CN213741011U - 一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩，包括管状壳体及其两端封盖，壳体内装有液体工作介质；热桩由散热段、绝热段、蒸发段依次构成；散热段上部壳体外壁设有散热翅片，在散热段顶端设有法兰，在散热段端封盖设有介质充液口管，散热段端的封盖上设有中心测温管，中心测温管伸入散热段。本实用新型热桩是一种大尺寸、可承载的低温热桩，适用在寒区铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等桩基础及输电线路塔基，通过在散热段顶端设有法兰和桩基础承台进行法兰连接，利用单向传热机理，热量只能从下向上传热，而不能从上向下传递，大气中的热量就不会传到多年冻土中，从而保持“冻土不融”，防治冻土地基冻胀和融沉，保证冻土地基稳固。

Description

一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩

技术领域

本实用新型属于寒区冻土冻胀融沉防治技术领域，涉及一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩，具体涉及一种适用在寒区铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等桩基础及输电线路塔基的防治地基冻胀和融沉的热桩，用于稳定冻土地基、防治山体滑坡等。

背景技术

冻土是指零摄氏度以下、并含有冰的各种岩石和土壤。冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度，由于这一特征，在冻土区修筑工程构筑物就面临两大危险：冻胀和融沉。在秋冬季，随着气温逐渐降低，冻土活动层缓慢冻结，由于土体中自由水结冰发生冻胀，寒区铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等桩基础及输电线路塔基桩侧将产生不可忽视的冻拔力，切向冻胀力逐渐增加，甚至大于桩体自重、上部荷载、融土层的侧摩阻力，导致桩基础整体上拔，若桩体本身强度不够，则被局部拔断。在春夏季，随着气候变暖，冻土层会不断退化，在冻土地区冻土的膨胀、融沉会造成路基的沉陷变形、山坡热融滑塌、涵洞开裂、输电线塔基发生倾斜等。冻胀和融沉是寒冷地区铁路、公路、输电线路等建设工程中需要解决的主要关键技术问题。

目前，桩基础常用混凝土灌注桩或者混凝土预制桩。桩基础施工破坏多年冻土上覆层、携带大量热侵蚀冻土，桩基材料良好的导热性加强了桩周冻土与大气的热交换，导致桩周地温年较差明显增大，造成融沉，同时削弱了桩基的冻结力，更容易发生冻拔现象。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种适用在寒区铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等桩基础及输电线路塔基热桩，能够防治地基冻胀和融沉，从而能够稳定冻土地基、防治山体滑坡。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩，包括管状壳体1以及设于壳体两端的封盖，壳体内装有液体工质；热桩由散热段、绝热段、蒸发段依次构成，绝热段和蒸发段埋入多年冻土中；散热段上部壳体外壁设有散热翅片2，在散热段顶端设有法兰3用于和铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等的桩基础承台进行法兰连接，在散热段端封盖设有介质充液口管 4，散热段端的封盖上设有中心测温管5，中心测温管5伸入散热段，中心测温管5伸入散热段的一端连有毫安计用以测量气体工质的温度；绝热段壳体外表面包覆有绝热材料形成绝热层。

基于铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等的桩基础承台的承载力和抗弯强度需求，所述的管状壳体1为Q345无缝钢管或者满足强度要求的碳钢管。所述的管状壳体1的直径大于300mm，长度为6000～15000mm。

所述的液体工质为液氨或工业液体二氧化碳。

所述的中心测温管5为一金属管体，其端部为平滑平面结构，中心测温管不与管状壳体 1内的液体工作介质接触。

所述的中心测温管5由固定支架6固定；所述的固定支架6为金属环或不锈钢丝，固定支架固定在壳体内壁。

所述的热桩的散热段无翅片段的高度为寒区年平均积雪厚度，确保积雪不会掩盖上部散热翅片。所述的散热段壳体的内壁上涂覆有低表面能冷凝涂层，提高冷凝效率。

所述的散热翅片2为开花锯齿(纵向或横向)翅片、螺旋翅片或U型翅片。

所述的散热翅片2、热桩的散热段光管外壁、热桩的绝热段壳体外壁镀锌或镀有柔性搪瓷等形成防腐蚀耐磨涂层；热桩的蒸发段壳体外壁上涂有环氧富锌漆、氯化橡胶漆或沥青漆等防腐层。

所述的热桩的蒸发段壳体外壁为光滑面或设有螺纹7，通过设有螺纹以方便热桩安装。

作为本实用新型防治寒区冻土冻胀融沉的热桩进一步的优选技术方案，所述的蒸发段设有尖状端头8，尖状端头为外壁光滑的端头或外壁带螺纹的端头。

本实用新型热桩用于冻土治理的原理：在寒冷季节，由于空气温度低于多年冻土温度，热桩中的液体工质吸收多年冻土中的热量，蒸发成气体(吸收汽化潜热)，沿热桩中心通道向上流动至散热段，遇到较冷的管壁放出汽化潜热，冷凝成液体，再在重力的作用下，沿管壁流回蒸发段，如此循环把地基多年冻土中的热量传输到大气中。在温暖季节，外界空气温度高于多年冻土温度，液体工质蒸发的蒸汽到达散热段后无法冷凝，热桩内达到气液相平衡，液体停止蒸发、热桩停止工作。利用这一单向传热机理，热量只能从下向上传热，而不能从上向下传递，这样大气中的热量就不会传到多年冻土中，从而保持“冻土不融”，保证冻土地基稳固。热桩埋入多年冻土上限以下2m，热棒工作迅速降低热桩周边冻土温度，提高热桩与周边冻土冻结力，增加热桩抗拔稳定性。相比混凝土灌注桩，达到相同抗拔稳定性时热桩埋入多年冻土深度可以减少2～3m。

本实用新型的有益效果：

本实用新型热桩是一种大尺寸、可承载的低温热桩，适用在寒区铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等桩基础及输电线路塔基，通过在散热段顶端设有法兰和铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等的桩基础承台进行法兰连接，能够防治冻土地基冻胀和融沉，稳定冻土地基、防治山体滑坡等。

本实用新型热桩在散热段壳体外壁上设有翅片结构，可提高传热系数，在热桩散热段的内壁上涂覆有低表面能冷凝涂层，可提高工作介质的冷凝效率，增加热桩的传送功率。

本实用新型热桩的蒸发段壳体外壁涂有环氧富锌漆、氯化橡胶漆或沥青漆等防腐层，提高蒸发段的防腐蚀能力和热桩的工作使用年限。

本实用新型的蒸发段壳体外壁上设有螺纹，蒸发段封盖上设有尖状端头或螺纹尖状端头，大大减小了热桩安装的工程难度；蒸发段壳体外壁涂有环氧富锌漆、氯化橡胶漆或沥青漆等防腐层，提高蒸发段的防腐蚀能力和热桩的工作使用年限。

附图说明

图1为实施例1防治冻土地基冻胀融沉的热桩的结构示意图；

图2为实施例1防治冻土地基冻胀融沉的热桩的散热翅片的布置示意图；

图3为实施例1防治冻土地基冻胀融沉的热桩的法兰的示意图；

图4为实施例2防治冻土地基冻胀融沉的热桩的法兰的示意图；

图中，1-管状壳体，2-散热翅片，3-法兰，4-介质充液口管，5-中心测温管，6-固定支架，7-螺纹，8-尖状端头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图1-图3所示，一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩，包括管状壳体1以及设于壳体两端的封盖，壳体内装有液体工质；热桩由散热段、绝热段、蒸发段依次构成，绝热段和蒸发段埋入多年冻土中；散热段上部壳体外壁设有散热翅片2，散热段下部无翅片段的高度为寒区年平均积雪厚度，在散热段顶端设有法兰3用于和铁路、公路、输油和输气管线、房屋建筑等的桩基础承台进行法兰连接，在散热段端封盖设有介质充液口管4，散热段端的封盖上设有中心测温管5，中心测温管5伸入散热段并由固定支架6固定，中心测温管5伸入散热段的一端连有毫安计用以测量气体工质的温度。

所述的管状壳体1为Q345无缝钢管。所述的管状壳体1的直径为325mm，长度为6000～10000mm。

所述的中心测温管5为一金属管体，其端部为平滑平面结构。

所述的固定支架6为固定在壳体内壁的金属环或不锈钢丝。

所述的管状壳体1内壁为光滑平面结构或螺旋或直齿槽道结构。

所述的散热翅片2为纵向开花锯齿翅片；散热翅片2采用高频焊或熔化焊与管状壳体1 散热段外壁焊接连接；散热翅片及散热段外壁光管部分镀锌或镀有柔性搪瓷等材料形成防腐蚀耐磨涂层，具有很强的防腐效果和耐磨性。散热段壳体内壁表面涂覆有低表面能冷凝涂层。寒冷季节时，蒸发段的液体工作介质吸收多年冻土层的热量使其介质蒸发成气体，上升到散热段遇冷，在散热段内管壁上冷凝成液体回落到蒸发段，散热段内壁低表面能冷凝涂层可减少工作介质在内壁上的液面薄膜厚度和附着时间，提高工作介质的冷凝效率、加速散热，从而提高传热功率。

所述的绝热段壳体外表面包覆有绝热材料形成绝热层。

所述的蒸发段壳体外壁是光滑面结构或设有安装螺纹7，蒸发段壳体外壁上涂有环氧富锌漆、氯化橡胶漆或沥青漆等形成防腐层。若设置有安装螺纹7，在进行热桩安装作业时，可沿螺纹螺旋方向将热桩旋入冻土层中。蒸发段安装螺纹结构，减小了热桩安装的难度，避免了大力拔插对热桩管壁造成的损害，降低了液体工质泄漏的风险，同时减少了开孔填装沙土的空隙率，提高热桩功率。

管状壳体1内的液体工质为液氨(NH₃)或二氧化碳。所述介质充液口管4同时为热桩内的抽真空排放口、充液口和更换液体的排出口。

本实施例热桩用于冻土治理的原理：在寒冷季节，由于空气温度低于多年冻土温度，热桩中的液体工质吸收多年冻土中的热量，蒸发成气体(吸收汽化潜热)，沿热桩中心通道向上流动至散热段，遇到较冷的管壁放出汽化潜热，冷凝成液体，再在重力的作用下，沿管壁流回蒸发段，如此循环把地基多年冻土中的热量传输到大气中。在温暖季节，外界空气温度高于多年冻土温度，液体工质蒸发的蒸汽到达散热段后无法冷凝，热桩内达到气液相平衡，液体停止蒸发、热桩停止工作。利用这一单向传热机理，热量只能从下向上传热，而不能从上向下传递，这样大气中的热量就不会传到多年冻土中，从而保持“冻土不融”，保证冻土地基稳固。热桩埋入多年冻土上限以下2m，热棒工作迅速降低热桩周边冻土温度，提高热桩与周边冻土冻结力，增加热桩抗拔稳定性。相比混凝土灌注桩，达到相同抗拔稳定性时热桩埋入多年冻土深度可以减少2～3m。

实施例2

在实施例1防治冻土地基冻胀融沉的热桩的基础上，如图4所示，在所述的蒸发段设有尖状端头8，尖状端头为外壁光滑的端头或外壁带螺纹的端头。蒸发段安装光滑或带螺纹的尖状端头8，结合螺纹结构，减小了热桩安装的难度，避免了大力拔插对热桩管壁造成的损害，降低了液体介质泄漏的风险，同时减少了开孔填装沙土的空隙率，提高热桩功率。

Claims (10)

1.一种防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于包括管状壳体以及设于壳体两端的封盖，壳体内装有液体工作介质；热桩由散热段、绝热段、蒸发段依次构成，绝热段和蒸发段埋入冻土中；散热段上部壳体外壁设有散热翅片，在散热段顶端设有法兰用于和桩基础承台进行法兰连接，在散热段端封盖设有介质充液口管，散热段端的封盖上设有中心测温管，中心测温管伸入散热段，中心测温管伸入散热段的一端连有毫安计用以测量气体工作介质的温度；绝热段壳体外表面包覆有绝热材料形成绝热层。

2.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的管状壳体为Q345无缝钢管或者碳钢管；所述的管状壳体的直径大于300mm。

3.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的中心测温管为一金属管体，其端部为平滑平面结构，中心测温管不与管状壳体内的液体工作介质接触。

4.根据权利要求1或3所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的中心测温管由固定支架固定；所述的固定支架为金属环或不锈钢丝，固定支架固定在壳体内壁。

5.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的散热段无翅片段的高度为寒区年平均积雪厚度。

6.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的散热段壳体的内壁上涂覆有低表面能冷凝涂层。

7.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的散热翅片为纵向或横向的开花锯齿翅片、螺旋翅片或U型翅片。

8.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的散热翅片、热桩的散热段光管外壁、热桩的绝热段壳体外壁设有防腐蚀耐磨涂层；热桩的蒸发段壳体外壁上设有防腐层。

9.根据权利要求1所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的热桩的蒸发段壳体外壁为光滑面或设有螺纹。

10.根据权利要求1或9所述的防治冻土地基冻胀融沉的热桩，其特征在于所述的蒸发段设有尖状端头，尖状端头为外壁光滑的端头或外壁带螺纹的端头。

Images