CN114319310A - 一种冻土区桩基自动降温系统及降温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冻土区桩基自动降温系统及降温方法，系统包括缠绕在钢筋笼上的冷却铝管和设置在桩基旁的土样电阻率探测装置，以及低温循环制冷单元和供电单元；冷却铝管的表面设置有多孔陶瓷贴片，低温循环制冷单元包括控制器和制冷器，制冷器与冷却铝管的入口之间连接有供液管，供液管上设置有流量控制阀和第一温度计，制冷器与冷却铝管的出口之间连接有回液管，回液管上设置有循环水泵和第二温度计。本发明系统结构简单，设计合理，实现方便，结合降温方法，能够有效应用在冻土区桩基的降温中，自动化程度和降温效率高，效果显著，便于推广。
Description
技术领域
本发明属于输电线路桩基建设技术领域，具体涉及一种冻土区桩基自动 降温系统及降温方法。
背景技术
随着基础设施建设范围的不断扩大，在高海拔、严寒地区建设输电线路， 大量的桩基修建在冻土区。由于全球气候变暖，大气温度升高，鉴于冻土对 温度的敏感性，冻土区季节融冻层加深，多年冻土退化，对桩基的基础稳定 性和承载性能造成影响，最终将影响桩基正常使用和安全性。
冻土区桩基承载力主要是由桩侧土体与桩基之间的摩擦力承担，当气温 升高时土体的冻结力下降，使得桩侧的土体与桩基的摩擦力减小，引起桩基 的融沉。
现有技术中，有人提出了一些利用降温装置防止冻土退化的方案，如申 请号为201810804418.6，名称为《一种防冻拔和融沉的桩基自制冷装置及其 使用方法》的发明专利，存在诸多缺陷：(1)冷却液采用液氮，液氮常压下 的温度为-196℃，无法很好地控制温度，并且成本较高，当液氮用完要进行 补充，不适用于高海拔、严寒地区；(2)冷却管布置在桩外，当桩基发生沉 降，桩与土体发生相对位移时，桩侧的冷却管很容易被破坏；而且，从冷却 管的布置方式，可以看出，只能用于预制桩，即小型桩上，使用范围窄；(3) 更重要的是，桩基承载力直接受土体冻结力变化的影响，但不同土体的土体 冻结力受温度变化的影响并不相同，冻土地区存在荒漠土(冷冻粗骨土)， 潜育土，高山荒漠土，高山寒冻土,其不同土体的冻结力受温度影响不同。冻 土区直接采用埋设的温度传感器监测桩基的温度，并不能很好得反应冻土特 殊的物理力学性质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种 冻土区桩基自动降温系统，其系统结构简单，设计合理，实现方便，结合降 温方法，能够有效应用在冻土区桩基的降温中，自动化程度和降温效率高， 效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冻土区桩基自动 降温系统，所述桩基包括设置在桩基内的钢筋笼，所述降温系统包括缠绕 在钢筋笼上的冷却铝管和设置在桩基旁的用于检测未冻水含量的土样电 阻率探测装置，以及用于为所述冷却铝管提供冷却液的低温循环制冷单元 和为所述自动降温系统供电的供电单元；所述冷却铝管的表面设置有多孔 陶瓷贴片，所述低温循环制冷单元包括控制器和与控制器输出端连接的制 冷器，所述制冷器与冷却铝管的入口之间连接有供液管，所述供液管上设 置有流量控制阀和位于冷却铝管的入口处的第一温度计，所述制冷器与冷 却铝管的出口之间连接有回液管，所述回液管上设置有循环水泵和位于冷 却铝管的出口处的第二温度计，所述第一温度计和第二温度计均与控制器 的信号输入端连接，所述流量控制阀和循环水泵均与控制器的信号输出端 连接。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述土样电阻率探测装置包括 用于竖直压入土体内的空心玻璃钢管，所述空心玻璃钢管的一端对称设置 有导电铜片，所述导电片通过导线连接有交流电压源，所述交流电压源通 过所述供电单元供电，所述导线上设置有电流传感器和电压传感器；所述 电流传感器和电压传感器均与控制器的信号输入端连接。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述空心玻璃钢管设置在桩基 旁的d/20处，d为桩基的直径。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述空心玻璃钢管的长度范围 为1.3m～3m。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述空心玻璃钢管的横截面为 边长是0.3m的正方形。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述导电铜片的数量为两个， 且两个所述导电铜片对称设置，两个所述导电铜片之间的距离为0.26m。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述导电铜片的形状为长0.5m ×宽0.28m的长方体形。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述冷却液采用盐水。
上述的一种冻土区桩基自动降温系统，所述供电单元包括太阳能供电 模块。
本发明还公开了一种冻土区桩基自动降温方法，采用上述的系统，所 述降温方法包括以下步骤：
步骤一、检测冻土区桩基埋置处的土壤特性；所述土壤特性包括土样 电阻率与未冻水含量的对应关系，以及冻土层深度；在实验室条件下，采 用所述土样电阻率探测装置检测不同的未冻水含量下的土样电阻率，再通 过数据拟合，获得土样电阻率与未冻水含量的对应关系，并将所述土样电 阻率与未冻水含量的对应关系存储至控制器中；
步骤二、在所述钢筋笼上缠绕N圈冷却铝管，相邻两圈冷却铝管的间 距为1m，将冷却铝管的入口和出口置于桩基外，并与所述低温循环制冷单 元连接；
步骤三、将所述空心玻璃钢管压入土体，压入深度根据步骤一中检测 到的冻土层深度确定，使导电铜片位于冻土层；
步骤四、所述土样电阻率探测装置实时监测土样电阻率，并将土样电 阻率信号传输至控制器中；
土样电阻率计算公式:
其中，σ为土样电阻率，U为电压值，通过电压传感器采集，I为电 流值，通过电流传感器采集，S为导电铜片的面积，S＝0.5×0.28＝0.14m2，L 为两个导电铜片之间的距离，L＝0.26m；
步骤五、所述控制器根据步骤一中土样电阻率与未冻水含量的对应关 系，计算未冻水含量的变化率，当未冻水含量变化率超过预先设置的阈值 时，所述控制器控制制冷器和循环水泵启动，对桩基进行循环制冷；
步骤六、所述第一温度计实时监测循环制冷过程中冷却铝管的入口处 的冷却液温度，所述第二温度计实时监测循环制冷过程中冷却铝管的出口 处的冷却液温度，并通过控制器计算冷却液温度差值，根据冷却液温度差 值的大小对流量控制阀进行调节，实现桩基的快速降温。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明系统结构简单，设计合理，实现方便。
2、本发明采用冷却铝管，铝管延性好，导热性能好，能使桩基内的 热量更好的排出桩外。
3、本发明将冷却铝管缠绕在钢筋笼上，即布置在桩内，在大直径桩， 如灌注桩中依然适用。
4、本发明冷却液采用盐水，并通过低温循环制冷单元进行循环降温， 能够对桩基进行更可控制的降温，并且能循环使用。
5、本发明将土样电阻率探测装置设置在桩基旁，用于实施监测桩基 旁土样的电阻率，进而得到桩基旁土样的未冻水含量，通过未冻水含量直 接反应土体冻结力，比温度传感器更能准确地反应桩基承载力变化，从而 进行降温。
6、本发明通过监测循环制冷过程中冷却铝管出入口的冷却液温度差 值，根据冷却液温度差值的大小对流量控制阀进行调节，提高桩基降温效 率。
7、本发明能够有效应用在冻土区桩基的降温中，自动化程度和降温 效率高，效果显著，便于推广。
综上所述，本发明系统结构简单，设计合理，实现方便，结合降温方 法，能够有效应用在冻土区桩基的降温中，自动化程度和降温效率高，效 果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为本发明的桩基截面示意图；
图3为本发明土样电阻率探测装置的组成示意图；
图4为解冻温度、未冻水含量和抗剪强度的关系模型图。
附图标记说明:
1—钢筋笼； 2—冷却铝管； 3—土样电阻率探测装置；
3-1—空心玻璃钢管； 3-2—导电铜片； 3-3—导线；
3-4—交流电压源； 3-5—电流传感器； 3-6—电压传感器；
4—控制器； 5—制冷器； 6—供液管；
7—流量控制阀； 8—第一温度计； 9—回液管；
10—循环水泵； 11—第二温度计； 12—太阳能供电模块。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的冻土区桩基自动降温系统，所述桩基包 括设置在桩基内的钢筋笼1，所述降温系统包括缠绕在钢筋笼1上的冷却 铝管2和设置在桩基旁的用于检测未冻水含量的土样电阻率探测装置3， 以及用于为所述冷却铝管2提供冷却液的低温循环制冷单元和为所述自动 降温系统供电的供电单元；所述冷却铝管2的表面设置有多孔陶瓷贴片， 所述低温循环制冷单元包括控制器4和与控制器4输出端连接的制冷器5， 所述制冷器5与冷却铝管2的入口之间连接有供液管6，所述供液管6上 设置有流量控制阀7和位于冷却铝管2的入口处的第一温度计8，所述制 冷器5与冷却铝管2的出口之间连接有回液管9，所述回液管9上设置有 循环水泵10和位于冷却铝管2的出口处的第二温度计11，所述第一温度 计8和第二温度计11均与控制器4的信号输入端连接，所述流量控制阀7 和循环水泵10均与控制器4的信号输出端连接。
具体实施时，通过在冷却铝管2的表面设置多孔陶瓷贴片，多孔陶瓷 贴片既能提高冷却铝管2的整体强度，又能吸收冷却铝管2周围水分并冻 结，增强桩基处土体的冻结力。
本实施例中，如图3所示，所述土样电阻率探测装置3包括用于竖直 压入土体内的空心玻璃钢管3-1，所述空心玻璃钢管3-1的一端对称设置 有导电铜片3-2，所述导电片3-2通过导线3-3连接有交流电压源3-4， 所述交流电压源3-4通过所述供电单元供电，所述导线3-3上设置有电流 传感器3-5和电压传感器3-6；所述电流传感器3-5和电压传感器3-6均与控制器4的信号输入端连接。
本实施例中，所述空心玻璃钢管3-1设置在桩基旁的d/20处，d为桩 基的直径。
本实施例中，所述空心玻璃钢管3-1的长度范围为1.3m～3m。
具体实施时，根据冻土层厚度变化规律可知，冻土活动层范围在地下 1.3米到3米之间，空心玻璃钢管3-1的具体长度按实际工况来取。
本实施例中，所述空心玻璃钢管3-1的横截面为边长是0.3m的正方形。
本实施例中，所述导电铜片3-2的数量为两个，且两个所述导电铜片 3-2对称设置，两个所述导电铜片3-2之间的距离为0.26m。
本实施例中，所述导电铜片3-2的形状为长0.5m×宽0.28m的长方体 形。
本实施例中，所述冷却液采用盐水。
具体实施时，盐水的盐度为23.2％，冰点为-20.8°。
本实施例中，所述供电单元包括太阳能供电模块12。
本发明的冻土区桩基自动降温方法，包括以下步骤：
步骤一、检测冻土区桩基埋置处的土壤特性；所述土壤特性包括土样 电阻率与未冻水含量的对应关系，以及冻土层深度；在实验室条件下，采 用所述土样电阻率探测装置3检测不同的未冻水含量下的土样电阻率，再 通过数据拟合，获得土样电阻率与未冻水含量的对应关系，并将所述土样 电阻率与未冻水含量的对应关系存储至控制器4中；
步骤二、在所述钢筋笼1上缠绕N圈冷却铝管2，相邻两圈冷却铝管 2的间距为1m，将冷却铝管2的入口和出口置于桩基外，并与所述低温循 环制冷单元连接；
步骤三、将所述空心玻璃钢管3-1压入土体，压入深度根据步骤一中 检测到的冻土层深度确定，使导电铜片3-2位于冻土层；
步骤四、所述土样电阻率探测装置3实时监测土样电阻率，并将土样 电阻率信号传输至控制器4中；
土样电阻率计算公式:
其中，σ为土样电阻率，U为电压值，通过电压传感器3-6采集，I为 电流值，通过电流传感器3-5采集，S为导电铜片3-2的面积， S＝0.5×0.28＝0.14m2，L为两个导电铜片3-2之间的距离，L＝0.26m；
步骤五、所述控制器4根据步骤一中土样电阻率与未冻水含量的对应 关系，计算未冻水含量的变化率，当未冻水含量变化率超过预先设置的阈 值时，所述控制器4控制制冷器5和循环水泵10启动，对桩基进行循环 制冷；
具体实施时，解冻温度、未冻水含量和抗剪强度的关系模型图如图4 所示，从图4可以看出，未冻水含量相对于解冻温度，未冻水含量的变化 能够更加直接地反应抗剪强度的变化，在未冻水含量变化率激增时，启动 循环制冷。
步骤六、所述第一温度计8实时监测循环制冷过程中冷却铝管2的入 口处的冷却液温度，所述第二温度计11实时监测循环制冷过程中冷却铝 管2的出口处的冷却液温度，并通过控制器4计算冷却液温度差值，根据 冷却液温度差值的大小对流量控制阀7进行调节，实现桩基的快速降温。
具体实施时，当冷却液温度差值较大，大于5度时，通过调节流量控 制阀7，增加冷却液的流速，加快冷却液的循环，提高对桩基处的降温速 度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效 结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种冻土区桩基自动降温系统，所述桩基包括设置在桩基内的钢筋笼(1)，其特征在于：所述降温系统包括缠绕在钢筋笼(1)上的冷却铝管(2)和设置在桩基旁的用于检测未冻水含量的土样电阻率探测装置(3)，以及用于为所述冷却铝管(2)提供冷却液的低温循环制冷单元和为所述自动降温系统供电的供电单元；所述冷却铝管(2)的表面设置有多孔陶瓷贴片，所述低温循环制冷单元包括控制器(4)和与控制器(4)输出端连接的制冷器(5)，所述制冷器(5)与冷却铝管(2)的入口之间连接有供液管(6)，所述供液管(6)上设置有流量控制阀(7)和位于冷却铝管(2)的入口处的第一温度计(8)，所述制冷器(5)与冷却铝管(2)的出口之间连接有回液管(9)，所述回液管(9)上设置有循环水泵(10)和位于冷却铝管(2)的出口处的第二温度计(11)，所述第一温度计(8)和第二温度计(11)均与控制器(4)的信号输入端连接，所述流量控制阀(7)和循环水泵(10)均与控制器(4)的信号输出端连接。
2.按照权利要求1所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述土样电阻率探测装置(3)包括用于竖直压入土体内的空心玻璃钢管(3-1)，所述空心玻璃钢管(3-1)的一端对称设置有导电铜片(3-2)，所述导电片(3-2)通过导线(3-3)连接有交流电压源(3-4)，所述交流电压源(3-4)通过所述供电单元供电，所述导线(3-3)上设置有电流传感器(3-5)和电压传感器(3-6)；所述电流传感器(3-5)和电压传感器(3-6)均与控制器(4)的信号输入端连接。
3.按照权利要求2所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述空心玻璃钢管(3-1)设置在桩基旁的d/20处，d为桩基的直径。
4.按照权利要求2所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述空心玻璃钢管(3-1)的长度范围为1.3m～3m。
5.按照权利要求2所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述空心玻璃钢管(3-1)的横截面为边长是0.3m的正方形。
6.按照权利要求2所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述导电铜片(3-2)的数量为两个，且两个所述导电铜片(3-2)对称设置，两个所述导电铜片(3-2)之间的距离为0.26m。
7.按照权利要求6所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述导电铜片(3-2)的形状为长0.5m×宽0.28m的长方体形。
8.按照权利要求1所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述冷却液采用盐水。
9.按照权利要求1所述的一种冻土区桩基自动降温系统，其特征在于：所述供电单元包括太阳能供电模块(12)。
10.一种冻土区桩基自动降温方法，其特征在于，采用如权利要求1所述系统，所述降温方法包括以下步骤：
步骤一、检测冻土区桩基埋置处的土壤特性；所述土壤特性包括土样电阻率与未冻水含量的对应关系，以及冻土层深度；在实验室条件下，采用所述土样电阻率探测装置(3)检测不同的未冻水含量下的土样电阻率，再通过数据拟合，获得土样电阻率与未冻水含量的对应关系，并将所述土样电阻率与未冻水含量的对应关系存储至控制器(4)中；
步骤二、在所述钢筋笼(1)上缠绕N圈冷却铝管(2)，相邻两圈冷却铝管(2)的间距为1m，将冷却铝管(2)的入口和出口置于桩基外，并与所述低温循环制冷单元连接；
步骤三、将所述空心玻璃钢管(3-1)压入土体，压入深度根据步骤一中检测到的冻土层深度确定，使导电铜片(3-2)位于冻土层；
步骤四、所述土样电阻率探测装置(3)实时监测土样电阻率，并将土样电阻率信号传输至控制器(4)中；
土样电阻率计算公式:
其中，σ为土样电阻率，U为电压值，通过电压传感器(3-6)采集，I为电流值，通过电流传感器(3-5)采集，S为导电铜片(3-2)的面积，S＝0.5×0.28＝0.14m2，L为两个导电铜片(3-2)之间的距离，L＝0.26m；
步骤五、所述控制器(4)根据步骤一中土样电阻率与未冻水含量的对应关系，计算未冻水含量的变化率，当未冻水含量变化率超过预先设置的阈值时，所述控制器(4)控制制冷器(5)和循环水泵(10)启动，对桩基进行循环制冷；
步骤六、所述第一温度计(8)实时监测循环制冷过程中冷却铝管(2)的入口处的冷却液温度，所述第二温度计(11)实时监测循环制冷过程中冷却铝管(2)的出口处的冷却液温度，并通过控制器(4)计算冷却液温度差值，根据冷却液温度差值的大小对流量控制阀(7)进行调节，实现桩基的快速降温。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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