CN107653874A - 一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩及其制作方法。该预制桩包括植入多年冻土地基中的预制螺纹状钢筋混凝土空心桩和制冷热管。所述预制螺纹状钢筋混凝土空心桩包括桩身和桩尖。所述桩身包括上部桩和下部桩。所述下部桩的外圆周壁上设置有螺旋叶片。所述螺旋叶片上设置有若干导热小孔。所述下部桩穿过多年冻土上限后，嵌入下方的永冻层中。所述制冷热管的蒸发段插入桩身内腔中，冷凝段伸出桩体外。该预制桩的制作方法包括制作制冷热管和预制螺纹状钢筋混凝土空心桩、沉桩施工、安装制冷热管和处理桩头等步骤。该预制桩避免了桩身混凝土凝固过程中产生的水化热对桩周多年冻土地基的影响，使桩周土体温度降低，保持冻结状态。
Description
技术领域
本发明涉及地基与基础工程技术领域，具体涉及一种螺纹状钢筋混凝土预制桩。
背景技术
多年冻土是指持续多年冻结的土石层。可分为上下两层：上层每年夏季融化，冬季冻结，称活动层或冰融层；下层常年处在冻结状态，称永冻层或多年冻层。我国多年冻土的分布面积较广，约215万平方公里，按照地理位置的不同分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭，面积为38～39万平方公里。高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地，如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。
随着我国经济、社会发展，多年冻土区的工程建设规模不断增大，基础埋深也在不断加大。在非冻土区和季节性冻土区，桩基础是成熟的基础类型之一，在各类建筑工程中均大量应用。但在多年冻土区，桩基础的应用需要解决好如下几个方面的问题：(1)桩基础施工期间容易造成桩周冻土融化，使得地基土承载力显著减小甚至丧失；(2)桩基础施工完成后桩周土体回冻时间长，使得桩基础的承载力需要很长时间才能逐渐达到设计值，上部结构的施工时间不得不推后；(3)工程竣工后，由于桩基础的导热性，使得桩周冻土上限下降，进一步造成桩基础的承载力降低。
对于上述3个问题，现有的解决方案只是尽量降低问题后果的严重性，并没有形成很好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩及其制作方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩，包括：植入多年冻土地基中的预制螺纹状钢筋混凝土空心桩和制冷热管。
所述预制螺纹状钢筋混凝土空心桩包括桩身和桩尖。所述桩身包括上部桩和下部桩。所述下部桩设置于上部桩的底部。所述上部桩和下部桩为一个整体。
所述下部桩的外圆周壁上设置有螺旋叶片。所述螺旋叶片上设置有若干导热小孔。所述导热小孔连通桩周外侧和预制螺纹状钢筋混凝土空心桩的桩身内腔。所述下部桩穿过多年冻土上限后，嵌入下方的永冻层中。
所述制冷热管从下至上依次包括蒸发段、冷凝段Ⅰ和冷凝段Ⅱ。所述制冷热管的蒸发段插入桩身内腔中，冷凝段伸出桩体外。所述冷凝段Ⅰ的管壳外表面连接有若干散热片。所述冷凝段Ⅱ管壳外表面连接有太阳能半导体制冷装置。所述太阳能半导体制冷装置外壁套设有若干散热片。
所述桩身内腔中由下至上设置有导热层和封闭层。所述导热层采用导热材料填充蒸发段与下部桩内腔之间的空隙。所述封闭层采用混凝土或砂浆压实填充至桩顶。所述导热层和封闭层与桩身胶结凝固为一个整体。
进一步，所述桩身的横截面形状整体为一个圆环。
进一步，所述桩身内具有桩体主筋和桩体螺旋箍筋。所述桩体主筋和桩体螺旋箍筋共同构成钢筋笼。
本发明还公开一种关于上述螺纹状钢筋混凝土预制桩的制作方法，包括以下步骤：
1)工厂预制制冷热管和预制螺纹状钢筋混凝土空心桩。
2)采用螺旋钻进法将预制螺纹状钢筋混凝土空心桩沉入到多年冻土地基中。
3)安装制冷热管，确认无误后在制冷热管内灌注工作液体，抽真空后密封。
4)按设计桩顶高程，截去多余桩身。按照桩顶与上部结构的连接要求，对桩头进行处理。
5)填充导热层和封闭层。
进一步，在步骤2)中，当单节桩身的长度小于设计基桩长度时，根据实际需要接长。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.避免了桩身混凝土凝固过程中产生的水化热对桩周多年冻土地基的影响；
B.制冷热管工作时可以把冷量源源不断地导入下部桩身并通过导热小孔快速导入桩周土体，使桩周土体温度降低，保持冻结状态，同时也使得多年冻土上限不下降；
C.冷凝段Ⅰ在冷季利用低气温散热促使制冷热管工作，冷凝段Ⅱ在暖季利用太阳能制冷促使制冷热管工作，可确保制冷热管常年处于工作状态；
D.螺纹叶片显著提高了桩侧摩阻力，在相同桩身尺寸条件下，桩基承载力更高；
E.沉桩施工采用先施工小直径引导钻孔、再采用螺旋钻进法沉桩，沉桩施工对地基的影响小、施工产生的噪音低；
F.导热小孔布置在下部桩螺旋叶片上，由于螺旋叶片位置的桩身壁厚较大，导热小孔对桩身整体强度的影响较小。
附图说明
图1为预制桩工作示意图；
图2为上部桩横截面图；
图3为制冷热管结构示意图；
图4为冷凝段Ⅰ横截面图；
图5为冷凝段Ⅱ横截面图；
图6为预制桩结构示意图；
图7为预制螺纹状钢筋混凝土空心桩结构示意图。
图中：预制螺纹状钢筋混凝土空心桩1、桩身101、上部桩1011、下部桩1012、导热小孔10121、桩身内腔1013、钢筋笼1014、桩体主筋10141、桩体螺旋箍筋10142、桩尖102、制冷热管2、蒸发段201、冷凝段Ⅰ202、冷凝段Ⅱ203、导热层3、封闭层4、散热片5、太阳能半导体制冷装置6。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩，包括：植入多年冻土地基中的预制螺纹状钢筋混凝土空心桩1和制冷热管2。
参见图1、图2、图6和图7，所述预制螺纹状钢筋混凝土空心桩1包括桩身101和桩尖102。所述桩尖102整体为一个圆锥体或圆台。所述桩尖102的顶面与桩身101的底面相贴。所述桩尖102的侧面设置有螺旋叶片。所述桩身101包括上部桩1011和下部桩1012。所述下部桩1012设置于上部桩1011的底部。所述上部桩1011和下部桩1012为一个整体。所述桩身101内具有桩体主筋10141和桩体螺旋箍筋10142。所述桩体主筋10141和桩体螺旋箍筋10142共同构成钢筋笼1014。
所述下部桩1012的外圆周壁上设置有螺旋叶片。所述螺旋叶片上设置有多个导热小孔10121，以实现桩身101内外热量的快速传递。所述导热小孔10121沿下部桩1012的径向分布，连通桩周外侧和预制螺纹状钢筋混凝土空心桩1的桩身内腔1013。由于螺旋叶片位置的桩身101壁厚较大，导热小孔10121对桩身101整体强度的影响较小。所述下部桩1012穿过多年冻土上限后，嵌入下方的永冻层中。
参见图3和图5，所述制冷热管2从下至上依次包括蒸发段201、冷凝段Ⅰ202和冷凝段Ⅱ203。所述制冷热管2的蒸发段201插入桩身内腔1013中，冷凝段伸出桩体外。所述冷凝段Ⅰ202的管壳外表面连接有多个散热片5。所述冷凝段Ⅱ203管壳外表面连接有太阳能半导体制冷装置6。所述太阳能半导体制冷装置6外壁套设有多个散热片5。
参见图4和图6，所述桩身内腔1013中由下至上设置有导热层3和封闭层4。所述导热层3采用导热材料填充蒸发段201与下部桩1012内腔之间的空隙。所述封闭层4采用混凝土或砂浆压实填充至桩顶。所述导热层3和封闭层4与桩身101胶结凝固为一个整体。
所述散热片5和太阳能半导体制冷装置6的设置可确保制冷热管2常年处于工作状态。所述散热片5可在冷季利用低气温散热促使制冷热管2工作。所述太阳能半导体制冷装置6可在暖季利用太阳能制冷促使制冷热管2工作。制冷热管2工作时，可以把冷量源源不断地导入桩身101并通过导热小孔10121实现桩身101内外热量的快速传递。冷量快速导入桩周土体，使桩周土体温度降低，保持冻结状态，同时也使得多年冻土上限不下降。
值得说明的是，在本实施例中，桩身101的横截面整体形状为圆环。在实际工程中，可根据地质条件和桩身尺寸要求选择截面形状为回字形等。在本实施例中，所述上部桩1011外圆周壁为光滑圆柱面。在实际工程中，可根据桩基承载力要求在上部桩1011的外圆周壁上设置螺旋叶片。所述上部桩1011的螺旋叶片与下部桩1012的螺旋叶片特征相同。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述螺纹状钢筋混凝土预制桩的制作方法，包括以下步骤：
1)按设计的桩身尺寸、钢筋布置、混凝土强度要求，在工厂制作预制螺纹状钢筋混凝土空心桩1。按设计的构造及尺寸要求，在工厂制作制冷热管2的管壳、管芯和工质，并按照冷凝段Ⅱ203的尺寸和功率要求在工厂制作太阳能半导体制冷装置6。
2)在确定的基桩位置用小孔钻机施工沉桩引导钻孔，采用螺旋钻进法，按照设计的入土深度将制作好的预制螺纹状钢筋混凝土空心桩1沉入到多年冻土地基中。当单节桩身101的长度小于设计基桩长度时，可根据实际需要接长桩身101。
3)安装制冷热管2，确认无误后在制冷热管2内灌注工作液体，抽真空后密封。
4)按设计桩顶高程，截去多余桩身101。按照桩顶与上部结构的连接要求，对桩头进行处理。
5)填充导热层3和封闭层4。
Claims (5)
1.一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩，其特征在于，包括：植入多年冻土地基中的预制螺纹状钢筋混凝土空心桩(1)和制冷热管(2)；
所述预制螺纹状钢筋混凝土空心桩(1)包括桩身(101)和桩尖(102)；所述桩身(101)包括上部桩(1011)和下部桩(1012)；所述下部桩(1012)设置于上部桩(1011)的底部；所述上部桩(1011)和下部桩(1012)为一个整体；
所述下部桩(1012)的外圆周壁上设置有螺旋叶片；所述螺旋叶片上设置有若干导热小孔(10121)；所述导热小孔(10121)连通桩周外侧和预制螺纹状钢筋混凝土空心桩(1)的桩身内腔(1013)；所述下部桩(1012)穿过多年冻土上限后，嵌入下方的永冻层中；
所述制冷热管(2)从下至上依次包括蒸发段(201)、冷凝段Ⅰ(202)和冷凝段Ⅱ(203)。所述制冷热管(2)的蒸发段(201)插入桩身内腔(1013)中，冷凝段伸出桩体外；所述冷凝段Ⅰ(202)的管壳外表面连接有若干散热片(5)；所述冷凝段Ⅱ(203)管壳外表面连接有太阳能半导体制冷装置(6)；所述太阳能半导体制冷装置(6)外壁套设有若干散热片(5)；
所述桩身内腔(1013)中由下至上设置有导热层(3)和封闭层(4)；所述导热层(3)采用导热材料填充蒸发段(201)与下部桩(1012)内腔之间的空隙；所述封闭层(4)采用混凝土或砂浆压实填充至桩顶；所述导热层(3)和封闭层(4)与桩身(101)胶结凝固为一个整体。
2.根据权利要求1所述的一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩，其特征在于：所述桩身(101)的横截面形状整体为一个圆环。
3.根据权利要求1～3所述的一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩，其特征在于：所述桩身(101)内具有桩体主筋(10141)和桩体螺旋箍筋(10142)；所述桩体主筋(10141)和桩体螺旋箍筋(10142)共同构成钢筋笼(1014)。
4.关于权利要求1所述螺纹状钢筋混凝土预制桩的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)工厂预制制冷热管(2)和预制螺纹状钢筋混凝土空心桩(1)；
2)采用螺旋钻进法将预制螺纹状钢筋混凝土空心桩(1)沉入到多年冻土地基中；
3)安装制冷热管(2)，确认无误后在制冷热管(2)内灌注工作液体，抽真空后密封；
4)按设计桩顶高程，截去多余桩身(101)；按照桩顶与上部结构的连接要求，对桩头进行处理；
5)填充导热层(3)和封闭层(4)。
5.根据权利要求4所述的螺纹状钢筋混凝土预制桩的制作方法，其特征在于：在步骤2)中，当单节桩身(101)的长度小于设计基桩长度时，根据实际需要接长。
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