CN110714474A - 桩基结构及用其进行快速回冻和自动致冷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩基结构，包括桩基和热交换体，所述热交换体套设在桩基的外部或置于桩基内部，所述热交换体内部具有空腔，所述空腔允许通入流动冷却液以冷却桩基或装入相变材料以影响桩基热能传导。本发明实现桩基周围和周围土壤的快速回冻，在服役期间自动降温，无需人工干预，节约成本。本发明还公开了一种利用桩基结构进行快速回冻和自动致冷的方法，包括：在桩基的混凝土水化达到预期强度后，向所述空腔通入冷却液以进行快速回冻；在桩基周围土壤回冻至预期温度时，在所述空腔内装入水或盐水作为相变材料并封闭空腔。本发明的方法以冷却液作为循环液，以清水和盐水等作为相变材料，工艺简单，成本低，易推广。

Description

桩基结构及用其进行快速回冻和自动致冷的方法

技术领域

本发明涉及冻土工程桩基技术领域，更具体地说，本发明涉及一种桩基结构桩基结构及用其进行快速回冻和自动致冷的方法。

背景技术

多年冻土区年平均地温低于0℃，在地下一定深度形成常年冻结不化的冻土层。我国冻土面积约占国土面积的215万平方公里，主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭、天山和阿尔泰山等地区。在多年冻土区一系列国家重大工程项目都离不开桩基工程，如青藏公路、青藏铁路、青藏输变电线路、东北的哈大高速铁路等。

多年冻土区桥涵大部分都需要桩基特别是钻孔灌注桩支撑。但混凝土浇筑后，水泥水化热所释放的热量易使桩周围冻土吸热温升甚至融化，桩周冻土层所储存的冷能可在桩基浇筑后一定时间内回冻桩基和桩周土，称为多年冻土区桩的回冻现象。桩的回冻时间取决于原始地温、水泥水化热量、桩长等因素，一般回冻时间为30～45天。其间，桩周土未回冻，土的桩基承载力低，不能开展后继桥涵施工。如果在桩基施工后立即降低桩的温度，混凝土水化可能未完成，不利于混凝土强度的形成。所以既要保证混凝土灌注桩的水化强度，又要保证混凝土桩周土在服役过程中保持冻结，是工程建设中函待解决的重要难题之一。对于新浇筑的多年冻土桩基，在混凝土水化达到预期强度后，加快桩周土回冻可缩短后续桥涵施工时间，减少施工过程桩基沉降，具有重要的现实意义。

同时，在服役期间，混凝土桩热吸收率、热储量、热传导率都比桩周土大。在暖季，暴露在空气中的混凝土桩所吸收热量易传给桩周土，导致桩周土温度升高，降低桩身摩阻力和桩端阻力。即使桩周土未融化，桩周土的蠕变变形也将导致桩基沉降随时间增大，危及多年冻土区桥涵的长期稳定性。因此，在服役过程中，降低混凝土桩基温度，可增大桩的承载力，减少桩的沉降量。开发能自动致冷的桩基结构具有重要的现实意义。

若能开发一种桩基降温设备，使之在桩基混凝土水化达到预期强度之后，再对桩基快速有效降温，并且此后桩基服役期间自动降温致冷(无需人干预)，将具有重大的工程意义。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的另一个目的是提供一种能在桩基施工之后的任意时间内加速桩基周围土壤回冻，也能在桩基服役期间自动降温致冷的桩基结构。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，本发明提供一种桩基结构，其中，包括桩基和热交换体，所述热交换体套设在桩基的外部或置于桩基内部，所述热交换体内部具有空腔，所述空腔允许通入流动冷却液以冷却桩基或装入相变材料以改变桩基热能传导。

热交换体直接套设在桩基的外部或置于桩基内部，并通过向热交换体的空腔内通入冷却液实现桩基周围和周围土壤的快速回冻，同时可以在空腔内装入相变材料，利用相变材料低温时固态传冷快，高温时液态传热慢的特性，使得桩基在服役期间自动降温，无需人工干预，节约成本，同时结构简洁，易于推广，解决传统桩基降温结构复杂，成本高和不利推广的技术问题。

优选的是，所述的桩基结构中，所述热交换体为套环结构或筒状结构。套环结构可以直接套设在桩基的外部，筒状结构便于埋设在桩基结构内部。

优选的是，所述的桩基结构中，所述热交换体上设置有入口和出口以通入流动冷却液。循环通入冷却液，冷能通过桩基传递到周围的土壤从而实现土壤的快速回冻。

优选的是，所述的桩基结构中，所述热交换体紧贴地面或埋在地面以下、冻土最大融化深度线之上。

优选的是，所述的桩基结构中，至少在所述桩基外部冻土层以上的部分设置保温材料层包裹；且当热交换体套设在桩基外部时，热交换体的外部也设置保温材料层包裹。这样可以减少冷却液的冷能损失。

优选的是，所述的桩基结构中，所述热交换体为高导热性材料制得。

优选的是，所述的桩基结构中，所述相变材料为清水或是盐水。清水和盐水均具有低温时固态传冷快，高温时液态传热慢的特性，因此能够实现桩基在服役期间自动降温功能，同时清水和盐水成本低，易于推广使用。

一种利用桩基结构进行快速回冻和自动致冷的方法，其中，包括：

在桩基的混凝土水化达到预期强度后，向所述空腔通入冷却液以进行快速回冻；

在桩基周围土壤回冻至预期温度时，在所述空腔内装入水或盐水作为相变材料并封闭空腔。

优选的是，所述的利用桩基结构进行快速回冻和自动致冷的方法中，向所述空腔通入冷却液以进行快速回冻时，使用保温材料包裹冻土层以上桩基的表面；

在桩基周围土壤回冻至预期温度时，将包裹在桩基表面的保温材料移除。

如果是桩基是旧混凝土桩，套环只能紧套在桩身。套环的最优位置是尽可能接近地面且在冻土活动层之上。

对于新浇筑桩，当混凝土桩水化到预期的强度，通过在空腔套环内循环低温冷却液可以加快桩周土回冻；对于已经服役的旧桩，可以通过低温冷却液循环降低桩基和桩周土的温度。在空腔套环内注入相变体积稳定的固液相变材料，冷季相变材料从液态变固态，固体导热系数高，可增大桩基和桩周土冷能摄入量；暖季相变材料从固态变液态，液态导热系数低，减少桩基和桩周土热能摄入量，有利于致冷桩基和桩周土。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的桩基结构热交换体直接套设在桩基的外部或置于桩基内部，并通过向热交换体的空腔内流通冷却液实现桩基周围和周围土壤的快速回冻，同时可以在空腔内装入相变材料，利用相变材料低温时固态传冷快，高温时液态传热慢的特性，使得装有相变材料的热交换体具有热二极管特征，在服役期间自动降温，无需人工干预，节约成本，同时结构简洁，易于推广，解决传统桩基结构复杂，成本高和不利推广的技术问题。

本发明的利用桩基结构进行快速回冻和自动致冷的方法以冷却液作为循环液，以清水和盐水等作为相变材料，工艺简单，成本低，易推广。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的桩基结构的第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明所述的桩基结构的第二种实施方式的结构示意图；

图3为本发明所述的桩基结构通入冷却液进行快速回冻的传冷示意图；

图4为本发明所述的桩基结构冷季的传冷示意图；

图5为本发明所述的桩基结构暖季的传热示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明的工作原理：

热交换体本身是高导热材料。带有热交换体的桩基可同时实现两种功能

(1)需要快速回冻桩基时，可在热交换体内循环低温冷却液，冷量自套环向下传递给桩基和桩周土，冻土层以上的桩体以及套环外部应裹有保温材料，减少的冷量损失。

具体方法为：在桩基混凝土水化达到预期强度，打开热交换体的入口和热交换体的出口，将低温冷却液(-5～-10℃)从入口注入，从出口流出，并形成循环。冷却液可以是盐水或是其它商用冷却液，且对套环没有腐蚀性。热交换体将冷却液的所携带的冷能传给桩基，再通过桩基传到桩周土。由于混凝土特别是加筋混凝土的传热比土大约一倍，有利于冷能从桩传入深层土层，可实现桩周土快速回冻。热交换体外部和在冻土层以上的桩体都应裹有保温材料，减少冷却液的冷能损失。

(2)需要在服役期间自动降低桩基和桩周土的温度，可在热交换体装相变体积相对稳定的固液相变材料，其中固态、液态两种状态中的大体积应该正好填充满整个热交换体。热交换体入口和出口可随时封闭，防止相变材料蒸发流失或是渗漏。相变材料的相变温度可依具体情况调整，可为清水，也可为带有一定盐分的盐水，适当降低材料的相变温度，优化盐水。

具体方法为：当桩周土的回冻达到预期效果后，热交换体内部装入有体积相变稳定的相变材料，例如有一定盐分的盐水。之后封闭热交换体的入口和出口。当热交换体的外部温度低于热交换体内部相变材料的相变温度，热交换体内部相变材料由液体变固体，固体传热比液体快，所以热交换体可将外部冷能快速传入地下，冷却桩基和桩基周土。当热交换体外部温度高于相变材料的相变温度，热交换体内部相变材料为液态，液体热传导率比固体低，传热速度慢。热交换体向桩内传冷比传热快，因此套有热交换体的桩基能自动降温。

实施例1

如图1所示，一种桩基结构，其中，包括桩基1和热交换体3，所述热交换体3套设在桩基1的外部，所述热交换体3内部具有空腔，所述空腔允许通入流动冷却液以冷却桩基或装入相变材料以改变桩基热能传导。

桩基1可以是普通的混凝土桩基，桩基1内部通常设置有钢筋2，热交换体1套设在桩基1的外部时，热交换体3与桩基1紧密接触以提高热传导效率；向热交换体3的空腔内通入冷却液时，热能通过桩基1传递到周围土壤中实现周围土壤的快速回冻；向热交换体3的空腔内装入清水或盐水等相变材料后，相变材料具有低温时固态传冷快，高温时液态传热慢的特性，使得桩基1在冷季时快速将冷能传递到冻土层中，暖季时阻挡外部热能传递到冻土层中。

进一步，所述热交换体3为套环结构。套环结构可以直接套设在桩基1的外部且与桩基1紧密接触。

进一步，所述热交换体3上设置有入口4和出口5以通入流动冷却液。循环通入冷却液，冷能通过桩基传递到周围的土壤从而实现土壤的快速回冻。入口4和出口5可以随时封闭，以防止空腔内的相变材料蒸发流失或是渗漏。

进一步，所述热交换体3紧贴地面或埋在地面以下、冻土最大融化深度线之上。

进一步，至少在所述桩基1外部冻土层以上的部分设置保温材料层6包裹；且当热交换体3套设在桩基1外部时，热交换体3的外部也设置保温材料层6包裹，这样可以减少冷却液的冷能损失。

进一步，所述热交换体3为高导热性材料制得，优选为铁或铝。

进一步，所述相变材料为清水或是盐水。清水和盐水均具有低温时固态传冷快，高温时液态传热慢的特性，因此能够实现桩基在服役期间自动降温功能，同时清水和盐水成本低，易于推广使用。

实施例2

如图2所示，一种桩基机构，该实施例和实施例1不同的是，热交换体3为筒状结构，并设置在桩基1的内部。

实施例3

一种利用桩基机构进行快速回冻和自动致冷的方法，如图3～5所示，冻土地层包括：冻土活动层7和冻土层8。

如图3所示，当桩基中的混凝土水化到预期的强度后，利用泵送将低温冷却液(-5～-10℃)在热交换体内部，此时热交换体的空腔内充满冷却液9，在热交换体的外部和在冻土层以上的桩基表面裹上保温材料，使冷能主要沿着桩基向下传输，从而降低桩和桩周土的温度。

待桩基和桩基周土的温度都降低到预期温度，移除热交换体的外部和热交换体的上部桩基表面的保温材料，将热交换体内的冷却液换成相变体积稳定的相变材料。通过计算使得相变材料装入量冻胀时正好充满整个热交换体。

如图4所示，冷季热交换体内部的相变材料冻结形成固体10，外部的冷能可快速的通过热交换体传入桩内部，进而传入桩底部。

如图5所示，暖季热交换体内部相变材料融化形成液体11，液体导热系数低于固体数倍；以清水为例，水的导热系数约为0.50W/(m²K)，冰的导热系数约为2.2W/(m²K)，热交换体内部的液体11阻止外部热量快速导入桩基内部。

由于冷季冷量摄入多，热季热量摄入少，带有热交换体的桩基在服役期间具有热二极管效应，可以自动降温(无需要人干预)，从而提高桩周土与桩的冻结力，提高桩端承载力和桩周摩阻力，保持桩的承载力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但以上所述仅为本发明的一个实施例，其中桩基为现浇加筋混凝土桩，其它条件例如钢板桩、预制筋混凝土桩等桩基，都可带上空腔套环。通过在空腔套环内泵送低温冷却液循环，短期内将桩及桩周土降温；通过在空腔套环内部装载相变体积稳定的固液相变材料，在桩的服役期实现桩基和桩周土自动降温。凡是利用空腔套环，实现桩基快速回冻的功能；凡是利用装有相变材料裹附桩体，实现桩基长期自动致冷功能；或是同时实现两种功能；都是本发明说明书及附图内容所作的等效结构、等效流程变换、适当删减或增加或直接或间接运用，均应当包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种桩基结构，其特征在于，包括桩基和热交换体，所述热交换体套设在桩基的外部或置于桩基内部，所述热交换体内部具有空腔，所述空腔允许通入流动冷却液以冷却桩基或装入相变材料以改变桩基热能传导。

2.如权利要求1所述的桩基结构，其特征在于，所述热交换体为套环结构或筒状结构。

3.如权利要求2所述的桩基结构，其特征在于，所述热交换体上设置有入口和出口以通入流动冷却液。

4.如权利要求1所述的桩基结构，其特征在于，所述热交换体紧贴地面或埋在地面以下、冻土最大融化深度线之上。

5.如权利要求1所述的桩基结构，其特征在于，至少在所述桩基外部冻土层以上的部分设置保温材料层包裹；且当热交换体套设在桩基外部时，热交换体的外部也设置保温材料层包裹。

6.如权利要求1所述的桩基结构，其特征在于，所述热交换体为高导热性材料制得。

7.如权利要求1所述的桩基结构，其特征在于，所述相变材料为清水或是盐水。

8.一种利用权利要求1～7任一所述桩基结构进行快速回冻和自动致冷的方法，其特征在于，包括：

在桩基的混凝土水化达到预期强度后，向所述空腔通入冷却液以进行快速回冻；

在桩基周围土壤回冻至预期温度时，在所述空腔内装入水或盐水作为相变材料并封闭空腔。

9.如权利要求8所述的利用桩基结构进行快速回冻和自动致冷的方法，其特征在于，向所述空腔通入冷却液以进行快速回冻时，使用保温材料包裹冻土层以上桩基的表面；

在桩基周围土壤回冻至预期温度时，将包裹在桩基表面的保温材料移除。

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