多年冻土区机场跑道L型热管+保温板温控技术

程国勇，马少敏，杨依恒

（中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300）

多年冻土的水热平衡一旦遭到破坏就会出现严重退化，严重威胁地基的稳定性及工程安全耐久性[1-3]。当前，多年冻土区公路和铁路建设探索了许多行之有效的冻土保护及温控措施，如通风管路基[4-6]、块（碎）石路基[7]、热棒[8-9]、遮阳板技术[10-11]、以桥代路[12]等。但与一般线路工程不同，机场跑道具有宽度大、荷载大、道基外土面区平整性要求高、跑道升降带内突出地面物体严格限制[13]等特点，这导致传统冻土保护及温控措施无法应用于机场跑道。因此，需针对机场跑道特点及飞行区特殊要求探索新的冻土温控方案。

目前，对L 型热管温控影响因素的相关研究并不多。董元宏等[14]通过有限元分析对有无L 型热管两种情况下的路基温度场进行了对比分析，并验证其降温效果。杨永平等[15]对多年冻土区路基热管合理倾斜角度进行了数值分析，得出不同倾斜角度下，路基中心边坡下的冻土上限抬升值不同。樊云龙[16]对热管路基进行了室内实验，分析了土层内部温度变化特征。李永强[17]分析了不同形式热管路基的稳定性，提出路基工程中热管的合理布设位置。文献[18]采用聚苯乙烯保温材料在铁路、公路和机场工程中进行了实验研究及工程应用，隔热效果明显。文献[19]在加拿大北部伊努维克公路工程中开展了聚苯乙烯泡沫（EPS，expanded polystyrene）保温材料实验研究，分析了不同厚度保温层下土层的热融变形值。上述研究对L 型热管的壳体材质、蒸发段与冷凝段弯折角度、热管蒸发段坡角、保温板厚度和埋深等温控影响因素并未进行分析。

基于以上研究分析，提出L 型热管+保温板新型冻土温控技术。该技术将蒸发段倾斜设置在跑道中心下的热核部位；同时将冷凝段安设在跑道两侧的排水沟内且不高出地表，以满足跑道升降带地表平整、无固定凸起物体要求，为解决多年冻土区机场跑道的冻土地基保护问题提供了一种解决方案。通过采用室内缩尺实验在冻土实验室内进行实验研究，分析不同对照实验组下，L 型热管+保温板温控措施关键技术参数对土基降温效果的影响，验证该技术在冻土道基中应用的可行性，可为多年冻土区机场跑道温控技术研究提供参考。

1 实验简介

1.1 实验设备

冻土实验室如图1 所示。实验室长8 m、宽7 m，实验设备由控温系统、温度数据采集系统及实验模型槽3 部分组成。控温系统为DWJ-10P 型冻土稳定性实验机，温度控制范围为-50 ℃～50 ℃，精度0.1 ℃。温度数据采集系统由ENC12/14 数采机箱、AM16/32B 扩展版、109 型土壤温度传感器、9961 型温度传感器线缆、CR1000 数据采集器组成。温度传感器为热敏电阻型传感器，测温范围为-50 ℃～70 ℃，精度0.01℃。实验模型槽尺寸为1.9 m×1.9 m×1.1 m，模型槽置于实验室中部，模型槽水平面与实验室地面齐平，四周及底部采用绝热材料来降低外界环境对土基温度的影响。

图1 冻土实验室Fig.1 Permafrost laboratory

1.2 实验方案

室内实验分为冷季实验和暖季实验。冷季实验时长为4 个月，按一定温度范围控制实验室环境温度，实验主要分为热管壳体材质实验、热管蒸发段坡角实验、热管弯折角度实验；暖季实验时长为2 个月，实验主要分为保温板厚度实验和保温最佳埋深实验。温度传感器在模型槽内每隔0.1～0.2 m 纵向设置，横向间距根据实验需要布置。在实验过程中，参考东北地区年平均温度作为环境温度，同时将冷季和暖季的平均温度、最低和最高温度幅值作为参考值。

1.3 土质参数

将实验室槽中的土取9 组土样，每组土样取2 份，质量为15 ～ 30 g，放入称重盒。天平称取总重，精度0.01 g，烘干土样，继续称取土样质量，计算每个试样的含水率，可得每组土样的含水率平均值，最终，通过实验可得9 组土样的含水率为25.87%。

为计算土样的湿密度和干密度，采用内径为0.08 m、高0.02 m 的环刀切取模型槽内的土样，土样体积为1 ×10-4m3，环刀质量为54.86 g，将土样切削平整，放置在天平称取总质量为248.9 g，用总质量减去环刀质量，可得湿土总质量为194.04 g。由土样含水率为25.87%和湿密度及干密度计算公式[20]可得湿密度为1 940.40 kg/m3，干密度为1 541.59 kg/m3。

2 冷季实验分析

根据中国气象数据网提供的黑龙江地区气温资料，在1981—2010 年期间，月平均温度在0 ℃以下的月份集中于9 月下旬至次年4 月，月平均最低温度为-29.2 ℃，冷季实验选取部分温度段作为实验温度，调节温度控制箱保持室内温度稳定，模拟环境温度。

2.1 L 型热管壳体材料实验

为验证不同壳体材料L 型热管降温效果，将蒸发段埋置于土层，埋置热管时弯折角（蒸发段与冷凝段夹角）统一取100°，坡角（蒸发段与水平面夹角）取45°，工质为氨，蒸发段长度取1.5 m，冷凝段长度取1 m，管径取24 mm，实验周期为7 d，设定实验环境温度为-5 ℃和-25 ℃。比较工业纯铝、Q235 碳素钢、304 不锈钢3 种不同壳体材料的降温效果，如图2 和图3 所示。

图2 -5 ℃下土层温度变化曲线Fig.2 Change of soil temperature at-5 ℃

图3 -25 ℃下土层温度变化曲线（材料实验）Fig.3 Change of soil temperature at-25 ℃(material experiment)

从图2 和图3 可知，在-5 ℃和-25 ℃实验环境温度下，3 种不同壳体材料降温效果不同，工业纯铝材料的壳体降温效果强于Q235 碳素钢和304 不锈钢。实验周期结束时，-5 ℃实验环境温度下，同一埋深下，工业纯铝比Q235 碳素钢多降温0.9 ℃～1.9 ℃，比304 不锈钢多降温1.1 ℃～2.4 ℃；-25 ℃实验环境温度下，同一埋深下，工业纯铝比Q235 碳素钢多降温0.9 ℃～2℃，比304 不锈钢多降温2.7 ℃～4.6 ℃，工业纯铝的降温速率最快。工业纯铝的壳体材料降温效果好的原因在于其导热性强于Q235 碳素钢和304 不锈钢。

此外，分析同一埋深下温度值随时间变化情况可知，3 种不同壳体材料的热管在实验前两天降温速率较慢，这是由于冻土实验在环境温度设定时有一个降温过程；同时，埋置热管需要将土体挖开，会造成土体扰动产生部分热量。实验第3～7 d，热管降温速率随时间的增加而变快，这是由于浅层的土层在实验初期降温过程中与环境温度接触，在实验室环境温度和热管降温共同作用下，造成降温速率会加快；因此，选用工业纯铝材质作为热管的壳体材料，其优点在于降温效果好、经济性强和加工工艺成熟。

2.2 L 型热管蒸发段坡角实验

为验证土层中L 型热管蒸发段在不同坡角α 下的降温效果，分别取10°、15°、25°、35°、45°坡角，热管弯折角度β 取100°，工质为氨，蒸发段长度取1.5 m，冷凝段长度取1 m，管径取24 mm，热管壳体材料为工业纯铝，实验周期为7 d，在环境温度-25 ℃下，比较不同坡角下的降温效果，实验结果如图4 和图5所示。

图4 -25 ℃下土层温度变化曲线（坡角实验）Fig.4 Change of soil temperature at-25 ℃(slope angles experiment)

图5 -25 ℃下梯度比变化曲线Fig.5 Change of gradient ratio at-25 ℃

从图4 可知，在环境温度-25 ℃下，蒸发段坡角不同，降温效果也不同。不同埋深下，坡角在25°～45°时较10°～25°时的热管降温效果更好，这是由于蒸发段坡角增大，管内工质由气态转化为液态，沿管壁流速加大，重力式热管的液体工质蒸发转化效能提高。随着蒸发段坡角α 增大，L 型热管降温效果越明显，但由于跑道道面宽度较大，蒸发段坡角越大，热管耗材越大，加工成本越高，施工难度增加，需考虑最佳角度范围内的合理值，提出以梯度比（冻土路基核心区1/3 处降温温差/蒸发段斜率）作为综合权衡经济性和降温效果之间的定量指标。

从图5 可知：当坡角α<25°时，随着坡角增大，梯度比下降幅度较大，说明降温温差对梯度比起决定性作用；随着坡角增大，降温效果在增强，经济性降低，但未达到降温效果最大化；当坡角α>25°时，随着坡角增大，梯度比下降幅度变缓，说明蒸发段斜率（经济性）对梯度比起决定性作用，虽然热管降温效果增强，但耗材成本增加，经济性大大降低，未能满足经济性最优化。因此，当热管蒸发段坡角取25°时，既能满足降温效果最佳化，同时也能实现经济性最优化。故将L型热管蒸发段坡角值设置为25°。

2.3 L 型热管弯折角度实验

为验证土层中L 型热管在不同弯折角度下的降温效果，弯折角度β 取100°、120°、140°、160°，根据蒸发段坡角最佳值确定实验中坡角为25°，热管埋深0.7 m，工质为氨，蒸发段长度取1.5 m，冷凝段长度取1 m，管径取24 mm，选用工业纯铝为热管壳体材料，实验周期为7 d。在环境温度-25 ℃下，比较不同弯折角度下的降温效果，如图6 所示。

图6 热管在不同弯折角下的降温效果温度变化曲线Fig.6 Change of lowering temperature of the heat pipe at different bending angles

从图6 可知，在环境温度-25 ℃下：同一埋深下，不同弯折角度下的温度差值范围在0.1 ℃～0.3 ℃。4 种弯折角度的温度变化曲线趋势大致相同；温度变化曲线在第3～5 d 变化较快，4 种弯折角度的温度变化曲线总体相同。这主要是由于在此阶段中，液体工质受温差影响以气体工质上升至冷凝段，气体扩散性和流动性受蒸发段和冷凝段弯折角度影响较小；同时由于在冻土实验室内环境中，温度受风速、土层与环境温度差值较小等影响，会产生一定误差。考虑到L 型热管冷凝段尽量竖直布置，结合蒸发段坡角取25°，故弯折角取120°。

3 暖季实验分析

根据中国气象数据网提供的黑龙江地区气温资料，在1981—2010 年期间，月平均温度0 ℃以上的月份集中在4～9 月之间，最高温度为23.6 ℃，最低温度为0.3 ℃。暖季实验选取部分温度段作为实验温度，调节温度控制箱，保持室内温度稳定，模拟环境温度。

3.1 保温板厚度实验

在土层中插入热管进行实验，EPS 保温板厚度取2、3、5、8 cm。实验前，环境温度设为-30 ℃，对土体进行一周的降温处理。保温板埋于碎石层下10 cm，暖季环境温度实验值设置为15 ℃和30 ℃，实验周期为10 d，对土层温度进行监测，结果如图7 和图8 所示。

图7 保温板厚度实验中15 ℃下土层温度变化曲线Fig.7 Change of soil temperature at 15 ℃in experiment on effect of thick of insulation board

图8 保温板厚度实验中30 ℃下土层温度变化曲线Fig.8 Change of soil temperature at 30 ℃in experiment on effect of thick of insulation board

从图7 和图8 可知，在同一环境温度和同一材质热管埋深下，2 cm 厚度保温板的回温率最大，3 cm 和5 cm 厚度保温板的回温率较为接近，8 cm 厚度保温板的回温率最小。2 cm 厚度保温板土体回温率较3 cm 和5 cm 厚度保温板土体高0.61%～1.30%，较8 cm 厚度保温板土体回温率高1.21%～2.60%；3 cm 和5 cm 厚度保温板较8 cm 厚度保温板土体回温率高0.61%～1.30%。因此，8 cm 厚度保温板的保温效果最优，但厚度较大会导致经济性下降；3 cm 和5 cm 厚度保温板保温效果次之，两者保温效果较为接近，经济性优于8 cm厚度保温板；2 cm 厚度保温板保温效果相对较差。综上分析，结合保温效果和经济性考虑，可采用3 cm厚度保温板进行隔热层设置。

3.2 保温板最佳埋深实验

为验证保温板合理埋深，将EPS 保温板在距上覆碎石层10、20、30 cm 埋深下进行温度场测试，实验前，环境温度设为-10 ℃，对土体进行一周降温处理，环境温度控制范围15 ℃和30 ℃，周期10 d，对土层进行监测，结果如图9 和图10 所示。

从图9 和图10 可知，同一环境温度和同一材质热管埋深下，保温板距上覆碎石层10、20、30 cm 3 种不同埋深下，10 cm 埋深的土层回温率最大，20 cm 埋深的土层回温率次之，30 cm 埋深的土层回温率最小；10 cm 埋深的土层回温率较20 cm 和30 cm 埋深的土层回温率分别高0.02%～0.71%和0.65%～1.71%；20 cm埋深的土层回温率较30 cm 埋深的土层回温率高0.62%～1.62%。因此，保温板距上覆碎石层30 cm 埋深的保温效果相对最优，20 cm 埋深保温效果次之，10 cm埋深保温效果最差，建议将保温板设在垫层30 cm 下，垫层与保温板之间用碎石铺垫。

图9 保温板最佳深埋实验中15 ℃下土层温度变化曲线Fig.9 Change of soil temperature at 15 ℃in experiment on optimal buried depth of insulation board

图10 保温板最佳深埋实验中30 ℃下土层温度变化曲线Fig.10 Change of soil temperature at 30 ℃in experiment on optimal buried depth of insulation board

4 结语

L 型热管+保温板温控技术在多年冻土区机场跑道道基的温控应用中起到了积极作用，为改善多年冻土机场跑道道基热稳定性提供了新的解决方案。通过对工业纯铝、Q235 碳素钢及304 不锈钢3 种不同材质热管的降温效果进行了试验对比，然后采用降温性能较好的工业纯铝L 型热管对蒸发段坡角、热管弯折角、保温板厚度及保温板埋深对道基温控的影响程度进行了试验分析，为该温控技术方案的应用提供了相关技术参数参考。通过试验分析主要得出以下结论。

（1）热管壳体材料分别为工业纯铝、Q235 碳素钢和304 不锈钢时，3 种材料的降温效果不同，工业纯铝的降温速率最快。因此，取工业纯铝材质的壳体材料作为实验热管加工，其优点在于降温效果好、经济性强。

（2）在环境温度-25 ℃下，热管埋放置土层中的蒸发段坡角不同，降温效果也不同。坡角在25°～45°范围内热管的降温效果更好，其中35°～45°和10°～15°范围内热管降温幅度变化不大。不同弯折角度的降温幅度范围变化差异较小，同一埋深下，温度差值范围在0.1 ℃～0.3 ℃。结合经济性和降温有效性，建议坡角取25°，弯折角取120°。

（3）通过对2、3、5、8 cm 共4 种厚度的保温板进行实验，8 cm 厚度保温板的保温效果最优，3 cm 和5 cm厚度保温板保温效果次之，2 cm 厚度保温板保温效果相对较差，结合保温效果和经济性考虑，可采用3 cm厚度保温板进行隔热层设置。

（4）在同一环境温度和同一材质热管埋深下，保温板距上覆碎石层10、20、30 cm 3 种不同埋深回温率相比之下，10 cm 埋深的土层回温率最大，20 cm 埋深的土层回温率次之，30 cm 埋深的土层回温率最小。因此，建议将保温板设在垫层30 cm 下，垫层与保温板之间用碎石铺垫。