CN114215095A - 一种防止多年冻土退化的温控桩 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多年冻土地区工程冻害防治技术领域，公开了一种防止多年冻土退化的温控桩，包括桩体、制冷装置、发电装置、温度传感器和主控器，制冷装置包括压缩机、冷凝器、节流器和制冷管，压缩机为直流压缩机，压缩机的输出口通过冷凝器、节流器与制冷管的输入口连接，制冷管的输出口与压缩机的输入口连接，桩体为钢筋混凝土桩，桩体伸入多年冻土层内，制冷管绕设在桩体的外侧，且制冷管嵌设在桩体的混凝土内，温度传感器设有多个且布置在桩体的外侧上；本发明能主动降低桩侧冻土温度，以保护多年冻土、防止多年冻土退化，电能无需逆变，提高电能的利用率，节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及多年冻土地区工程冻害防治技术领域，特别是涉及一种防止多年冻土退化的温控桩。
背景技术
多年冻土在世界范围分布广泛，在俄罗斯、加拿大、美国、北欧以及我国东北、西北及青藏高原地区广泛分布。我国冻土面积位居世界第三，多年冻土面积占国土总面积的22.4％。
冻土的物理、力学性质受温度影响显著。负温环境下，土中水的成冰作用与水分迁移引起土体冻胀变形；正温环境下，冻土中的冰融化成水，土体体积收缩，产生融化下沉，这给寒区铁路建设造成了极大的困难。冻土的热不稳定性除了表现为易受自然环境影响外，也会受到工程热扰动的影响，比如工程开挖、混凝土水化放热等，都会打破多年冻土层原有的热平衡，容易引起多年冻土退化。
随着社会经济对高速铁路需求和依赖性的提高，高速铁路建设将会继续在世界范围开展，北京-莫斯科高铁、酝酿中的中俄美加高铁、青藏高铁等，所经过的地区如欧亚通道以及我国东北、西北、青藏地区，绝大部分地区均属于多年冻土区。我国《高铁设计规范》中规定，高速铁路无碴轨道的工后沉降一般不应超过15mm，路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5mm。可见高速铁路对轨道沉降及过渡段的差异沉降要求非常严苛，这就对高速铁路线下基础设施的稳定性提出了更高要求。
过去青藏铁路的建设过程中，提出的许多工程防治措施，如高填方路基、保温路基、块石路基、通风管路基、热棒路基、旱桥等措施难以满足高速铁路对轨道沉降的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题在于，提供一种防止多年冻土退化的温控桩，能主动降低桩侧冻土温度，以防止多年冻土退化，电能无需逆变，提高电能的利用率，节能环保。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防止多年冻土退化的温控桩，包括桩体、制冷装置、发电装置、温度传感器和主控器，所述制冷装置包括压缩机、冷凝器、节流器和制冷管，所述压缩机为直流压缩机，所述压缩机的输出口依次通过所述冷凝器和节流器与所述制冷管的输入口连接，所述制冷管的输出口与所述压缩机的输入口连接，所述桩体为钢筋混凝土桩，所述桩体伸入多年冻土层内，所述制冷管布置在所述桩体内，所述温度传感器设有多个且布置在所述桩体的外侧上；所述发电装置为光伏发电装置或风光一体发电装置；
所述主控器分别与所述制冷装置、发电装置和温度传感器连接，所述发电装置为所述主控器、制冷装置和温度传感器供电。
作为本发明优选的方案，所述制冷管包括与所述冷凝器连接的制冷输送段和与所述制冷输送段的末端连通的回液段，所述制冷输送段盘绕在所述桩体内的钢筋笼的外周，所述回液段竖直穿过所述桩体内的钢筋笼的内腔与所述压缩机的输入口连接。
作为本发明优选的方案，所述回液段的轴线与所述桩体内的钢筋笼的轴线同轴。
作为本发明优选的方案，所述桩体的下段埋设于多年冻土层，所述桩体的中段埋设于季节冻土层，所述桩体的上段伸出季节冻土层外。
作为本发明优选的方案，所述制冷输送段包括竖直段和盘绕在所述桩体内的钢筋笼上的盘绕段，所述竖直段位于所述桩体的中段，所述盘绕段位于所述桩体的下段。
作为本发明优选的方案，所述制冷输送段与回液段暴露在空气中的部分包裹有保温材料。
作为本发明优选的方案，还包括与所述主控器连接的无线传输器。
作为本发明优选的方案，所述光伏发电装置或风光一体发电装置内置有蓄电池。
作为本发明优选的方案，所述压缩机为蒸汽式直流压缩机，所述冷凝器为风冷式冷凝器，所述节流器为毛细管或电子节流阀。
作为本发明优选的方案，所述制冷管为铜管。
本发明的一种防止多年冻土退化的温控桩与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过温度传感器与制冷装置配合利用太阳能或/和风能发电，能够根据温控桩温度进行主动制冷并调整制冷装置的制冷温度，实现对温控桩周围的土体主动降温，一方面能够保持桩-土界面的冻结强度，提高桩基的稳定性；另一方面能够增加多年冻土层冷储量，降低活动层厚度、提高多年冻土层上限，防止多年冻土退化；而且采用直流压缩机能够将发电装置生产的直流电直接应用，无需通过逆变器进行逆变，减少电量损失，节省设备成本；此外，采用钢筋混凝土桩作为桩体保证其承载能力好，并且桩体的混凝土层能够保护制冷管免受土体压力的影响，提高制冷管的安全性与使用寿命，适用于桥梁工程、铁路工程等工程；可见，本发明能主动降低桩侧冻土温度，以保护多年冻土、防止多年冻土退化，电能无需逆变，提高电能的利用率，节能环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的一种防止多年冻土退化的温控桩的结构示意图；
图2是本发明提供的一种防止多年冻土退化的温控桩的另一实施例的结构示意图；
图中，1为桩体；2为制冷装置；21为制冷管；211为制冷输送段； 2111为竖直段；2112为盘绕段；212为回液段；3为发电装置；4为温度传感器；5为多年冻土层；6为季节冻土层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种防止多年冻土退化的温控桩，包括桩体1、制冷装置2、发电装置3、温度传感器4和主控器，所述制冷装置2包括压缩机、冷凝器、节流器和制冷管21，所述压缩机为直流压缩机，所述压缩机的输出口依次通过所述冷凝器和节流器与所述制冷管21的输入口连接，所述制冷管21的输出口与所述压缩机的输入口连接，所述桩体1为钢筋混凝土桩，所述桩体1 伸入多年冻土层5内，所述制冷管21绕设在所述桩体1的外侧，制冷管21绑扎在桩体1的钢筋笼上，且所述制冷管21嵌设在所述桩体 1的混凝土内，所述温度传感器4设有多个且布置在所述桩体1的外侧上；
所述主控器分别与所述制冷装置2、发电装置3和温度传感器4 连接，所述发电装置3为所述主控器、制冷装置2和温度传感器4供电。如图1所示，在本实施例中，发电装置3为光伏发电装置，其包括安装支架、光伏发电板、蓄电池和控制器，所述光伏发电板通过所述安装支架安装在桩体1上部侧壁上，所述控制器的输入端与所述光伏发电板连接，所述控制器的输出端与主控器、制冷装置2、温度传感器4和蓄电池连接，为各部件提供直流电，通过蓄电池能够将多余的电能储存起来，以保证在光照强度低时对整个设备供电，保证整个设备能够始终保持正常运作。如图2所示，在另一实施例中，发电装置3为风光一体发电装置，其包括安装支架、光伏发电板、风力发电机、蓄电池和控制器，所述光伏发电板和风力发电机通过所述安装支架安装在桩体1上部侧壁上，所述控制器的输入端与所述光伏发电板、风力发电机连接，所述控制器的输出端与主控器、制冷装置2、温度传感器4和蓄电池连接，为各部件提供直流电，通过蓄电池能够将多余的电能储存起来，以保证在光照强度低以及风势弱时对整个设备供电，保证整个设备能够始终保持正常运作。
示例性的，所述冷凝器与所述制冷管21之间连接有节流器，压缩机、冷凝器、节流阀与制冷管21之间形成闭环制冷回路，该闭环制冷回路内填充有制冷剂，所述制冷管21优选为铜管；具体的，所述压缩机为蒸汽式直流压缩机；在实际应用中，青藏地区、西北地区等典型多年冻土区，往往气候严寒、多烈风，所述冷凝器优选为风冷式冷凝器，有效提高冷凝器的散热效果；所述节流器为毛细管或电子节流阀。
示例性的，所述制冷管21包括与所述冷凝器连接的制冷输送段 211和与所述制冷输送段211的末端连通的回液段212，所述制冷输送段211盘绕在所述桩体1内的钢筋笼的外周，所述回液段212竖直穿过所述桩体1内的钢筋笼的内腔与所述压缩机的输入口连接，由于随着制冷剂在制冷管21内的流动会出现压损导致制冷温度不是恒定的，制冷管21的后段容易出现过热状态，回液段212位于桩体1的内部中心且以竖直结构设置，有效避免回液段212的温度影响制冷输送段211(制冷管21的前段)的温度，温控桩的制冷效果好，优选的，制冷管21的管壁上设有与所述主控器连接的温度传感器4，主控器能够有效获取的制冷管21的温度，通过制冷管21管壁上的温度传感器4反馈的温度能够获知制冷装置2是否处于正常状态。
示例性的，所述回液段212的轴线与所述桩体1内的钢筋笼的轴线同轴，能够使回液段212与制冷输送段211和多年冻土土体的距离尽可能远，避免回液段212的温度影响制冷效果。
示例性的，所述桩体1的下段埋设于多年冻土层5，所述桩体1 的中段埋设于季节冻土层6，所述桩体1的上段伸出季节冻土层6外，桩体1的下段的长度远大于桩体1的中段的长度；所述制冷输送段 211包括竖直段2111和盘绕在所述桩体1内的钢筋笼上的盘绕段2112，所述竖直段2111位于所述桩体1的中段，所述盘绕段2112位于所述桩体1的下段，有针对性地对多年冻土层5进行制冷，同时桩体1的中段也能对季节冻土层6起到一定制冷降温作用。在本实施例中，盘绕段2112呈螺旋状自上而下或自下而上地盘绕在钢筋笼上。在其他实施例中，盘绕段2112呈U形沿钢筋笼周向盘绕在钢筋笼的外周。
示例性的，所述制冷输送段211与回液段212暴露在空气中的部分包裹有保温材料，避免冷量损失。
示例性的，防止多年冻土退化的温控桩还包括与所述主控器连接的无线传输器，通过无线传输器能够通过无线网络与远程终端连接，反馈温控桩实时状况。
优选的，防止多年冻土退化的温控桩还包括主机壳，所述主控器、控制器、无线传输器、制冷装置2(除制冷管21外)均设置在主机壳内，主机壳优选为金属壳体，主机壳前后面镂空，能够满足冷凝散热要求。
由此，本发明通过温度传感器4与制冷装置2配合利用太阳能或/ 和风能发电，能够根据温控桩温度进行主动制冷并调整制冷装置2的制冷温度，实现对温控桩周围的土体主动降温，一方面能够保持桩- 土界面的冻结强度，提高桩基的稳定性；另一方面能够增加多年冻土层5冷储量，降低活动层厚度、提高多年冻土层5上限，防止多年冻土退化；而且采用直流压缩机能够将发电装置3生产的直流电直接应用，无需通过逆变器进行逆变，减少电量损失，节省设备成本；此外，采用钢筋混凝土桩作为桩体1保证其承载能力好，并且桩体1的混凝土层能够保护制冷管21免受土体压力的影响，提高制冷管21的安全性与使用寿命，适用于桥梁工程、铁路工程等工程；可见，本发明能主动降低桩侧冻土温度，以保护多年冻土、防止多年冻土退化，电能无需逆变，提高电能的利用率，节能环保。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，包括桩体、制冷装置、发电装置、温度传感器和主控器，所述制冷装置包括压缩机、冷凝器、节流器和制冷管，所述压缩机为直流压缩机，所述压缩机的输出口依次通过所述冷凝器和节流器与所述制冷管的输入口连接，所述制冷管的输出口与所述压缩机的输入口连接，所述桩体为钢筋混凝土桩，所述桩体伸入多年冻土层内，所述制冷管布置在所述桩体内，所述温度传感器设有多个且布置在所述桩体的外侧上；所述发电装置为光伏发电装置或风光一体发电装置；
所述主控器分别与所述制冷装置、发电装置和温度传感器连接，所述发电装置为所述主控器、制冷装置和温度传感器供电。
2.如权利要求1所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述制冷管包括与所述冷凝器连接的制冷输送段和与所述制冷输送段的末端连通的回液段，所述制冷输送段盘绕在所述桩体内的钢筋笼的外周，所述回液段竖直穿过所述桩体内的钢筋笼的内腔与所述压缩机的输入口连接。
3.如权利要求2所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述回液段的轴线与所述桩体内的钢筋笼的轴线同轴。
4.如权利要求2所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述桩体的下段埋设于多年冻土层，所述桩体的中段埋设于季节冻土层，所述桩体的上段伸出季节冻土层外。
5.如权利要求4所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述制冷输送段包括竖直段和盘绕在所述桩体内的钢筋笼上的盘绕段，所述竖直段位于所述桩体的中段，所述盘绕段位于所述桩体的下段。
6.如权利要求5所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述制冷输送段与回液段暴露在空气中的部分包裹有保温材料。
7.如权利要求1所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，还包括与所述主控器连接的无线传输器。
8.如权利要求1所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述光伏发电装置或风光一体发电装置内置有蓄电池。
9.如权利要求1所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述压缩机为蒸汽式直流压缩机，所述冷凝器为风冷式冷凝器，所述节流器为毛细管或电子节流阀。
10.如权利要求1所述的一种防止多年冻土退化的温控桩，其特征在于，所述制冷管为铜管。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115059061A (zh) * | 2022-07-04 | 2022-09-16 | 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 | 冻土区域分区控温桩基、群桩系统及设计方法、施工方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2006029006A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-02-02 | Jfc Welded Pipe Manufacturing Co Ltd | 場所打ち鉄筋コンクリート杭 |
| CN107724377A (zh) * | 2017-11-24 | 2018-02-23 | 北京交通大学 | 用于防治多年冻土退化的压缩式制冷系统 |
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-
2021
- 2021-11-02 CN CN202111286462.0A patent/CN114215095A/zh active Pending
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| CN115059061B (zh) * | 2022-07-04 | 2024-02-23 | 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 | 冻土区域分区控温桩基、群桩系统及设计方法、施工方法 |
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