CN105040744B - 一种高原冻土条件下地基的保温装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高原冻土条件下地基的保温装置，包括金属管道、温度控制系统和电源，金属管道铺设在冻土地基中，温度控制系统包括第一冷却泵、第一节流阀、第二冷却泵、第二节流阀、蒸发器、冷凝器、压缩机、单向节流阀和冷却塔，金属管道的一端与蒸发器的一次侧进口相连，蒸发器的一次侧出口与金属管道的另一端相连，蒸发器的二次侧出口经压缩机后与冷凝器的一次侧进口相连，冷凝器的一次侧出口与蒸发器的二次侧进口相连，冷凝器的二次侧进口与冷却塔的出口相连，冷凝器的二次侧出口与冷却塔的进口相连。本发明利用主动降温的原理，提高了冻土地基的稳定性与可靠性。本发明还公开了一种高原冻土条件下地基保温装置的施工方法。

Description

一种高原冻土条件下地基的保温装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及工程建筑领域，特别涉及一种高原冻土条件下地基的保温装置及其施工方法。

背景技术

冻土是一种温度敏感性土体，在冻土区工程建设中不可避免的会遇到土层处于冻结、半冻结、正在冻结、正在融化或已经融化等各种状态，因此在冻土地区的地基建设也更加具有复杂性和可变性。高原冻土地基的施工方法，当前主要有架空通风基础、铺设隔热层、颗粒土垫高地基等几种形式，但该几种类型的施工方式其隔热性、防潮性能较差，施工条件具有一定的局限性，地基稳定性不佳，一般不适合于采暖建筑物。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作稳定可靠的高原冻土条件下地基的保温装置，并提供一种施工方便、成本低的高原冻土条件下地基保温装置的施工方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种高原冻土条件下地基的保温装置，包括金属管道、温度控制系统和电源，所述金属管道铺设在冻土地基中，所述温度控制系统包括第一冷却泵、第一节流阀、第二冷却泵、第二节流阀、蒸发器、冷凝器、压缩机、单向节流阀和冷却塔，所述金属管道的一端依次经第一冷却泵、第一节流阀后与蒸发器的一次侧进口相连，蒸发器的一次侧出口与金属管道的另一端相连，所述蒸发器的二次侧出口经压缩机后与冷凝器的一次侧进口相连，冷凝器的一次侧出口经单向节流阀后与蒸发器的二次侧进口相连，所述冷凝器的二次侧进口与冷却塔的出口相连，冷凝器的二次侧出口依次经第二冷却泵、第二节流阀后与冷却塔的进口相连，所述电源为整个保温装置供电。

上述高原冻土条件下地基的保温装置中，所述金属管道在冻土地基中铺设的形状为S形。

一种高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，包括以下步骤：

1)收集高原冻土地区的气象资料，结合工程地质勘察资料，查明冻土的基本热物理参数、多年冻土类型、上限深度、地温年平均变化深度和年平均地温；

2)根据步骤1)查明的数据确定金属管道的材质、埋设位置及埋设深度、平面布置形式及范围；

3)开挖地基，施工放样，清理并平整场地；

4)根据步骤2)确定的埋设位置及埋设深度、平面布置形式及布置范围在地基中铺设金属管道；

5)在地基施工场安装温度控制系统和电源，将温度控制系统与金属管道连接。

上述高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，所述步骤2)中，金属管道材质为铝合金，金属管道的平面布置形式按照S形迂回布置，金属管道的铺设范围为布满整个地基平面。

上述高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，所述步骤2)中，金属管道的首层铺设在地基的最底层，相邻两层管道之间的铺设距离的计算公式如下：

其中：R表示相邻两层管道之间的铺设距离，λ表示管道周围土体的导热系数；T表示管道的温度波动周期；C表示管道周围冻土的平均热容量；A₀表示计算器管道的温度差；A₁表示计算器管道的传热影响范围边界处的温度差。

上述高原冻土条件下地基保温装置的施工方法中，所述步骤4)的具体步骤为，先将金属管道的首层铺设在地基的最底层，铺设完毕后用土回填，然后按照S形迂回方式依次向上铺设，铺设完一层后用土回填，直至金属管道布满整个地基平面。

上述高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，所述步骤2)中还包括金属管道规格型号的确定。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的保温装置设有温度控制系统，通过金属管道中循环水温度的调节来维持冻土地基的恒温，加快地基冻土的回冻时间，使冻土的回冻时间由原来至少需要的4～6个冻融循环期缩短到1～2个冻/融循环期，此外，本装置利用管道的超前工作性能，提早降低冻土的温度以提高冻土强度，进而在地基结构周围形成冻土抵抗层，有效地降低了冻结层上水的冻结压力给地基周边防排水措施及支护结构产生的威胁，解决了高原冻土地基由于温度变化引起地基冻融循环造成基础稳定性不良的问题。

2、本保温装置实施后，可以改变地基冻土回冻时产生的冻胀力方向，有利于地基周围支护结构的安全。

3、本发明的保温装置采取管道散热技术，热传输效率及灵敏度高，可快速消除施工对地基冻土产生的热干扰，维持地基冻土的稳定。

4、本发明的施工方法具有无噪音、环保性好、使用寿命长的特点，与现有技术相比，工程费用少且一次投入后可以长期使用，设备安全性能高，安装维护简便。

附图说明

图1为本发明保温装置的结构示意图。

图2为图1中温度控制系统的结构示意图。

图3为图1中金属管道的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的保温装置包括金属管道1、温度控制系统2和电源3，所述金属管道1铺设在冻土地基4中，金属管道1在冻土地基4中铺设的形状为S形。

所述电源3为整个保温装置供电，电源3采用电能和太阳能两种形式。当户外日照充足时，采用太阳能蓄电池进行装置的供电，当户外太阳能不足时，则启动电能来对装置进行供电。

如图2所示，所述温度控制系统2包括第一冷却泵5、第一节流阀6、第二冷却泵7、第二节流阀8、蒸发器9、冷凝器10、压缩机11、单向节流阀12和冷却塔13，所述金属管道1的一端依次经第一冷却泵5、第一节流阀6后与蒸发器9的一次侧进口相连，蒸发器9的一次侧出口与金属管道1的另一端相连，所述蒸发器9的二次侧出口经压缩机11后与冷凝器10的一次侧进口相连，冷凝器10的一次侧出口经单向节流阀12后与蒸发器9的二次侧进口相连，所述冷凝器10的二次侧进口与冷却塔13的出口相连，冷凝器10的二次侧出口依次经第二冷却泵7、第二节流阀8后与冷却塔13的进口相连。

保温装置的工作原理如下：压缩机11吸入从蒸发器9出来的较低压力的蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器10，在冷凝器10中冷凝成压力较高的液体，蒸汽液化时发热，冷却塔13中的循环水用于对冷凝器10进行降温，通过第二冷却泵7、第二节流阀8控制循环水的流量；冷凝器10中冷凝后的液体经单向节流阀12节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器9，在蒸发器9中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，完成制冷循环，蒸发器9中吸收的热量来自金属管道1中的循环水，通过金属管道1中循环水温度的调节来维持冻土地基4的恒温。

一种高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，包括以下步骤：

1)收集高原冻土地区的气象资料，结合工程地质勘察资料，查明冻土的基本热物理参数、多年冻土类型、上限深度、地温年平均变化深度和年平均地温。

2)根据步骤1,确定冻土类型可分为：多年冻土、季节冻土、瞬时冻土三种。且另外查明高原气候总体特点：辐射强烈，日照多，气温低，积温少，气温随高度和纬度的升高而降低。据推算，海拔高度每上升100米，年均温降低0.57℃，纬度每升高1度，年均温降低0.63℃，日较差大；干湿分明，多夜雨；冬季干冷漫长，大风多；夏季温凉多雨，冰雹多；四季不明。大部分地区的最暖月均温在15℃以下，1月和7月平均气温都比同纬度东部平原低15-20℃，以及考虑施工当地地基冻土的具体热物理参数，综合以上因素确定金属管道的材质、规格型号、埋设位置及埋设深度、平面布置形式及范围。

埋设位置及埋设深度：金属管道的首层铺设在地基的最底层，相邻两层管道之间的铺设距离的计算公式如下：

其中：R表示相邻两层管道之间的铺设距离，λ表示管道周围土体的导热系数；T表示管道的温度波动周期；C表示管道周围冻土的平均热容量；A₀表示计算管道的温度差；A₁表示计算管道的传热影响范围边界处的温度差，取0.1-0.2℃；如图3所示，图中r表示管道传热影响范围，R＝2r。

金属管道的材质：金属管道材质为铝合金，具有质轻，抗腐蚀性能好的优点。

金属管道的平面布置形式及范围：金属管道的平面布置形式按照S形迂回布置，金属管道的铺设范围为布满整个地基平面。

金属管道的规格型号：工程中一般常用的规格型号参数一般直径在80mm～100mm。为了便于施工，本发明施工方法中金属管道的直径取90mm。

3)开挖地基，施工放样，清理并平整场地；

4)根据步骤2)确定的埋设位置及埋设深度、平面布置形式及布置范围在地基中铺设金属管道。

具体步骤为：先将金属管道的首层铺设在地基的最底层，铺设完毕后用土回填，然后按照S形迂回方式依次向上铺设，铺设完一层后用土回填，直至金属管道布满整个地基平面。

5)在地基施工场安装温度控制系统和电源，将温度控制系统与金属管道连接。

Claims (4)

1.一种高原冻土条件下地基的保温装置，包括金属管道、温度控制系统和电源，所述金属管道铺设在冻土地基中，其特征在于：所述温度控制系统包括第一冷却泵、第一节流阀、第二冷却泵、第二节流阀、蒸发器、冷凝器、压缩机、单向节流阀和冷却塔，所述金属管道的一端依次经第一冷却泵、第一节流阀后与蒸发器的一次侧进口相连，蒸发器的一次侧出口与金属管道的另一端相连，所述蒸发器的二次侧出口经压缩机后与冷凝器的一次侧进口相连，冷凝器的一次侧出口经单向节流阀后与蒸发器的二次侧进口相连，所述冷凝器的二次侧进口与冷却塔的出口相连，冷凝器的二次侧出口依次经第二冷却泵、第二节流阀后与冷却塔的进口相连，所述电源为整个保温装置供电，所述金属管道在冻土地基中铺设的形状为S形。

2.一种高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，包括以下步骤：

1)收集高原冻土地区的气象资料，结合工程地质勘察资料，查明冻土的基本热物理参数、多年冻土类型、上限深度、地温年平均变化深度和年平均地温；

2)根据步骤1)查明的数据确定金属管道的材质、埋设位置及埋设深度、平面布置形式及范围；

3)开挖地基，施工放样，清理并平整场地；

4)根据步骤2)确定的埋设位置及埋设深度、平面布置形式及布置范围在地基中铺设金属管道；

所述步骤4)的具体步骤为，先将金属管道的首层铺设在地基的最底层，铺设完毕后用土回填，然后按照S形迂回方式依次向上铺设，铺设完一层后用土回填，直至金属管道布满整个地基平面；

5)在地基施工场安装温度控制系统和电源，将温度控制系统与金属管道连接；

所述步骤2)中，金属管道材质为铝合金，金属管道的平面布置形式按照S形迂回布置，金属管道的铺设范围为布满整个地基平面。

3.如权利要求2所述的高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，其特征在于：所述步骤2)中，金属管道的首层铺设在地基的最底层，相邻两层管道之间的铺设距离的计算公式如下：

<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> </mrow>

其中：R表示相邻两层管道之间的铺设距离，λ表示管道周围土体的导热系数；T表示管道的温度波动周期；C表示管道周围冻土的平均热容量；A₀表示计算器管道的温度差；A₁表示计算器管道的传热影响范围边界处的温度差。

4.如权利要求2所述的高原冻土条件下地基保温装置的施工方法，其特征在于：所述步骤2)中还包括金属管道规格型号的确定。