《多年凍土地區(qū)公路熱棒路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》

CECSGXXXX:2018

中國工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)

StandardofChinaAssociationforEngineeringConstruction

Standardization

多年凍土地區(qū)熱棒路基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程

（征求意見稿）

Technicalspecificationforthedesignandconstructionof

thermosyphonembankmentsinpermafrostregions

中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布

IssuedbyChinaAssociationforEngineeringConstructionStandardization

1.總則

1.0.1為推動(dòng)熱棒路基在多年凍土地區(qū)道路工程建設(shè)中的應(yīng)用，

提升熱棒路基的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量控制等技術(shù)水平，確保工程質(zhì)量，

做到技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，制定本規(guī)范。

1.0.2本規(guī)范適用于多年凍土地區(qū)公路路基工程中應(yīng)用熱棒技術(shù)

的設(shè)計(jì)、施工、檢測及驗(yàn)收。各等級公路設(shè)計(jì)與施工均可參考。

1.0.3多年凍土區(qū)熱棒路基的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循能量平衡的原則，即在

一年的凍融循環(huán)周期內(nèi)，通過合理設(shè)計(jì)熱棒路基結(jié)構(gòu)，使得凍土地基

通過熱棒耗散的熱量和吸收的熱量達(dá)到平衡狀態(tài)。

1.0.4多年凍土區(qū)熱棒路基的施工應(yīng)考慮工程與多年凍土的相互

影響，減少對凍土環(huán)境的擾動(dòng)。

1.0.5熱棒路基的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)積極采用成熟可靠的新技術(shù)、新

材料、新設(shè)備、新工藝。

1.0.6熱棒路基的設(shè)計(jì)、施工除應(yīng)遵守本規(guī)范的規(guī)定外，尚應(yīng)符

合國家現(xiàn)行有關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定。

1

2.術(shù)語、符號

2.1術(shù)語

2.1.1熱棒thermosyphon

用于多年凍土區(qū)，工作溫度在200K~333K（-73℃~60℃）之間，

蒸發(fā)段在下方、冷凝段在上方、管內(nèi)凝結(jié)液依靠重力而回流的傳熱管。

2.1.2熱棒路基thermosyphonembankment

在路基中埋置熱棒，利用熱棒將寒季大氣中的“冷能”儲存于凍

土中，以保證多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定的路基形式。

2.1.3工質(zhì)workingfluid

熱棒內(nèi)用于傳遞熱量的介質(zhì)。

2.1.4蒸發(fā)段evaporatorsection

熱棒工質(zhì)吸熱汽化的部分。

2.1.5冷凝段condensersection

熱棒工質(zhì)放熱凝結(jié)的部分。

2.1.6絕熱段insulationsection

熱棒蒸發(fā)段與冷凝段之間，不與外界換熱的部分。

2.1.7等溫特性isothermalcharacteristics

在一定的熱負(fù)荷和工作條件下，熱棒內(nèi)部工質(zhì)蒸汽溫度沿長度方

向呈現(xiàn)出溫度均勻且相等的特征。

2.1.8啟動(dòng)溫差startingtemperature

熱棒進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)的蒸發(fā)段與冷凝段溫度差值。

2.1.9多年凍土permafrost

2

凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)2年以上的土層（土壤、土、巖石）。

2.1.10多年凍土上限permafrosttable

多年凍土層的頂面，也是指地表以下位置最深的凍融土層的界面。

天然條件下的多年凍土上界面為多年凍土天然上限。

2.1.11年平均地溫meanannualgroundtemperature

地表以下溫度隨季節(jié)而變化，其變化幅度隨深度增加而衰減。在

某一深度以下，地溫在一年內(nèi)相對不變。這一深度稱為地溫年變化深

度，該處的地溫即為年平均地溫。

2.1.12融化盤thawbulb

在路基下，多年凍土地基土的一部分發(fā)生融化，形如盤、盆狀，

稱為融化盤。

2.1.13凍結(jié)指數(shù)freezingindex

一年（或整個(gè)冬季）中連續(xù)地低于0℃氣溫的持續(xù)時(shí)間和其數(shù)值

乘積的總和，以度·日（℃·day）或度·月（℃·month）表示。

2.2符號

Ta——年平均氣溫；

Td——日平均氣溫；

Tg——年平均地溫；

Ri——熱棒各部分的等效熱阻；

Ra——熱棒的等效熱阻；

Rs——熱棒影響范圍內(nèi)土體熱阻；

Aei——熱棒蒸發(fā)段內(nèi)表面積；

3

Aci——熱棒冷凝段內(nèi)表面積；

Aco——熱棒冷凝段面積；

A——融化盤面積；

αe——熱棒蒸發(fā)換熱系數(shù)；

αci——凝結(jié)換熱系數(shù)；

αco——冷凝段外部換熱系數(shù)；

do——熱棒外徑；

di——熱棒內(nèi)徑；

lc——冷凝段長度；

le——熱棒蒸發(fā)段的長度；

l——路基基底寬度；

n——冷凝段散熱翅片個(gè)數(shù)；

λ——管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

λa——空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；

λs——土體導(dǎo)熱系數(shù)；

ρf——空氣的密度；

ρd——土體干密度；

w——土體含水率（含冰量）；

L——冰水相變潛熱；

vf——外界風(fēng)速；

Nuf——努賽爾數(shù)；

Ref——熱棒外部空氣的雷諾數(shù)；

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μf——空氣的動(dòng)力粘度；

ss

tt——翅片間距和翅片高度之比、翅片間距與翅片厚度之比；

Hc、f

rf——熱棒的冷卻半徑；

W——熱棒的實(shí)際功率；

Qa——單根熱棒的年內(nèi)傳熱量；

QL——土體融化潛熱；

Q——熱棒的年內(nèi)傳熱量；

K——安全系數(shù)；

h——路基下凍土每年融化深度；

t1——冷季開始時(shí)間（日）；

t2——冷季結(jié)束時(shí)間（日）；

tt1——熱棒開始工作時(shí)間（日）；

tt2——熱棒結(jié)束工作時(shí)間（日）；

FI——凍結(jié)指數(shù)。

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3.熱棒路基設(shè)計(jì)

3.1一般要求

3.1.1多年凍土地區(qū)熱棒路基應(yīng)根據(jù)工程方案、場地條件，合理

選擇勘察方法，保證勘察質(zhì)量，滿足方案設(shè)計(jì)的需要，并應(yīng)充分考慮

設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2多年凍土地區(qū)熱棒路基設(shè)計(jì)應(yīng)收集沿線地形、地貌資料；

既有道路勘察、設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)工程觀測資料；區(qū)域日平均氣溫（或

月平均氣溫）數(shù)據(jù)；區(qū)域的風(fēng)速資料。

3.1.3熱棒路基從結(jié)構(gòu)上由路基和熱棒兩部分組成。熱棒路基的

路基部分的設(shè)計(jì)應(yīng)符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范JTGD30-2015》中的相

關(guān)規(guī)定要求。

1路基可根據(jù)地形采用路堤、路塹、半填半挖、低填淺挖等多種

路基形式。

2路基采用路堤通過時(shí)，路堤填高宜小于3m。

3存在多年凍土層的挖方路基，應(yīng)采取封閉保護(hù)措施，避免凍土

層長期暴露吸熱引起的邊坡病害。

4熱棒宜設(shè)置在路肩上。

3.1.4路基設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地表水對多年凍土的不利影響，采取措施

疏導(dǎo)地表水，做好路基排水防護(hù)設(shè)計(jì)。

1排水設(shè)施應(yīng)耐冰凍、耐沖刷、耐鹽蝕。

2排水措施應(yīng)采取防滲處理措施。

3排水邊溝斷面可采用三角形、矩形、階梯形和淺碟形等形式。

6

4挖方路段或斜坡路堤上方流入路界的地表徑流量大時(shí)，應(yīng)設(shè)置

截水溝。

3.1.5路基填筑應(yīng)選擇不凍脹或弱凍脹及弱融沉性的土石填料。

嚴(yán)禁使用富含腐殖質(zhì)的土、草炭土、泥炭土、草皮以及凍土作填料。

3.1.6多年凍土地區(qū)熱棒路基勘察應(yīng)查明地層巖性、多年凍土類

型、含冰量、天然上限和年平均地溫。

3.1.7工程地質(zhì)測試應(yīng)確定熱棒蒸發(fā)段所處的各地層的導(dǎo)熱系數(shù)、

比熱容及導(dǎo)溫系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)的測定可采用室內(nèi)試驗(yàn)確定。

3.1.8熱棒蒸發(fā)段應(yīng)埋設(shè)于多年凍土天然上限1.0m以下。在冷凝

段應(yīng)設(shè)置散熱翅片，翅片宜設(shè)置在地表0.5m以上，且散熱翅片段的

長度不小于1.0m。

3.1.9熱棒的選擇應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《熱棒》（GB/T27880）的

要求。

3.2熱棒路基適用性

3.2.1熱棒路基適用于高溫高含冰量、且路側(cè)不易積水的填方路

段或挖方路段。

3.2.2單側(cè)、雙側(cè)熱棒適用范圍

1單側(cè)熱棒適用于：

1）新建路段預(yù)防融化盤因陰陽坡的影響而偏移，設(shè)置于陽坡；

2）治理改建路段由于融化盤偏移所引起的不均勻沉陷、縱向裂

縫等病害。

2雙側(cè)熱棒適用于新建路段極高溫多年凍土區(qū)、凍土退化區(qū)或整

7

體式寬幅路基。

3.2.3熱棒路基的適用性，應(yīng)結(jié)合勘察資料和設(shè)計(jì)確定。在初步

設(shè)計(jì)階段，可以利用已有的研究成果（如數(shù)值分析、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等）確

定熱棒路基適用路段。

3.3熱棒路基設(shè)計(jì)

3.3.1多年凍土地區(qū)路堤設(shè)計(jì)不宜清除地表植被，當(dāng)遇泥炭、沼

澤等地表軟弱層時(shí)，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行地表處理。

3.3.2平坦地段，當(dāng)路堤實(shí)際填土高度大于設(shè)計(jì)控制高度時(shí)，填

土路基典型橫斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)符合以下規(guī)定：

1地基表面直接填筑砂礫或石渣，采用沖擊碾壓的方式擠入地

面。擠入層砂礫壓實(shí)穩(wěn)定后，再填筑30cm砂礫或石渣，壓實(shí)穩(wěn)定。

地表處理完成后填筑路基，其結(jié)構(gòu)圖可按圖3.3.1設(shè)計(jì)。

圖3.3.1一般填方路基斷面

1）地表植被稀疏，無明顯積水，無不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，擠入地表

路堤填料厚度按30cm控制，碾壓后地表壓實(shí)度應(yīng)滿足表3.3.1規(guī)定。

2）地表植被良好、存在水草地或沼澤濕地、有明顯積水等情況

時(shí)，擠入地表路堤填料應(yīng)根據(jù)地勘查明地質(zhì)條件設(shè)計(jì)，碾壓后地表壓

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實(shí)度應(yīng)滿足表3.3.1規(guī)定。

3)路堤應(yīng)分層鋪筑，均勻壓實(shí)，壓實(shí)度應(yīng)符合表3.3.1的規(guī)定

表3.3.1路堤壓實(shí)度

壓實(shí)度（%）

路面底面以

填挖類型高速公路、三、四級公

下深度（m）二級公路

一級公路路

上路堤0.80～1.50≥94≥94≥93

下路堤1.50以下≥93≥92≥90

2地表排水條件較好時(shí)，路堤下部可采用當(dāng)?shù)丶?xì)粒土填筑，上

部宜采用粗粒土填筑，為防止凍脹翻漿，粗粒土填筑厚度應(yīng)不小于

0.5m。

3地表排水條件較差時(shí)，宜采用粗粒土填筑路堤。當(dāng)采用細(xì)粒

土填筑時(shí)，下部應(yīng)設(shè)毛細(xì)水隔斷層，其厚度應(yīng)保證在路堤工后沉降完

成后隔斷層高出最高積水水位不少于0.5m。

3.3.3平坦地段，當(dāng)路堤實(shí)際填土高度小于設(shè)計(jì)控制高度時(shí)，凍

土路堤典型橫斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)符合以下規(guī)定：

1高含冰量多年凍土較厚時(shí)，可部分挖除換填。換填應(yīng)選用保

溫、隔水性能較好的黏性土或片（塊）石。換填深度與路堤高度之和

應(yīng)不小于路基設(shè)計(jì)臨界高度與天然上限之和。

2低含冰量多年凍土區(qū)，當(dāng)路堤實(shí)際填土高度大于0.5m，小于

設(shè)計(jì)控制高度，地表?xiàng)l件較好，無明顯積水，無不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，可

采用基底開挖換填、壓實(shí)后填筑路基，換填深度80cm，基底應(yīng)布設(shè)

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隔水土工布，設(shè)置單向橫坡，坡底一側(cè)埋設(shè)PVC排水管。其結(jié)構(gòu)可

按圖3.3.2設(shè)計(jì)。

圖3.3.2部分換填斷面

3.3.4多年凍土路塹設(shè)計(jì)應(yīng)包括路基橫斷面設(shè)計(jì)和支擋結(jié)構(gòu)防

護(hù)設(shè)計(jì)。

1富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層等高含冰量地段的路塹，應(yīng)采

用基底部分或全部換填以及坡面防護(hù)、保溫等措施。

2路基按控制融化速率原則設(shè)計(jì)時(shí)，斷面型式可參考圖3.3.3。

路基底部超挖換填，超挖深度80cm～150cm，換填粗粒土，底部鋪

設(shè)防水土工布，設(shè)單向橫坡及PVC管排水。邊坡地下水位較低時(shí)，

采用草皮或植物邊坡防護(hù)，地下水位較高時(shí)，應(yīng)在上邊坡修建盲溝排

水，路面下宜設(shè)置XPS保溫板。

圖3.3.3路塹路基斷面

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3.3.5低填淺挖及零填挖斷面路基的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)路段的水文、地

質(zhì)條件和多年凍土的含冰量條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)根據(jù)不同處治方案

的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)可行性比較。

1路基下多年凍土中的富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層等高含冰

量凍土厚度較大，埋藏較深，全部清除換填困難且不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采取

部分換填的保護(hù)多年凍土路基設(shè)計(jì)方案。

2路基下多年凍土為少冰凍凍土、多冰凍土等低含冰量多年凍土，

可采用基底超挖換填、壓實(shí)后填筑路基，換填深度應(yīng)超過多年凍土上

限50cm，基底應(yīng)布設(shè)隔水土工布，設(shè)置單向橫坡，坡底一側(cè)埋設(shè)PVC

排水管。如圖3.34所示。

圖3.3.4低含冰量多年凍土區(qū)低填淺挖路基橫斷面形式

3.3.6半填半挖段路基的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)路段的水文、地質(zhì)條件和多

年凍土的含冰量條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)根據(jù)不同處治方案的經(jīng)濟(jì)與技

術(shù)可行性比較。

1當(dāng)?shù)乇頇M坡大于1：3時(shí)，路基基底應(yīng)開挖臺階，臺階縱斷面

方向長度不小于200cm，橫斷面方向應(yīng)不小于100cm，臺階高度應(yīng)不

小于30cm，并設(shè)置2%向內(nèi)傾斜的橫坡。路基實(shí)際填土高度應(yīng)滿足填

方路段路基設(shè)計(jì)高度的要求，如圖3.3.5所示。

2高含冰量多年凍土區(qū)以及寬幅路基條件下，可在路面結(jié)構(gòu)層下

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設(shè)置隔熱層，其厚度不宜小于6cm。

3填方側(cè)路基高于4m時(shí)，應(yīng)設(shè)置土工格柵。

圖3.3.5低含冰量多年凍土區(qū)半填半挖段路基橫斷面形式

3.3.7施工填料

3.3.7.1砂礫

1用于基底處理的砂礫其顆粒組成應(yīng)滿足墊層材料級配要求，

0.075mm以下顆粒含量不超過5%。

2在指定的砂礫料場取料，砂礫宜粗不宜細(xì)，最大粒徑不超過

15cm。

3不得采用砂性土、中粗砂、碎石土等替代。

3.3.7.2石渣

1用于基底處理所用的石渣最大粒徑≤15cm，飽水抗壓強(qiáng)度＞

30MPa，含土量小于5%。

2潔凈且不易風(fēng)化，不得采用碎、塊石土替代。

3.3.7.3土工格柵

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1土工格柵采用雙向塑鋼土工格柵。

2縱、橫向抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于80KN/m，延伸率小于等于3％，寬

度不小于4.0m。

3土工格柵應(yīng)均勻張拉，相鄰兩幅格柵在交界處搭接布置，橫

向搭接寬度為20cm，縱向搭接寬度為15cm。

3.3.7.4路基上部填料

1路基上部填料必須按照設(shè)計(jì)在指定的取土場取土，嚴(yán)禁在路

基兩側(cè)取土；

2取土場的填料應(yīng)進(jìn)行取樣試驗(yàn)，嚴(yán)禁使用塑性指數(shù)＞12、液

限＞32%的細(xì)粒土及腐殖土、草皮、以及凍土作為路基填料；

3有條件的盡可能采用卵碎石土等粗顆粒土作為路基填料。

3.3.8熱棒可按形狀分為直插式熱棒、L型熱棒等；按設(shè)置位置

可分為路基單側(cè)布設(shè)、路基雙側(cè)布設(shè)；按路基尺度可分為分幅路基單

側(cè)、雙側(cè)布設(shè)，整幅路基路肩及路中同時(shí)布設(shè)。具體布設(shè)位置圖見附

錄E。

3.3.9熱棒的埋置深度應(yīng)根據(jù)被處治路基的多年凍土認(rèn)為上限深

度確定，宜為上限以下1.0~2.5m。

3.3.10熱棒的有效作用半徑應(yīng)根據(jù)熱棒現(xiàn)場試驗(yàn)觀測結(jié)果確定,

無現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，也可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、凍土地溫土體的導(dǎo)熱系數(shù)等，

通過數(shù)值模擬分析和試驗(yàn)工程確定。

3.3.11熱棒的間距應(yīng)根據(jù)熱棒的有效作用半徑確定，宜為有效作

用半徑的1.5~2.5倍；熱棒的設(shè)置可采用單棒豎置、單棒斜置、雙棒

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豎置和雙棒斜置等方式，可參考以下原則確定：

1在不損失熱棒制冷效果的前提下熱棒宜斜置，斜置角度宜為

75°。

2在極高溫凍土區(qū)及凍土退化區(qū)應(yīng)埋置雙側(cè)熱棒，并保持適當(dāng)?shù)?/p>

路基填土高度。

3在中高溫凍土區(qū)，當(dāng)人為上限較大時(shí)，可采用雙側(cè)熱棒冷卻路

基；當(dāng)融化盤因陰陽坡的影響而偏移時(shí)，可在陽坡設(shè)置單側(cè)熱棒。

3.4熱棒設(shè)計(jì)

3.4.1應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料、地質(zhì)勘察資料及熱棒的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)

據(jù)，根據(jù)熱棒現(xiàn)場試驗(yàn)確定的實(shí)際功率初選熱棒的直徑、長度、散熱

器面積、翅片數(shù)目等。如缺乏現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可按已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和參

照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《熱棒》（GB/T27880）選擇。

3.4.2保證凍土路基穩(wěn)定性所需的耗冷量QD應(yīng)按消除普通路基

下融化盤面積所需的耗冷量計(jì)算，計(jì)算公式如下。

QLwA

Dd（3.4.2-1）

式中：

L——冰水相變潛熱，L＝334kJ/kg；

3

d——土體干密度（kg/m）；

w——含冰量（%）；

A——融化盤面積（m2），應(yīng)由現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；缺乏現(xiàn)場

試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可由數(shù)值模擬等方法確定；也可按下式計(jì)算。

14

2

Alh

3（3.4.2-2）

式中：l——路基基底寬度（m）；

h——路基下凍土每年融化深度（m），應(yīng)由現(xiàn)場試驗(yàn)確定；缺

乏熱棒的現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，可結(jié)合勘察資料或數(shù)值計(jì)算等方法確定，初步

設(shè)計(jì)時(shí)可遵照附錄A取值。

3.4.3熱棒的工作時(shí)間t可采用公式計(jì)算或者圖表法計(jì)算（遵照

附錄B）。熱棒的工作溫差為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁豑a和年平均地溫Tg的差

值。

3.4.4熱棒的縱向間距S可按熱棒的冷卻半徑考慮安全系數(shù)儲備

進(jìn)行計(jì)算，按式（3.3.2-3）計(jì)算。

Srf/K（3.4.4-1）

式中：K——安全系數(shù)，可取1.0~1.5。

rf——熱棒的冷卻半徑（m），應(yīng)由現(xiàn)場試驗(yàn)確定；缺乏熱棒的

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)遵照附錄C計(jì)算。

3.4.5單根熱棒的設(shè)計(jì)年內(nèi)傳熱量Q計(jì)算按下式計(jì)算確定。

QQ

a（3.4.5-1）

Qa——熱棒的實(shí)際年內(nèi)傳熱量（J），應(yīng)由熱棒的實(shí)際功率對工作

時(shí)間做積分確定。有熱棒現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)按下式確定。

=