CN205934951U - 一种多年冻土区桩基础 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多年冻土区桩基础，该基础包括设在机械或人工成孔的基坑中心的预制混凝土桩及所述预制混凝土桩外部的现浇混凝土。所述预制混凝土桩内预埋制冷循环管，该制冷循环管上预设热棒套筒；所述基坑上部季节活动层段设置玻璃钢围筒；所述基坑的周围地表埋设保温材料。本实用新型还公开了该多年冻土区桩基础的施工工艺。本实用新型成本低、施工时间短，适用于多年冻土区输电线路工程、桥梁工程、架空管道工程以及房建工程。

Description

一种多年冻土区桩基础

技术领域

本实用新型涉及多年冻土区施工技术领域，尤其涉及一种多年冻土区桩基础。

背景技术

为了支持西藏和青海经济社会发展，国家投入大量人力和财力修建多项重大工程，如青藏公路、青藏铁路、±400kV直流联网工程，以及“十三五”战略规划建设的京藏高速公路青海段和西藏段。青藏高原上的工程面临的一大难题就是冻土问题。对于工程而言，冻土属于不良地基土，易发生冻胀和融沉现象，如果处理措施不当，则会对工程建筑物造成一定的破坏。

桩基础深入冻土层内部，获得了较高的承载力以及长期热稳定性，因此在冻土区得到了广泛的应用。但由于桩基础与深部冻土的直接作用，使得对冻土的热扰动更为剧烈。桩基础对冻土的热扰动主要来自两个方面：第一是基坑开挖过程中的热扰动，第二是混凝土的水化热。第一种是施工过程中不可避免的。所以，有效降低水化热是减少冻土热扰动的重要方面。宁作君（一种多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法，CN105113489A）提出在施工时将热棒插入固定于基础内的套管来降低水化热、缩短回冻时间的方法。该技术具有一定的新颖性，但存在两方面的不足：第一，热棒仅在冬季条件下才能起到降温效果，不适用于暖季施工；第二，热棒对流换热效能缓慢，在较短的施工时间内，难以取得有效的降温效果。

冻土地基对温度变化最为敏感，冻土融化后力学性质显著变差，使得上部工程失稳，所以保持桩周土体处于冻结状态是工程长期安全运营、稳定的关键所在。热棒是保持冻土处于冻结状态的一种有效措施。俞祁浩（增强输电线路塔基冻土基础稳定性的结构，CN202519710U）在塔基周围埋设重力式热棒来保持输电线路塔基热稳定性； 刘纪福（应用于永久冻土地带的热管基础桩，CN2589513）采用环状钢筋将吸热板和热棒固定于桩基础的表面达到给基础降温的目的。上述两个专利具有一定的创新性，但也存在两方面的不足：第一，在塔基周围埋设热棒，由于距基础有一定距离，热棒对基础的降温效果有限且缓慢；第二，将热棒固定于基础的一侧，则只是一侧的降温效果明显，降温效果两侧不平衡。

为了避免施工过程中对冻土的扰动，基础施工均选择在冷季进行，但由于青藏高原冷季极端恶劣自然环境，使得冷季施工质量和施工难度均大大增加。因此，提出能够在暖季施工的新型基础和施工工艺，也是工程实际创新的重要内容。

综上所述，为了满足多年冻土区工程建设的需要，如何能够在保证基础热稳定性的同时，提出一种能够在夏季施工、机械化作业、大大缩短施工时间的新型基础形式及其施工工艺，是对现代化技术和设计中迫切需要解决的一个难题，对于多年冻土区的桩基础设计具有一定的理论意义和工程价值。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种成本低、施工时间短的多年冻土区桩基础。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：该基础包括设在机械或人工成孔的基坑中心的预制混凝土桩及所述预制混凝土桩外部的现浇混凝土；所述预制混凝土桩内预埋制冷循环管，该制冷循环管上预设热棒套筒；所述基坑上部季节活动层段设置玻璃钢围筒；所述基坑的周围地表埋设保温材料。

所述基坑的直径为500~1500mm，深度为6~15m，底部扩孔展开角为15°~25°。

所述预制混凝土桩是指外径或边长为300~900mm、桩长6~15m的预制好的钢筋混凝土圆型或方形实心桩，其桩底呈尖角状，桩身表面设有预制沟槽。

所述制冷循环管或热棒套筒是指内径为70~110mm、厚度为3~6mm的钢制中空管道。

所述热棒套筒内安装1~2根重力式热棒。

所述玻璃钢围筒是指厚度为3~10mm、高度为0.5~3m的玻璃钢制成的围筒。

所述保温材料为聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或几种组合，其直径为2~5m，厚度为5~20mm。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、显著提高降温效能。

第一，本发明采用预制混凝土桩，减少了现浇混凝土的用量，从而减少了水化热的产生；第二，通过制冷机对预制桩内的制冷循环管进行制冷，能快速降低桩周土体温度；第三，本发明将重力式热棒置于其内部，使得热棒能够对桩周土体进行高效降温，保证桩周土体长期处于冻结状态。

2、根本改变桩基稳定性。

第一，本发明在冻土温度有效降低过程中，桩侧冻结力、桩端法向应力可以成倍提高；第二，本发明底端采用扩底设计，能有效提高基础承载力和抗拔力；第三，本发明在季节活动层采用玻璃钢围筒，由于玻璃钢围筒与冻土具有较小的冻结强度，可以将季节融化层冻结、冻胀过程产生的冻拔力减少30~50%，有效避免冻胀力对桩基的破坏过程；上述三个措施的采用，大大提高了桩基的安全系数，桩基稳定性得到根本改变。

3、提高桩基质量。

本发明中预制混凝土桩可保证基础核心受力部位的质量。同时，通过现浇混凝土的两次浇注以及预制桩的插入、挤压作用，可以充分密实浇灌的混凝土，达到桩-冻土之间的密实、紧密接触，保证桩-冻土接触面冻结力的形成与发挥。

4、大幅缩短工程建设周期。

第一，本发明通过在预制桩侧安装制冷循环管，通过循环管与冷冻机相连后循环制冷，在3~5天时间短时间内消除工程施工、混凝土水化热等对冻土的热扰动，可以快速取得冻结强度，能够大幅减少冻结期等待时间；第二，本发明可以通过合理安排基坑开挖、预制桩入坑、混凝土浇筑的时间，能够取得快速施工，流水化作业的成果；上述两个步骤的采用，能够大幅缩短施工建设周期。

5、改善施工条件。

本发明通过在预制混凝土桩侧的制冷循环管对桩周土体的快速、有效降温作用，使得施工对冻土的扰动可以大大降低。所以，该桩基础可以选择在暖季施工，避免冷季施工的诸多不利因素。

6、降低工程建材、时间成本。

第一，在满足相关规范要求的前提下，本发明可以缩短现有桩基埋深30~50%；第二，本发明所采用预制混凝土桩能够降低建材约30~40%；第三，本发明设计的预制混凝土桩具有强度高、不易破损、装卸方便、易于运输等优点，降低了安装及运输成本；第三，本发明能够大幅缩短施工建设周期，大大减少了工程的时间成本。总之，虽然制冷循环管、热棒以及玻璃钢围筒增加了一定的成本，但是与所能达到的工程效果相比，整体工程性价比还是得到极大地提高。

7、具有环保优势。

本发明桩基础具有开挖面积小，施工周期短，热稳定性好，后期病害少等优点，在青藏高原脆弱的自然环境条件下间接起到了保护环境的积极作用。

8、本发明适用于多年冻土区输电线路工程、桥梁工程、架空管道工程以及房建工程。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1-预制混凝土桩；2-现浇混凝土；3-制冷循环管；4-玻璃钢围筒；5-基坑；6—保温材料。

具体实施方式

如图1所示，一种多年冻土区桩基础，该基础包括设在机械或人工成孔的基坑5中心的预制混凝土桩1及预制混凝土桩1外部的现浇混凝土2。预制混凝土桩1内预埋制冷循环管3，该制冷循环管3上预设热棒套筒；基坑5上部季节活动层段设置玻璃钢围筒4；基坑5的周围地表埋设保温材料6。

其中：

基坑5的直径为500~1500mm，深度为6~15m，底部扩孔展开角为15°~25°。

预制混凝土桩1是指外径或边长为300~900mm、桩长6~15m的预制好的钢筋混凝土圆型或方形实心桩，其桩底呈尖角状，桩身表面设有预制沟槽。

制冷循环管3或热棒套筒是指内径为70~110mm、厚度为3~6mm的钢制中空管道。热棒套筒内安装1~2根重力式热棒。

玻璃钢围筒4是指厚度为3~10mm、高度为0.5~3m的玻璃钢制成的围筒。

保温材料6为聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或几种组合，其直径为2~5m，厚度为5~20mm。

该多年冻土区桩基础的施工工艺，包括以下步骤：

⑴根据设计要求制作预制混凝土桩1，并按后续施工进度要求确定养护时间。

⑵根据设计桩径和深度要求，采用机械或人工方式开挖基坑5。机械开挖的条件是指旋挖钻机在冻土中的钻进速度为4~8m/h。

⑶基坑5开挖完成后，浇注现浇混凝土2，并对预制混凝土桩1进行沉桩入坑。

⑷对现浇混凝土2及其内部的预制混凝土桩1进行28天养护。

⑸养护完成后，给预制混凝土桩1内的制冷循环管3接制冷装置，经过3~7天后，基础与其周围冻土快速冻结，产生冻结强度。

⑹在基坑5上部季节活动层段设置玻璃钢围筒4，并在基坑5的周围地表埋设保温材料6。

⑺在制冷循环管3上的热棒套筒内安装重力式热棒，再浇注现浇混凝土2并进行振捣，使地基土在后期运行中始终保持冻结状态，从而达到基础的长期稳定性。

现以输电线路基础为例具体说明本实用新型技术方案。

1、转角铁塔设计基本参数：

（x：垂直于线路方向； y：顺线路方向；z：垂直于地面向上）

2、制作预制混凝土桩4：采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，混凝土强度不低于C40，抗冻等级不低于F100；骨料粒径5~40mm；截面呈圆形，实心，直径为400mm，桩长7.7m；桩底呈尖角状，以利于沉桩；桩身表面预制有沟槽，以增强与混凝土间的粘结强度；桩体内预埋有制冷循环管3，顶面预埋4根底脚螺栓；配筋按预制桩配筋规范配筋；基坑开挖前1月开始在现场预制；

3、基坑5开挖：桩径800mm，埋深7.7m，此阶段可采用旋挖钻机；旋挖钻机在冻土中的钻进速度在4m/h，一基铁塔基础开挖用时约1天；

4、浇注混凝土，基坑5开挖完成后，将预制混凝土桩4立于基坑5中心，用负温早强混凝土灌注，入模温度5~7℃，分层振捣，混凝土强度等级不低于C30；

5、地面以下2m安装玻璃钢围筒3，厚度为5mm；

6、养护，对混凝土及其内部的预制混凝土桩4进行28天养护；

7、养护完成后，给预制混凝土桩4内制冷循环管3接制冷装置，保持制冷循环管3温度在-10℃，经过3~4天后，基础可与其周围冻土快速冻结，产生冻结强度；

8、进行组塔、立塔；

9、在预制混凝土桩4内的制冷循环管3上端安装热棒，使地基土在输电线路后期运行中始终保持冻结状态，从而达到塔基的长期稳定性。

应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种多年冻土区桩基础，其特征在于：该基础包括设在机械或人工成孔的基坑（5）中心的预制混凝土桩（1）及所述预制混凝土桩（1）外部的现浇混凝土（2）；所述预制混凝土桩（1）内预埋制冷循环管（3），该制冷循环管（3）上预设热棒套筒；所述基坑（5）上部季节活动层段设置玻璃钢围筒（4）；所述基坑（5）的周围地表埋设保温材料（6）。

2.如权利要求1所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：所述基坑（5）的直径为500~1500mm，深度为6~15m，底部扩孔展开角为15°~25°。

3.如权利要求1所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：所述预制混凝土桩（1）是指外径或边长为300~900mm、桩长6~15m的预制好的钢筋混凝土圆型或方形实心桩，其桩底呈尖角状，桩身表面设有预制沟槽。

4.如权利要求1所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：所述制冷循环管（3）或热棒套筒是指内径为70~110mm、厚度为3~6mm的钢制中空管道。

5.如权利要求1所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：所述热棒套筒内安装1~2根重力式热棒。

6.如权利要求1所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：所述玻璃钢围筒（4）是指厚度为3~10mm、高度为0.5~3m的玻璃钢制成的围筒。

7.如权利要求1所述的一种多年冻土区桩基础，其特征在于：所述保温材料（6）为聚苯乙烯板、聚氨酯板、注塑聚苯乙烯板中的一种或几种组合，其直径为2~5m，厚度为5~20mm。