一种冻土区防冻拔的桩基结构及其使用方法

本发明属于桩基工程，特别涉及一种冻土区防冻拔的桩基结构及其使用方法。

背景技术：

1、随着国家经济的不断发展，对于西部地区的基础建设越来越多，在对这些地区的基础建设中发现大量桩基础会因为受到土的季节性冻融而产生冻拔现象，导致桩基础发生断裂。冻土区的桩基础一般埋置深度在冻土线以下，在冬季极易发生冻拔现象。对于这一问题的主要原因，桩基础的底面和侧面直接与土体接触，在土体发生冻胀时，在桩基础表面会产生切向摩擦力，导致桩基础发生破坏。为了针对这一现象所造成的灾害，研究者们一直在不断探索和解决这一问题，对于这个问题，大部分学者采用加装护筒或者控制温度的方法。

2、为了解决新疆的基础建设和环境污染问题，促进西部地区经济发展，国家加大了对新疆地区的基础建设，因此越来越多的基础建设工程在高山冻土地区开展，冻土地区的项目由于地理位置和气候的问题，会发生冻拔现象，对结构的稳定性造成极大的损害。新疆地区具有极大的资源优势，拥有丰富的光热资源和风能资源，新疆是中国日照时间最多的省区之一，年平均日照时数达2817.70小时，热资源开发前景十分广阔。新疆是多风地区，风次多，延续时间长，年风能理论蕴藏量为3万亿千瓦时左右。风季一般为3～6月及8～9月，风向主要为西北和东北风，风力一般5～9级，最大可达10～12级。新疆是风能资源最为丰富的地区，年平均有效风能在每平方米10800兆焦耳左右。

3、目前的技术中，通常采用加装护筒，这种方法会增加护筒的磨损程度，在实际应用中，如果护筒损坏，想要替换是一件非常困难的事情，而采用主动降温的方法保护桩基础，对于能源的消耗是巨大的问题，需要改进。

技术实现思路

1、本发明提供一种冻土区防冻拔的桩基结构及其使用方法，能够解决现有技术中的如果桩基基础外围的护筒损坏，想要替换是一件非常困难的事情，而采用主动降温的方法保护桩基础，对于能源的消耗是巨大，无法做到既能节约能源又可以减少损耗效果的问题。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提出了一种冻土区防冻拔的桩基结构，该冻土区防冻拔的桩基结构包括上部土壤层(13)和位于上部土壤层(13)下方的冻土层(14)，所述冻土层(14)中设置有圆台护筒(6)，所述圆台护筒(6)内固定设置有桩基础(9)；所述桩基础(9)穿过所述上部土壤层(11)，并延伸至所述上部土壤层(11)外；

4、所述圆台护筒(6)与所述桩基础(9)之间接触位置设置有橡胶护垫(10)，所述圆台护筒(6)与所述桩基础(9)侧面之间还设置有保温材料(11)和8个加热罐(5)，每个加热罐(5)内设置有加热棒(4)，所述圆台护筒(6)内壁上设置有网状的内置管道(7)，所述内置管道(7)与所述加热罐(5)连通；

5、所述圆台护筒(6)表面上设置有填充物进口(12)和力学传感器(8)；所述上部土壤层(13)上设置有发电装置(1)、与所述发电装置(1)电性连接的电力控制中心(2)，所述电力控制中心(2)通过输电线(3)与所述加热棒(4)电性连接，所述电力控制中心(2)通过信号线与所述力学传感器(8)电性连接。

6、根据本发明一可选实施例，所述发电装置(1)为太阳能发电板和/或者小型风力发电装置。

7、根据本发明一可选实施例，所述电力控制中心(2)根据力学传感器的反馈，将电力输送给发热棒；所述电力控制中心(2)内部设置有大容量蓄电池和一个控制器；所述电力控制中心(2)内部根据程序设置三级能耗，一级能耗为控制2个加热棒工作，二级能耗为控制4个加热棒工作，三级能耗为控制8个加热棒工作。

8、根据本发明一可选实施例，所述力学传感器(8)为小型灵敏的力学传感器传感器，保持一直保持工作状态；所述力学传感器(8)与所述上层土壤层(13)接触，当所述冻土层(14)冻胀产生向上的竖直力开始推动圆台护筒(6)向上位移时，即刻传输收集到的力的大小到所述电力控制中心(2)。

9、根据本发明一可选实施例，所述加热罐(5)为圆柱形结构，所述加热罐(5)顶部设置有安装孔，所述安装孔以方便安装方便所述加热棒(4)；所述加热罐(5)侧面设置有连接孔，所述连接孔用于连接内置管道(7)，所述加热罐(5)内填充有盐水。

10、根据本发明一可选实施例，所述圆台护筒(6)为凸台结构，且所述圆台护筒(6)的大底面朝上；所述圆台护筒(6)的材料为3cm厚的高强度钢材。

11、根据本发明一可选实施例，所述保温材料(11)为沙子，所述内置管道(7)结构由多个铝管组成，各个铝管连接点均连通。

12、本发明还提供一种如上述实施例中的冻土区防冻拔的桩基结构的使用方法，所述使用方法包括：

13、步骤s1，将发电装置产生的电能储存到电力控制中心，电力控制中心根据力学传感器传回的数据进行判断，若判断上部土壤层未发生冻拔，即可停止工作，若判断上部土壤层开始发生冻拔，即传导电力至加热罐里的加热棒上，使加热棒工作；

14、步骤s2，力学传感器在接通电源后开始工作，在回填完上部土壤层后，并夯实后清零；在冻土层内的土发生冻胀，冻胀土对圆台护筒产生切向作用力，在切向作用力的作用下，产生一个竖直向上的力，在这个竖直向上的力大于圆台护筒以及上部土壤层压力之和时，会推动圆台护筒向上位移；力学传感器设置在圆台护筒上方，当圆台护筒与上部土壤层产生压力时，力学传感器将所测量压力数据传给导电力控制中心；

15、步骤s3，电力控制中心在接收到传回的压力数据，随即对压力数据进行分析，对于不同的压力采取不同的加热效能，该圆台护筒内部设置8个加热罐和加热棒；电力控制中心对于能效设置三个等级，一级能效为开启2个加热棒，二级能效为开启4个加热棒，三级能效为开启8个加热棒；在对力学传感器传回的压力数据分析后，若产生挤压力，即可传导数据给电力控制中心，电力控制中心开始打开一级能效，给2个加热棒通电进行加热，加热后的盐水，会将温度传导给圆台护筒外壁，然后继续传导给冻土层的土壤，从而升高其外侧土层温度，减小其冻胀力大小；若过段时间收到力传感器的数据依然是增高的，且增快速度越来越大，即可采用二级能效，在二级能效的条件下隔段时间还是继续增长，即可采用三级能效；待力传感器反馈的力的大小逐渐降低，则电力控制中心开始将高能级调整为低能级，待到反馈数据为0时，即可关闭加热棒电源。

16、根据本发明一可选实施例，步骤s1还包括：在工厂预制加工圆台护筒；预制加工过程时要预留好桩基础的凹槽，以及内部装有加热罐的位置，在工厂加工完成后，运送到施工地点，然后打开填充物进口填装保温材料，考虑到地域原因，优先在其内部填充沙子，也可以选择其他保温材料。

17、本发明较之于现有技术具有突出的有益效果，具体如下：(1)、本发明的冻土区防冻拔的桩基结构结构简单，设计合理。(2)、由于在新疆西藏地区需求范围广，本发明的冻土区防冻拔的桩基结构能够大范围的推广和使用。(3)、本发明的发电装置充分利用当地的太阳能和风能等清洁能源，做到绿色环保。(4)、本发明的冻土区防冻拔的桩基结构结构控温效果好，温度传导均匀。(5)、对于冻土区的桩基础，本发明的冻土区防冻拔的桩基结构结构能够兼顾减少能源损耗以及装置损耗，具有更全面性。(6)、本发明设计的圆台护筒，对于埋置在冻土区内的桩基础保护性更强，能够充分发挥他的优势。(7)、采用主动降温和加装护筒相结合的方式，其一，设置圆台护筒，其外部倾斜的角度，可以将切向摩擦力分解成一个竖直向上以及一个水平向外的力，从而减小冻土对于桩基础的冻拔效果。其二，加装主动降温的装置，对于桩基础周围的土层具有控制温度的效果，这样可以解决土层内的水分因外部温度太低而不断冷凝膨胀。