集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法与流程

本发明属于建筑工程，更具体地，涉及一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法。

背景技术：

1、冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。我国是世界第三冻土大国，在东北地区以及青藏高原存在广泛的冻土分布。冻土由于冰及未冻水的存在，其性质较为复杂且对温度的变化极为敏感。冻土的力学强度随着温度的改变会发生巨大的变化，温度越低其强度越大，而当温度升高冻土开始融化时，其强度基本丧失。在冻土地区，由于太阳照射桥墩及承台，混凝土结构吸热并储热，并将热量传递给周围土体，进而导致冻土温度升高，冻土线下移，不利于基础受力。可见，冻土区建筑物基础易发生冻胀、融沉等病害，进而造成基础拔起破坏或不均匀沉降，导致基础功能失效。因此在基础设计中，对易发生冻胀、融沉的基础需要采取防护措施，才能保证基础的安全稳定运行。

2、目前，为了解决温度变化引起的基础灾害，现有技术虽采用块石层、保温层、热棒、等技术对冻土进行保护，但均存在一定的局限性。块石层的散热效率低，尤其在夏季高温期间散热作用更低；热棒施工需要挤压基础周围土体，破坏土体原有状态，而且热棒造价较高，制冷液每隔一段时间需要更换，对寒区工程环境影响大，后期养护成本高，工作效率低，有效工作范围小，并且热棒只能降低基础周围土体的温度，无法限制基础和土体之间的热转换；保温层对于高温冻土不适用。

3、因此，亟需一种可有效降低基础及周围土地温度，并且能阻断基础与土体之间的热传导，进而大幅降低对周围冻土的影响，且造价低、便于维护。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法，系统包括桩基础、散热系统、隔热系统和降温系统；散热系统设于承台内，隔热系统设于承台的底部，通过散热系统的散热通风管内的空气流动带走承台吸收太阳辐射而积攒的热量，进而达到承台降温的目的；通过隔热系统的碎石层和隔热层的双层隔热功能，避免承台及桥墩的热量传递给冻土，同时阻止冻土内冷气向外释放；通过降温系统的通风组件将碎石层与外界连通，降低隔热层的温度，有效的保护天然冻土，进而降低冻土基础的融沉病害；本发明能够有效降低基础及周围土地温度，并且能阻断基础与土体之间的热传导，进而大幅降低对周围冻土的影响，且造价低、便于维护。

2、为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统，包括桩基础、散热系统、隔热系统和降温系统；其中，

3、所述桩基础包括由上而下依次布置的桥墩、承台以及桩基；所述散热系统设于所述承台内；所述散热系统包括设于所述承台内纵横交织的散热通风管和设于各个散热通风管端部的第一喇叭口；所述隔热系统设于所述承台的底部，包括设于所述桩基的外壁与所述土体之间的碎石层、隔热层以及垫层；所述垫层裸露于地表的部分设有排风组件；所述降温系统包括将所述碎石层与外界相连通的通风组件和设于所述通风组件上的阀门；

4、通过散热通风管内的空气流动带走承台吸收太阳辐射而积攒的热量，进而达到承台降温的目的；通过所述隔热系统的双层隔热的功能，避免承台及桥墩的热量传递给冻土，同时阻止冻土内冷气向外释放；通过所述通风组件将碎石层与外界连通，降低所述隔热层的温度，进而降低冻土基础的融沉病害。

5、进一步地，所述散热系统、隔热系统和降温系统均为无动力系统。

6、进一步地，纵向与横向的散热通风管在交接处均互相连通。

7、进一步地，所述碎石层、隔热层以及垫层在土体内由下而上依次布置；

8、所述垫层与承台底部密贴，兼做承台施工垫层，部分裸露在地表；

9、所述隔热层在所述碎石层上，且隔热层较碎石层的面积大。

10、进一步地，所述排风组件的一端伸入所述碎石层内，另一端与空气连通；

11、所述排风组件包括预埋于碎石层内的第二喇叭口、设于所述第二喇叭口上的竖直管以及设于所述竖直管远离所述第二喇叭口一端的180度弯头。

12、进一步地，所述通风组件为无动力冷风接入设备，其包括设于所述碎石层内的第三喇叭口，设于所述第三喇叭口上的内通风管，均匀设于所述内通风管上的多个外通风管以及设于各个所述外通风管远离所述内通风管一端的入风口；

13、所述阀门在各个所述入风口上分别设置；

14、每个所述入风口与所述承台之间设有入风口固定架。

15、进一步地，所述入风口设于所述承台的上方，其开口方向与所述承台的上表面平行；

16、各个所述入风口分别设置在不同的方向，用以保证每个方向来风均可将冷空气导入碎石层；

17、所述内通风管部分向下依次伸入所述承台下方的垫层、隔热层、碎石层，部分向上伸入所述承台内；

18、所述外通风管部分位于所述承台内，部分延伸到承台的上方，与所述入风口相接；

19、所述阀门设于所述外通风管与所述入风口的连接处。

20、进一步地，所述入风口为变截面形状，其底部设有不小于5％的向下的坡度；

21、所述入风口的最低点和所述外通风管与所述入风口相接处的最低点之间高度差为h＝0.05～0.1m。

22、进一步地，所述第三喇叭口、所述内通风管、所述外通风管以及所述入风口均采用耐候钢或不锈钢材质。

23、本发明的另一个方面提供一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统的施工方法，应用上述的集隔热和降温为一体的冻土区基础系统实现，包括如下步骤：

24、s100：桩基础施工；

25、s200：开挖隔热系统基坑、基坑内回填碎石层、碎石层内排风组件和部分降温系统的预埋；待桩基混凝土达强度后破除桩头，并开挖隔热系统的基坑，开挖到位后迅速回填碎石，同时在碎石层内预埋隔热系统的排风组件、降温系统的第三喇叭口和部分内通风管；

26、s300：隔热系统的隔热层、垫层施工；碎石回填到位后，在碎石层上铺设隔热层，在隔热层上浇筑素混凝土封闭作为垫层，使得所述排风组件的第二喇叭口位于碎石层内，竖直管的部分位于垫层及以下，部分裸露在垫层上方空气中；

27、s400：承台、散热系统和另一部分降温系统的施工；浇筑承台的混凝土，同时在所述承台的混凝土内预埋散热系统的散热通风管和设于各个散热通风管端部的第一喇叭口，使得各个第一喇叭口的端部与承台的侧面平齐；预埋降温系统的各个外通风管，使各个外通风管远离所述内通分管的一端裸露在承台的上面，并在各个所述外通风管的端部分别安装入风口；

28、s500：散热系统和降温系统的通风性能测试及入风口固定架的安装；待承台的混凝土达强度后，拆除承台的施工模板，测试散热系统和降温系统的通风性能，之后在所述承台的上表面与各个所述入风口之间分别安装入风口固定架；

29、s600：桥墩及其他上部结构的施工；在所述承台的上面施工桥墩及其他上部结构。

30、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

31、(1)本发明的一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法，通过在承台内设置双向交叉连通的散热通风管，在自然风的作用下，通过散热通风管内的空气流动带走承台内的热量，进而达到降低承台温度的目的；在承台底和土体接触的区域设置隔热系统，通过其隔热层和碎石层的双层隔热的功能，避免承台及桥墩的热量传递给冻土，同时阻止冻土内冷气向外释放；通过在承台内设降温系统，将碎石层与外界连通，利用风对流产生的风压，将外界的冷空气引入到碎石层，利用冷空气密度大，向下沉，暖空气密度小，往上升的原理，在碎石层的底部将会汇集冷空气，而暖空气通过顶部设置的排风口排出，而且碎石层顶部设置了隔热层，这样就能将冷空气留在碎石层里，进而降低周围土体的温度，更好的保护了冻土不融化，进而降低冻土基础的融沉病害。

32、(2)本发明的一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法，通过设置180度弯头使得排风组件与空气连通的一端开口向下，避免通过排风组件向碎石层内渗水；隔热层与碎石层均具有隔热的效果，能够实现双层隔热功能；隔热层在碎石层上，且较碎石层的面积大，在隔热层上浇筑素混凝土垫层，既可以将从外界进入的冷空气留在碎石层里，又能保证隔热系统的密封性，同时垫层还可以作为承台施工底模。

33、(3)本发明的一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法，将纵向与横向的散热通风管在交接处设为互相连通，能够保证各个方向的风均可穿过散热系统，同时通过在散热通风管的端部设置第一喇叭口，提高散热系统的整体通风量，进而更好地带走承台吸收太阳辐射而积攒的热量，进而达到承台降温的目的。

34、(4)本发明的一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法，降温系统的入风口设计为变截面形状，能够更好的吸收冷风，其底部设有不小于5％的向下的坡度，同时将入风口的最低点和外通风管与入风口相接处的最低点之间高度差设计为0.05～0.1m，进而保证雨水及风中携带的沙子不进入所述外通风管内，避免雨水进入管道破坏冻土和沙子进入管道引起管道堵塞。

35、(5)本发明的一种集隔热和降温为一体的冻土区基础系统及施工方法，通过在降温系统的每个外通风管与相应入风口的连接处设置阀门，在寒季打开阀门，使外界冷空气对流产生风压，依次通过入风口、外通风管、内通风管以及第三喇叭口传入碎石层，冷空气密度大在碎石层底部汇集，由于隔热层的作用冷空气储存在碎石层内，而原碎石层内的暖空气由于密度小，上浮后通过排风组件排出；暖季关闭阀门，外界暖空气无法进入隔热层内，进而有效提高冻土上限。