，路面出現(xiàn)了嚴重的車轍和裂縫。不同類型的車輛對路基的影響也有所不同。大型貨車的軸重較大，對路基的壓力集中，容易導致路基局部變形過大。而小型車輛雖然軸重較小，但行駛頻率高，其產(chǎn)生的振動和沖擊力也會對路基產(chǎn)生一定的破壞作用。車輛行駛過程中的制動和啟動會對路基產(chǎn)生額外的水平力，加劇路基的變形。在高速公路的收費站、匝道等車輛頻繁制動和啟動的區(qū)域，路基的病害往往更為嚴重，路面出現(xiàn)了明顯的推移和擁包現(xiàn)象。養(yǎng)護措施：及時有效的養(yǎng)護措施對于維持多年凍土區(qū)高速公路路基的長期性能至關(guān)重要。定期對路基進行檢查和維護，可以及時發(fā)現(xiàn)并處理路基病害，防止病害進一步發(fā)展。定期檢查路基的沉降、裂縫等情況，對于出現(xiàn)的輕微病害及時進行修復，可以避免病害擴大，保證路基的穩(wěn)定性。在某高速公路的養(yǎng)護工作中，通過定期巡查發(fā)現(xiàn)了一些路基裂縫，及時進行了灌縫處理，有效防止了裂縫進一步擴展，保障了公路的正常運營。合理的養(yǎng)護措施還包括對熱調(diào)控設(shè)施的維護。定期檢查熱棒、通風管等熱調(diào)控設(shè)施的工作狀態(tài)，及時清理通風管內(nèi)的雜物，確保通風管暢通，對于保證熱調(diào)控技術(shù)的有效性至關(guān)重要。對保溫材料進行定期檢查和更換，確保其保溫性能。若熱棒出現(xiàn)故障未及時修復，或者通風管被堵塞，熱調(diào)控效果會受到嚴重影響，導致路基溫度升高，凍土融化，引發(fā)路基病害。在一些高速公路的養(yǎng)護中，由于忽視了對熱調(diào)控設(shè)施的維護，導致熱調(diào)控設(shè)施失效，路基出現(xiàn)了嚴重的融沉病害，增加了公路的維修成本和安全隱患。4.2長期使用效果評估指標與方法4.2.1評估指標路基沉降與變形：路基沉降是評估多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果的關(guān)鍵指標之一。沉降量的大小直接反映了路基的穩(wěn)定性和承載能力變化。通過測量路基表面不同位置的沉降量，可以判斷路基是否出現(xiàn)不均勻沉降。不均勻沉降會導致路面出現(xiàn)裂縫、坑洼等病害，嚴重影響行車安全和舒適性。在一些多年凍土區(qū)高速公路，由于凍土融化不均勻，路基出現(xiàn)了明顯的不均勻沉降，路面裂縫寬度可達[X]厘米以上，車輛行駛時顛簸嚴重。路基的變形還包括側(cè)向位移和隆起等。側(cè)向位移可能是由于路基邊坡失穩(wěn)或土體的側(cè)向擠壓引起的，會影響路基的整體穩(wěn)定性；隆起則可能是由于凍土的凍脹或地下水位變化等原因?qū)е碌?，同樣會對路面結(jié)構(gòu)造成破壞。在某高速公路的監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)路基邊坡出現(xiàn)了[X]厘米的側(cè)向位移，導致邊坡防護結(jié)構(gòu)受損，存在滑坡的風險。溫度變化：路基溫度是多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果評估的重要指標，因為溫度變化直接影響凍土的物理力學性質(zhì)。監(jiān)測路基不同深度處的溫度，可以了解凍土的凍結(jié)和融化狀態(tài)，判斷熱調(diào)控技術(shù)的有效性。在熱棒路基路段，通過監(jiān)測熱棒周圍土體的溫度，可評估熱棒的工作效率。若熱棒正常工作，其周圍土體在冬季溫度應明顯降低。在某熱棒路基試驗段，冬季熱棒周圍土體溫度較未安裝熱棒區(qū)域降低了[X]℃-[X]℃，表明熱棒起到了良好的散熱作用。分析路基溫度的年變化和季節(jié)變化規(guī)律，對于預測路基的長期性能也至關(guān)重要。年平均地溫的升高可能預示著凍土的逐漸退化，而季節(jié)溫度變化過大則可能導致路基的凍脹和融沉加劇。在青藏公路的監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)部分路段年平均地溫呈上升趨勢，近[X]年來上升了[X]℃，這對路基的穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴重威脅。路面破損狀況：路面破損狀況是直觀反映高速公路使用效果的重要指標，與路基的長期性能密切相關(guān)。路面裂縫是常見的破損形式，包括橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫等。橫向裂縫通常是由于溫度變化、路基不均勻沉降等原因引起的；縱向裂縫則可能與路基的縱向變形、施工質(zhì)量等因素有關(guān)；網(wǎng)狀裂縫一般是由于路面材料的疲勞、老化等造成的。在某多年凍土區(qū)高速公路，由于路基的不均勻沉降，路面出現(xiàn)了大量橫向裂縫，裂縫間距平均為[X]米，嚴重影響了路面的平整度和行車安全。車轍也是路面破損的一種表現(xiàn)，主要是由于車輛荷載的反復作用，導致路面材料產(chǎn)生塑性變形。在交通量較大的路段，車轍深度可能會迅速增加。在一些重載交通頻繁的高速公路路段，車轍深度可達[X]厘米以上，降低了路面的排水能力，容易引發(fā)交通事故。路面的坑槽、松散等破損狀況也會影響公路的正常使用，需要及時進行評估和修復。4.2.2評估方法現(xiàn)場監(jiān)測：現(xiàn)場監(jiān)測是獲取多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果數(shù)據(jù)的最直接方法。在路基關(guān)鍵部位埋設(shè)各類傳感器，如沉降計、位移計、溫度傳感器、濕度傳感器等，可實現(xiàn)對路基沉降、變形、溫度、濕度等參數(shù)的實時監(jiān)測。在路基中心、邊坡、路肩等位置埋設(shè)沉降計，定期測量沉降量，能夠準確掌握路基的沉降情況。在某高速公路的監(jiān)測中，通過在路基中心埋設(shè)高精度沉降計，發(fā)現(xiàn)路基在通車后的前[X]年沉降量較大，達到了[X]厘米，之后沉降速率逐漸減緩。利用全站儀、水準儀等測量儀器，定期對路基和路面進行測量，可獲取路基的變形數(shù)據(jù)和路面的平整度信息。全站儀可以測量路基的水平位移和垂直位移，水準儀則用于測量路面的高程變化。通過定期測量，能夠及時發(fā)現(xiàn)路基和路面的變形趨勢，為工程維護提供依據(jù)。定期對路面進行巡查，記錄路面裂縫、車轍、坑槽等破損狀況，也是現(xiàn)場監(jiān)測的重要內(nèi)容?？梢圆捎萌斯ぱ膊楹妥詣踊瘷z測相結(jié)合的方式，提高檢測效率和準確性。利用路面裂縫檢測車可以快速、準確地檢測路面裂縫的長度、寬度和分布情況，為路面養(yǎng)護提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：數(shù)值模擬方法在多年凍土區(qū)高速公路路基長期使用效果評估中具有重要作用。運用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLAC、COMSOL等，建立路基的熱-力-變形耦合模型，能夠模擬路基在不同工況下的溫度場、應力場和變形場的變化情況。在建立模型時，需要考慮氣候條件（如氣溫、降水、日照等）、地質(zhì)條件（凍土類型、含冰量、地溫等）、交通荷載（車輛類型、軸重、交通量等）以及熱調(diào)控技術(shù)（熱棒、通風管、保溫材料等）等因素的影響。通過輸入不同的參數(shù)，模擬路基在不同條件下的長期性能變化，預測路基的沉降、變形和溫度變化趨勢。利用數(shù)值模擬可以分析不同熱調(diào)控技術(shù)的作用機制和效果差異，為熱調(diào)控技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。通過模擬不同熱棒間距和埋設(shè)深度下路基溫度場的變化，確定最優(yōu)的熱棒布置方案，以提高熱調(diào)控效果，保證路基的穩(wěn)定性。理論分析：基于凍土力學、傳熱學等相關(guān)理論，對路基的長期使用效果進行分析和評估。根據(jù)凍土的物理力學性質(zhì)和熱傳導規(guī)律，建立路基溫度場和變形場的數(shù)學模型，推導相關(guān)計算公式，分析路基在溫度變化和荷載作用下的穩(wěn)定性和變形特征。運用凍土的蠕變理論，分析凍土在長期荷載作用下的變形規(guī)律，預測路基的長期沉降量。根據(jù)熱傳導方程，計算路基在不同熱調(diào)控措施下的溫度分布，評估熱調(diào)控技術(shù)的有效性。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，對理論分析模型進行驗證和修正，提高理論分析的準確性和可靠性。通過將理論分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，不斷完善理論模型，使其能夠更準確地反映路基的實際工作狀態(tài)，為工程設(shè)計和維護提供科學依據(jù)。4.3實際案例的長期使用效果跟蹤研究以位于青藏高原多年凍土區(qū)的某高速公路為例，該路段全長[X]公里，于[具體通車時間]建成通車。為全面了解該高速公路路基在多年凍土環(huán)境下的長期使用效果，建設(shè)單位與科研團隊合作，制定了一套系統(tǒng)的長期監(jiān)測方案。在監(jiān)測內(nèi)容方面，涵蓋了路基沉降、溫度變化、路面破損狀況等多個關(guān)鍵指標。在路基沉降監(jiān)測上，沿線路方向每隔[X]米設(shè)置一個沉降監(jiān)測斷面，每個斷面在路基中心、路肩及邊坡等位置埋設(shè)高精度沉降計，共計埋設(shè)沉降計[X]個。這些沉降計采用了先進的電子水準儀測量技術(shù)，測量精度可達±0.1毫米，能夠準確捕捉路基的微小沉降變化。溫度變化監(jiān)測則在不同路基深度（如0.5米、1米、2米、3米等）埋設(shè)鉑電阻溫度傳感器，每個監(jiān)測斷面設(shè)置[X]個溫度傳感器，共設(shè)置溫度傳感器[X]個，以實時監(jiān)測路基不同部位的溫度動態(tài)。路面破損狀況監(jiān)測采用定期人工巡查與自動化檢測相結(jié)合的方式，人工巡查每月進行一次，詳細記錄路面裂縫、車轍、坑槽等破損類型、位置和尺寸；同時，利用路面病害檢測車，每季度進行一次全面的自動化檢測，通過圖像識別和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，精確獲取路面破損的各項參數(shù)。在監(jiān)測周期與頻率設(shè)定上，在通車后的前5年，沉降監(jiān)測和溫度監(jiān)測每15天進行一次；路面破損狀況的人工巡查每月一次，自動化檢測每季度一次。5年后，若路基沉降和溫度變化趨于穩(wěn)定，沉降監(jiān)測和溫度監(jiān)測頻率調(diào)整為每月一次；路面破損狀況人工巡查頻率保持不變，自動化檢測每半年一次。若監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動，如路基沉降速率突然增大、溫度異常升高或降低等，立即加密監(jiān)測頻率，確保及時掌握路基的變化情況。通過對多年監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析，在路基沉降方面，通車初期，由于凍土的初始融化和路基土體的壓實調(diào)整，路基沉降較為明顯，部分路段路基中心的沉降量在通車后的第一年達到了[X]毫米。隨著時間的推移，沉降速率逐漸減緩。在采用了熱棒路基技術(shù)的路段，路基沉降得到了有效控制，5年后路基中心的累計沉降量僅為[X]毫米，遠低于未采用熱棒路段的[X]毫米。在溫度變化方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，路基溫度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，夏季溫度升高，冬季溫度降低。在未采取有效熱調(diào)控措施的路段，路基下伏凍土的年平均溫度在通車后的10年內(nèi)上升了[X]℃，導致凍土出現(xiàn)不同程度的融化；而在采用了通風管路基和保溫板路基技術(shù)的路段，路基下伏凍土的年平均溫度基本保持穩(wěn)定，僅上升了[X]℃，有效地保護了凍土的穩(wěn)定性。路面破損狀況方面，隨著通車時間的增加，路面裂縫和車轍等病害逐漸發(fā)展。在交通量較大的路段，車轍深度在通車5年后達到了[X]毫米，部分路段出現(xiàn)了較為嚴重的縱向裂縫，裂縫寬度可達[X]毫米。通過對比不同熱調(diào)控技術(shù)路段的路面破損情況發(fā)現(xiàn)，采用了綜合熱調(diào)控技術(shù)（如熱棒+保溫板+通風管路基）的路段，路面破損程度相對較輕，裂縫和車轍的發(fā)展速度明顯低于其他路段?？偨Y(jié)該高速公路路基性能隨時間的變化規(guī)律，在通車初期，路基受施工擾動和凍土初始融化的影響，沉降和溫度變化較為劇烈，路面也容易出現(xiàn)早期病害。隨著時間的推移，在熱調(diào)控技術(shù)的作用下，路基逐漸趨于穩(wěn)定，沉降速率和溫度變化幅度減小。長期來看，氣候因素（如氣溫升高、降水變化）和交通荷載的長期作用仍是影響路基性能的關(guān)鍵因素。在存在的問題方面，部分熱調(diào)控設(shè)施在長期運行過程中出現(xiàn)了老化和損壞現(xiàn)象，如熱棒的傳熱效率下降，通風管出現(xiàn)堵塞等，影響了熱調(diào)控效果；路面材料在多年的凍融循環(huán)和交通荷載作用下，耐久性不足，導致路面破損加劇。針對這些問題，需要加強對熱調(diào)控設(shè)施的定期維護和更新，研發(fā)更具耐久性的路面材料，以進一步提高多年凍土區(qū)高速公路路基的長期使用效果。五、熱調(diào)控技術(shù)與長期使用效果的關(guān)聯(lián)研究5.1熱調(diào)控技術(shù)對長期使用效果的影響機制不同的熱調(diào)控技術(shù)通過獨特的方式調(diào)節(jié)路基溫度場，進而對路基穩(wěn)定性、變形和耐久性產(chǎn)生影響，最終作用于多年凍土區(qū)高速公路路基的長期使用效果，其影響機制復雜且相互關(guān)聯(lián)。熱輻射調(diào)控技術(shù)，如淺色路面技術(shù)，通過提高路面的太陽輻射反射率，減少路面吸收的太陽輻射能，從而降低路基溫度。太陽輻射是路基熱量的重要來源之一，淺色路面將更多的太陽輻射反射回大氣中，減少了熱量向路基的傳遞。研究表明，與傳統(tǒng)瀝青路面相比，淺色路面可使路基表面溫度降低[X]℃-[X]℃，進而減少了多年凍土的融化深度。在某多年凍土區(qū)高速公路的淺色路面試驗段，經(jīng)過多年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，淺色路面下伏凍土的融化深度比普通瀝青路面減少了[X]米，有效提高了路基的穩(wěn)定性。這是因為較低的路基溫度使得凍土中的冰能夠保持凍結(jié)狀態(tài)，維持了土體的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少了因凍土融化導致的路基沉降和變形，從而延長了高速公路的使用壽命。遮陽棚與遮陽板技術(shù)則是通過遮擋太陽輻射，直接減少路基接收的輻射熱量。遮陽棚搭建在路基上方，遮陽板安裝在路基邊坡等部位，阻擋了太陽輻射直接照射到路基表面。美國在阿拉斯加公路的遮陽板試驗路段研究顯示，遮陽板可使路基邊坡吸熱量減少[X]%-[X]%，坡面溫度降低約6℃左右。這種溫度降低有效減緩了凍土的融化速度，保護了路基下伏凍土的穩(wěn)定性。由于路基溫度得到有效控制，路面因凍土融化而產(chǎn)生的裂縫、坑洼等病害明顯減少，提高了路面的平整度和行車舒適性，保障了高速公路的長期正常運營。熱對流調(diào)控技術(shù)中的碎石與塊石路基技術(shù)，利用空氣對流原理實現(xiàn)熱量交換。在寒季，外界冷空氣溫度低，與塊石層下部溫度較高的凍土形成溫度差，引發(fā)空氣自然對流，將路基下伏地層的熱量帶出路基，降低凍土溫度。暖季時，塊石層中空氣不易形成對流，且空氣導熱性能差，減少了熱量傳入路基。青藏鐵路清水河路段采用塊石路基后，路基下伏凍土年平均溫度下降了[X]℃-[X]℃，凍土上限上升了[X]米-[X]米。穩(wěn)定的凍土上限和較低的凍土溫度使得路基變形得到有效控制，避免了因路基變形過大導致的路面損壞，提高了路基的長期穩(wěn)定性，保障了鐵路的安全運行，對于高速公路而言，同樣能起到類似的作用，確保道路的長期使用效果。通風管路基技術(shù)利用通風管內(nèi)空氣對流，在暖季帶出熱量，寒季降低路基土體溫度，增加多年凍土地基的冷儲量。通風管內(nèi)的強迫對流和自然對流使得路基與外界能夠進行有效的熱量交換。在某高速公路通風管路基工程中，通風管的使用使路基中心部位在暖季溫度降低了[X]℃-[X]℃，在寒季進一步降低，增加了凍土的冷儲量，使凍土上限上升了[X]米-[X]米。這不僅增強了路基的穩(wěn)定性，還減少了路面因溫度變化產(chǎn)生的病害，如車轍和裂縫的發(fā)展，提高了路面的耐久性，從而提升了高速公路的長期使用效果。熱傳導調(diào)控技術(shù)中的保溫板路基技術(shù)，通過在路基內(nèi)鋪設(shè)低導熱性的保溫板，增大傳熱熱阻，阻滯路面結(jié)構(gòu)的熱量流入路基。保溫板的低導熱系數(shù)使得熱量在傳遞過程中受到阻礙，減少了熱量向凍土的傳導。在某高速公路保溫板路基試驗段，采用保溫板后，路基下伏凍土溫度明顯降低，在深度[X]米處，溫度降低了[X]℃-[X]℃。這有效保護了凍土的低溫狀態(tài)，防止凍土上限退化，減少了路基的融沉變形，延長了路面的使用壽命，保障了高速公路的長期性能。熱棒路基技術(shù)利用熱棒的單向傳熱特性，在冬季將路基中的熱量導出，夏季阻止熱量傳入。熱棒內(nèi)部工質(zhì)的氣液兩相轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了高效的熱量傳遞。在青藏公路昆侖山口附近路段，熱棒路基的應用使路基下伏凍土在冬季溫度顯著降低，在深度[X]米處，溫度下降了[X]℃-[X]℃，有效減緩了凍土的升溫趨勢。穩(wěn)定的路基溫度減少了凍土的融化和變形，降低了路面病害的發(fā)生概率，提高了路基的承載能力和穩(wěn)定性，保證了公路的長期正常使用。5.2基于長期使用效果的熱調(diào)控技術(shù)優(yōu)化策略根據(jù)前文對熱調(diào)控技術(shù)與長期使用效果的關(guān)聯(lián)研究以及實際案例的分析，為了進一步提高多年凍土區(qū)高速公路路基的長期使用效果，需要從熱調(diào)控技術(shù)的選擇、組合和設(shè)計參數(shù)優(yōu)化以及監(jiān)測維護等方面制定相應的策略。在熱調(diào)控技術(shù)選擇方面，應充分考慮工程所在地的地質(zhì)條件、氣候特點以及交通荷載等因素。在高溫高含冰量凍土區(qū)，由于凍土對溫度變化極為敏感，熱棒路基技術(shù)是一種較為理想的選擇。熱棒能夠在冬季高效地將路基中的熱量導出，顯著降低路基下伏凍土的溫度，有效減緩凍土的升溫趨勢，保持凍土的凍結(jié)狀態(tài)，從而提高路基的穩(wěn)定性。而在風速較大、太陽輻射強烈的地區(qū)，遮陽棚與遮陽板技術(shù)可以有效遮擋太陽輻射，減少路基接收的輻射熱量，降低路基溫度，減緩凍土融化速度。但需注意其結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的穩(wěn)定性問題，可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用高強度材料來增強其抗風能力。不同熱調(diào)控技術(shù)的組合應用能夠發(fā)揮協(xié)同效應，提高熱調(diào)控效果。將保溫板路基技術(shù)與通風管路基技術(shù)相結(jié)合是一種有效的組合方式。保溫板可以增大傳熱熱阻，阻滯路面結(jié)構(gòu)的熱量流入路基，而通風管路基則利用空氣對流在暖季帶出熱量，寒季降低路基土體溫度，增加多年凍土地基的冷儲量。兩者結(jié)合，能夠從不同角度對路基溫度進行調(diào)控，更好地保護凍土。在某高速公路的工程實踐中，采用這種組合技術(shù)后，路基下伏凍土的年平均溫度明顯降低，凍土上限上升，路基沉降得到有效控制，路面病害發(fā)生率顯著降低。還可以將熱棒路基技術(shù)與塊石路基技術(shù)相結(jié)合。熱棒在冬季能夠快速將路基熱量導出，塊石路基則利用其“阻熱、傳冷”特性，在寒季和暖季都能對路基溫度起到調(diào)節(jié)作用，進一步增強了路基的熱穩(wěn)定性。優(yōu)化熱調(diào)控技術(shù)的設(shè)計參數(shù)對于提高其有效性至關(guān)重要。以熱棒路基技術(shù)為例，熱棒的埋設(shè)深度和間距直接影響其傳熱效果。根據(jù)凍土的溫度、含冰量、厚度以及路基的高度等因素，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗確定合理的埋設(shè)深度和間距。在凍土溫度較高、含冰量較大的區(qū)域，適當增加熱棒的埋設(shè)深度和減小間距，以增強其散熱能力。對于通風管路基技術(shù)，通風管的管徑、鋪設(shè)間距和深度也需要精確設(shè)計。在風速較大的地區(qū)，適當增大通風管管徑，以提高通風量；合理調(diào)整鋪設(shè)間距和深度，確保通風管能夠均勻地降低路基溫度，避免出現(xiàn)溫度