《Cold Regions Science and Technology》：Laboratory study on a new enhancing method for an in-service crushed-rock embankment underlain by permafrost
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提高冻土地区碎岩层路堤冷却性能的非开挖强化方法研究，通过实验室模型测试验证热虹吸管可有效增强自然对流，使最大孔隙风速提升42%，主动对流时长延长19.2%，地热释放量增加96.5%。
郝彦波|董圆红|白淼淼|纪彦军|张佳凡|张慧梅|金龙|陈东根|万旭生|严中瑞|卢建国|陈攀
CCCC第一公路咨询有限公司，中国西安710065
摘要
在永久冻土地区，碎石层路堤（CRLE）被广泛用于道路/铁路建设，通过自然对流热传递来保持路基的稳定性。然而，由于沙子填充、岩石风化和气候变暖，其冷却能力会随时间下降，因此需要以非挖掘的方式增强在役CRLE的对流过程。本研究提出了一种新的非挖掘加固方法，即在路堤上部插入热虹吸管，并通过实验室模型测试来研究其增强机制。在相同的测试条件下，对传统的CRLE和热虹吸管加固的CRLE进行了四个冻融循环的对比实验。根据监测的温度、空气速度和热流数据，得到以下关键发现：热虹吸管实现了每循环90.79 W/m2的峰值热排流量和27.53 MJ/m2的净热排量；它将碎石层（CRL）表面的温度降低了7.29°C，从而增加了CRL两侧的温差，增强了自然对流驱动力，使最大多孔空气速度提高了42%，自然对流活跃时间延长了19.2%。此外，热虹吸管不仅增强了CRL的冷却效果，还将冷却区域扩展到了路堤的中心部分，使寒冷期间从下层土壤释放的热量平均增加了96.5%。结果验证了插入热虹吸管是一种有效的非挖掘技术，可以主动提升在役CRLE的冷却性能，为确保建在永久冻土上的交通基础设施的长期稳定性提供了快速且低影响的解决方案。
引言
永久冻土是指连续两年或更长时间内温度保持在0°C或以下的地面（土壤或岩石），覆盖了北半球约21%的裸露土地面积（Obu等人，2019年）。许多高速公路和道路都建在这些敏感地区，包括中国的青藏公路（Wang等人，2020年）和贡河-玉树高速公路（Dong等人，2020年）、加拿大的邓普斯特公路（Madeleine等人，2024年）以及美国的阿拉斯加公路（Samuel等人，2022年）。永久冻土的热学和力学性质对温度非常敏感；即使是很小的温度波动也会导致热学和力学参数的显著变化（Yu等人，2016年；Richard等人，2011年；Zhou等人，2025年）。同时，道路路堤的建设改变了自然的地-气热交换模式（Liu等人，2013年；Wu等人，2021年）。此外，沥青路面会强烈吸收太阳辐射并积聚热量，导致表面温度高于自然地面（Wu等人，2010年；Quan等人，2017年）。在极端情况下，自然地面与路面中心的温差高达19.66°C（Bao等人，2023年）。这种过量的热量吸收会导致永久冻土大量融化，并可能引起显著的融化沉降（Wang等人，2019年；Wang等人，2020年；Zhang等人，2025年）。
因此，减轻永久冻土融化引起的沉降已成为确保建在永久冻土上的道路路堤稳定性的主要挑战。一种有效的策略是使用冷却技术从地面提取热量，从而将永久冻土保持在较低的温度和稳定状态。在这些技术中，碎石层路堤（CRLE）是永久冻土地区最广泛采用的措施之一。作为一种特殊结构的路堤，CRLE在其下部包含一层碎石层（CRL）（图1）。它通过岩石层内的多孔空气的自然对流来冷却下层的永久冻土，这种对流由底部较暖和顶部较冷的温差驱动（Goering，2003年；Zhang等人，2010年）。由于其高冷却效率、能源独立性和环保性，CRLE已被广泛应用于永久冻土地区的主要道路和铁路项目中，如中国的青藏铁路（Tai等人，2020a）和贡河-玉树高速公路（Dong等人，2020年），以及北美的阿拉斯加公路（Kong等人，2021年）。
大量的观测研究证实了CRLE在铁路（Tai等人，2020b；Xu等人，2024年）和公路应用（Doré等人，2016年）中的冷却效果。Wang等人（2023年）利用4年的现场监测数据评估了贡河-玉树高速公路上CRLE的现场性能。他们的发现表明，改进的CRLE设计（包括通风板）有效降低了地面温度并提升了永久冻土层。同样，Wu等人（2020年）分析了青藏铁路CRLE十年的温度数据，报告称虽然整体表现良好，但在某些路段永久冻土温度有所上升。他们强调需要采取加固措施以适应未来50年内预计的1.5°C的气候变暖率。
然而，CRLE的长期冷却能力可能会受到多种因素的影响，包括沙子填充（Han等人，2023年）、岩石风化（Yang等人，2025年）和气候变暖（Mei等人，2021年）。这种热性能的下降会加速永久冻土的融化，导致工程问题，如融化沉降（Yang等人，2025年）。因此，增强在役CRLE的冷却能力对于维持永久冻土地区的道路稳定性至关重要。虽然添加通风管道或板已被证明可以增强对流冷却效果（Dong等人，2010年；Wang等人，2023年），但这些方法通常需要部分挖掘路堤，导致交通中断时间延长和显著的热扰动。为了克服这些限制，本研究提出了一种新的非挖掘方法：通过插入热虹吸管来增强在役CRLE。本研究通过实验室模型测试研究了其增强机制并量化了冷却效果。最终目标是提供一种快速、低影响的加固技术，以确保建在永久冻土上的交通基础设施的长期稳定性。
设备
实验室模型测试是在中国西南石油大学使用专门的测试系统进行的。系统由三个主要部分组成：测试室、温度控制系统和数据采集系统。测试室的尺寸为4.47米（长度）× 3.00米（宽度）× 2.50米（高度）。其内部空气温度可以在-45°C到30°C的范围内控制，精度为±0.5°C。所有室壁都
热虹吸管的冷却性能
热虹吸管是一种高效的热传递装置，基于其工作介质的蒸发-冷凝循环。当其蒸发部分（埋在土壤中）的温度超过冷凝部分（暴露在空气中）的温度时，它会自动运行而无需外部能量输入。由于这种机制，它已被广泛用于稳定道路和铁路下的永久冻土，通过有效去除地面热量（Song等人，
讨论
为了减轻建在永久冻土上的公路路堤的热不稳定，已经开发了一系列冷却措施，包括单独的技术如热虹吸管、碎石层和通风管道，以及复合结构如热虹吸管-碎石护坡和通风管道/保温板-碎石层。这些方法已在青藏公路和贡河-玉树高速公路等重大项目中得到应用
结论
本研究提出并研究了一种增强在役CRLE在永久冻土上冷却性能的新方法。实验室模型测试揭示了其增强机制并证实了其有效性。主要发现总结如下：
- 1.
热虹吸管表现出有效的冷却性能，实现了每循环90.79 W/m2的峰值热排流量和27.53 MJ/m2的净热损失。
- 2.
热虹吸管显著降低了CRL顶部的温度，
作者贡献声明
郝彦波：可视化，数据整理。董圆红：撰写——初稿，方法论，调查，概念化。白淼淼：数据整理。纪彦军：资源提供。张佳凡：撰写——审稿与编辑，资源提供。张慧梅：撰写——审稿与编辑，资源提供。金龙：撰写——审稿与编辑，监督。陈东根：资源提供。万旭生：数据整理。严中瑞：方法论。卢建国：数据整理。陈攀：数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
我们声明我们与其他个人或组织没有可能不当影响我们工作的财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益会对本文所述观点产生影响
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42071083和42271490）、陕西省基础自然科学研究计划（2025SYS-SYSZD-115、2025JC-JCQN-014和2025SYS-SYSZD-05）、CCCC科学技术研究计划（2023-ZJKJ-PTJS01和2024-ZJKJ-14）以及陕西省教育厅青年创新团队研究计划项目（21JP137）的支持。
