7.5 热棒、热桩基础
7.5.1 当采用其他技术不能保证地基、基础的稳定时，可采用热棒，热桩基础。
7.5.2 热棒、热桩基础，适用于各种多年冻土地基。
▼ 展开条文说明
7.5.1、7.5.2热棒、热桩是一种无芯重力式热管。热桩、热棒，在寒季，能将地基中的热量吸出，释放于大气中，故热桩、热棒又称热虹吸。能承受上部荷载的热虹吸，称为热桩；不能承受上部荷载的热虹吸，称为热棒。热虹吸是一种无需外加动力的液汽两相对流循环热传输装置。它由一根密封的主管和冷凝器组成，里面充以工质，管的上部为冷凝器(散热器)，下部为蒸发器(图9)。当冷凝器与蒸发器之间存在温差(冷凝器温度低于蒸发器温度)时，蒸发器中的液体工质吸收热量蒸发，形成气体工质，在压差作用下，蒸汽沿内部空腔上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力作用下，液体工质沿管壁流回蒸发器再蒸发。如此往复循环，将地基中的热量带出。只要冷凝器和蒸发器之间存在着温差(据美国阿拉斯加北极基础有限公司资料，在冷凝器和蒸发器之间存在0.06℃温差时，热棒中的液、汽两相循环便被启动)，这种循环便可持续进行下去。
热虹吸中的热传输是利用潜热进行的，所以，其传热效率很高。据美国麦克唐纳道格拉斯宇航公司的资料：如果设计得当，热棒的传热效率可以达到150000kcal/(m·h·℃)以上。这一传热效率较之用导热和惯用的液体对流传热所能得到的效率要高得多。热虹吸视导热系数与其他传热物体导热系数的比较见表18。
由于热虹吸中没有毛细管芯，管中液体工质不能上升至冷凝段。埋于多年冻土中的热虹吸，在寒季，气温低于地温时，热虹吸启动工作，将地中热量送入大气中；在暖季，气温高于地温时，热虹吸停止工作。从而，热虹吸在暖季不会将热量传入多年冻土地基中。
热虹吸的冷冻作用，可有效防止地基多年冻土的衰退和融化，降低地基多年冻土的温度，提高多年冻土地基的稳定性。据铁道部科学研究院西北分院在青藏铁路多年冻土区的试验：采用热虹吸的多年冻土地基，暖季地基多年冻土的最高地温，较之非热虹吸地基要低0.4℃～0.8℃。这种降温效应，可使地基多年冻土的承载力大为提高，并可长期保证建筑物地基运营中的设计温度状态。因此，在热虹吸地基的热工计算中，应计入热虹吸的降温效应。
7.5.3 常用的热桩、热棒基础可分为：1 空心桩-热棒架空通风基础；2 填土热棒圈梁基础；3 钢管热桩架空通风基础。
7.5.4 采用空心桩-热棒架空通风基础时，单根桩基础所需热棒的规格和数量，应根据建筑地段的气温冻结指数、地基多年冻土的热稳定性以及桩基的承载能力，通过热工计算确定。
7.5.5 空心桩可采用钢筋混凝土桩或钢管桩。桩的直径和桩长，应根据荷载以及热棒对地基多年冻土的降温效应，经热工计算和承载力计算确定。
7.5.6 采用钢管热桩架空通风基础时，钢管热桩的直径和蒸发段埋深，应根据荷载以及热桩对地基多年冻土的降温效应，经热工计算和承载力计算确定。
7.5.7 空心桩-热棒基础和钢管热桩基础的架空高度，应符合本规范第7.2节的有关规定。
7.5.8 采用填土热棒圈梁基础时，应根据房屋平面尺寸、室内平均温度、地坪热阻和地基允许流入热量选择热棒的直径和长度，设计热棒的形状，并按本规范附录J的规定，确定热棒的合理间距。
7.5.9 填土热棒圈梁基础的填土厚度，应根据地坪渗热量、热棒输冷能力、多年冻土地基允许流入热量和地基活动层热阻，通过热工计算确定，热工计算宜采用实测的热物理参数，无实测资料可按本规范附录K的规定取值。
▼ 展开条文说明
7.5.3～7.5.9用于土木工程的热虹吸制冷技术，是20世纪60年代发明的。热虹吸在寒区地基、基础工程中的应用，解决了地基多年冻土衰退，融化和基础冻胀、融沉等热力过程中的许多工程问题，保障了多年冻土地基的稳定。在管线工程、桥涵、道路路基、机场跑道，通信输电线塔以及港口工程中，热虹吸都被用来冷却地基，防止地基多年冻土上限下降和活动层土的冻胀和融沉，提高冻土地基的承载力，保证多年冻土地基的稳定。热虹吸技术在世界多年冻土国家中，得到了广泛的应用。
在下列情况下，采用热虹吸制冷技术，通常可使寒区地基、基础工程中遇到的热工问题得到圆满解决：
1)由于热干扰，采用习惯方法不能防止地基多年冻土衰退时；
2)需降低地基多年冻土温度，防止多年冻土退化，提高地基多年冻土的允许承载力时；
3)用隔热层来减小融化深度，无法实现和有不利影响时；
4)需重新冻结已融化的地基多年冻土，或需在地基中形成新的多年冻土时；
5)需防止浅基础冻胀时。
多年冻土地区建筑地基、基础工程中，常用的热虹吸基础有：
1空心桩-热棒架空通风基础；2填土热棒圈粱基础；3钢管热桩架空通风基础。
空心桩-热棒架空通风基础，是在基础空心桩中插入热棒，通过热棒制冷，降低桩周多年冻土的温度，提高多年冻土地基稳定性和桩基承载能力的一种基础形式。热棒安装好后，空心桩可用湿砂回填，也可不回填。
基础空心桩可采用钢筋混凝土桩或钢管桩。桩的大小和埋深以及单桩所需热棒的数量，应通过热工计算和承载力计算确定。
填土热棒圈梁基础，是将热棒埋置于填土层中，用以拦截房屋地坪的渗、漏热，防止地基多年冻土融化的一种基础形式。它由圈梁、热棒和填土组成。暖季，用地坪和填土层的热阻.来保证地基的融化深度维持在设计深度(填土层中或原活动层中)；寒季，热棒将地坪渗热和地基中的热量带出，使融化的填土和地基土冻结，并使地基中多年冻土得到冷却，从而保持多年冻土地基的稳定。
钢管热桩架空通风基础，是将基础钢管桩加工成热桩，通过热桩的制冷，降低桩周多年冻土温度，提高多年冻土地基稳定性的一种基础形式。钢管热桩的直径和埋深，应通过热工计算和承载力计算确定。多年冻土中的桩-地基系统是一个热力学系统，系统的稳定取决于地基多年冻土的热学稳定。热桩具有制冷与承载两重特性。制冷可使地基多年冻土降温，提高桩-土间的冻结强度，提高地基多年冻土的稳定性；寒季热桩的冷冻作用，可使暖季桩周冻土的最高温度降低。因此，热桩具有较高的承载能力和力学稳定性。不论从热学，还是从力学角度看，热桩架空通风基础(钢管热桩架空通风基础和空心桩-热棒架空通风基础)，都是多年冻土中最合理的基础形式。
热桩架空通风基础(钢管热桩架空通风基础和空心桩-热棒架空通风基础)，适应各种类型多年冻土地基，特别是高温多年冻土地基。热桩架空通风基础是多年冻土区最有发展前途的基础形式。
7.5.10 热桩、热棒的产冷量与建筑地点的气温冻结指数，热桩、热棒直径，热桩、热棒埋深和间距等有关，可根据本规范附录J的规定，通过热工计算确定。
▼ 展开条文说明
7.5.10热虹吸的产冷量，随气温冻结指数、热虹吸直径、热虹吸蒸化段长度的增加而增大；随热虹吸间距的减小而减少。间距对热虹吸产冷量的影响如图10所示。
从图10可以看出，热虹吸的传热量随间距的减小而减小。间距从1m增加到5m时，热虹吸传热量迅速增加。而后，间距再增加，其传热量变化甚微。故间距大于5m时，间距对热虹吸传热量的影响可以忽略。设计时，应根据热工计算确定热虹吸的合理间距。
7.5.11 热桩、热棒基础应与地坪隔热层配合使用。隔热层的厚度和设置位置应按结构要求，通过热工计算确定。
▼ 展开条文说明
7.5.11热虹吸基础应与地坪隔热层配合使用的要求，是基于技术上和使用上的以下要求：
1热虹吸在暖季不能工作，热虹吸地基的控制融化深度，主要靠地基活动层热阻来保证。因此，应加强地坪隔热，增加活动层热阻，确保地基融化深度在设计值；
2地坪隔热可减少房屋热损失，是节约能源政策的要求；
3贯彻“以人为本”，提高房屋居住的舒适度。
7.5.12 热桩、热棒基础可不进行抗冻胀稳定验算，但应进行在切向冻胀力作用下桩身的受拉承载力验算。
▼ 展开条文说明
7.5.12热桩和热棒-空心桩运行时，使桩的埋入段(蒸发段)在纵向形成一个均匀的温度场，桩周土体产生径向冻结。活动层土体，在径向和轴向冻结同时作用下，在桩周逐渐形成一个锚固大头，如图11所示。这一锚固大头大大提高了桩的锚固力。另一方面，活动层的双向冻结，使作用于桩的切向冻胀力减小。两者的共同作用，使热桩可有效抵抗活动层冻结过程的冻拔。
热桩抗冻胀稳定性高的另一原因是：当地基活动层开始冻结时，桩周多年冻土温度亦开始降低，这种温度的降低可使桩的冻结强度大大增加，从而有效地增加了热桩的抗拔力。因此，在条文中规定，采用了热虹吸的桩基础可不进行抗冻胀稳定验算。
7.5.13 热桩、热棒地基基础系统的效率折减系数为0.65。
▼ 展开条文说明
7.5.13热虹吸地基-基础系统效率折减系数的规定，是基于以下理由：
热虹吸的工作是靠冷凝与蒸发段之间的温差驱动的。埋于地基中的热虹吸启动后，随着传热的进行，蒸发段温度迅速降低。从而，在蒸发段周围地基中逐渐形成一温降漏斗，热虹吸的传热量逐渐趋于稳定。
热虹吸的热传输循环，只在冷凝段温度低于蒸发段温度时，才能进行。指定热虹吸的功率，取决于蒸发段与冷凝段之间的温差。温差大，热虹吸中热通量大，功率大；温差小，热通量小，则功率小。
在热虹吸的产冷量计算中，蒸发段、冷凝段的温度，取的是计算期的平均值。即计算期蒸发段、冷凝段间温差取的固定值。但热虹吸的运行工况并非如此，在热虹吸运行过程中，蒸发段、冷凝段间温差是变化的。实际的运行工况是：假定冷凝段温度取固定值(计算期平均气温)，随着热虹吸的冷冻，蒸发段的温度逐渐降低，蒸发段、冷凝段间温差逐渐减小，热虹吸功率逐渐下降。最后，热虹吸-地基热传输系统达到热动态平衡，冷凝段、蒸发段间温差达稳定值。据铁道部科学研究院西北分院研究资料，热虹吸-地基热传输系统达到热动态平衡时，蒸发段温度较冷凝段温度约低4℃。例如，假定冬季的平均气温为-10℃，则蒸发段的稳定温度约为一6℃。蒸发段的稳定温度约为-6℃时，这时，热棒地基的传热影响范围不再扩大，地基温度不再降低，即热虹吸的工作对于地基降温和储冷来说，是无效的。而在计算热虹吸传热冷却地基时，是按整个冻结期热虹吸的工作都是有效的。因此，热虹吸的实际传热量要比计算值要小。在热虹吸的实际运行中，冷凝段与蒸发段的温度都将随气温的变化而变化，在计算冻结半径和传热量时，气象台站提供的冻结指数肯定有一部分是不能利用的。不能利用的这一部分指数究竟占多少目前还无法肯定，估计约占30％。据美国阿拉斯加北极基础有限公司的资料，热虹吸系统设计的效率折减系数采用2，我们在这里规定不得小于0.65，主要考虑的就是不能利用的这部分冻结指数。
