冻土退化及路基融沉病害是中国多年冻土区交通工程面临的关键障碍。基于制冷技术,提出一种更具实时性和有效性的多年冻土保护方法。通过多年冻土制冷需求分析、制冷方法对比、驱动源供应方法分析,提出太阳能光伏驱动压缩式制冷的节能方案。设计一款路基专用的一体化制冷系统,并从资源性、技术性、经济性等角度论证其实用性。研究结果表明:压缩式制冷系统的输出性能与结构形式可以有效应对多年冻土退化的大深度分布特征和冷负荷要求。青藏高原等多年冻土区的太阳辐照量充足,基于光伏发电技术可以解决路基沿线制冷驱动力的分散供应难题,太阳能制冷具有地域、季节匹配性好的优势。制冷组件包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流器等,其中功能部件蒸发器的结构形式为立式柱状螺旋形盘管。制冷系统可以预设不同的制冷温度和启停间隔,技术性和经济性条件良好。试验结果表明:装置在正温环境下的制冷温度约为-14℃,地层冷却半径在3.0 m以上;有效制冷系数随着周围土体温度的减小而逐渐降低,平均值在0.41以上。所提出的太阳能光伏压缩式制冷系统可为多年冻土区路基建设和运营保障提供一种新方法。

随着工程建设标准的提高及全球气候的增温,热管降温措施在近十余年来被广泛应用于多年冻土区的铁路、公路等工程中。冷却半径作为反映热管措施效果的关键指标,在理论和实践上给予了大量研究,基本掌握了影响热管冷却半径的大致范围。但是由于工程地质条件的复杂性、热管结构参数的多样性、年平均气温的差异性,以及评价季节的差异,对热管冷却半径的认识还有一定差异。同时,当前关于热管冷却半径的评价,多侧重于冬季,且评价标准不明确。采用热管措施的出发点是提高地基的承载力,下一步关于热管冷却半径的研究需要从最不利的季节入手,并结合地温和承载力的关系,进一步明确多年冻土区热管冷却半径的评价标准。

柴达尔-木里铁路沿线高温沼泽化多年冻土广泛发育,约20 km的冻土路基采用了热管降温措施.借鉴青藏铁路的成功经验,热管的纵向和横向间距均设计为3 m,并针对铁路东南-西北的不利走向,在阳坡布设了双排热管.为验证热管措施在多年冻土湿地路段设计参数的合理性,2008年底在柴达尔-木里铁路中段布设了热管冷却半径观测试验场,该观测场热管的施工工艺、工程地质条件、气候条件与柴木铁路热管措施路段基本相同.结果表明,如果以降温-0.5℃作为热管有效冷却半径的界定标准,以热管蒸发段中部即3.5 m作为衡量深度,采用年平均温度和年最低温度作为划分依据的热管有效冷却半径分别为2.4 m和4.5 m,均大于达尔-木里铁路所采用的热管设计参数.