高温冻土区防融沉桩基、施工方法及其承载性能提升方法与流程

本技术涉及冻土区桩基，具体而言，涉及一种高温冻土区防融沉桩基、施工方法及其承载性能提升方法。

背景技术：

1、近年来，在全球气候升温和人类工程活动的双重影响下，多年冻土逐渐退化，越来越多的低温冻土向高温冻土转化，未来青藏高原上温度以-1.5℃～-0.5℃的高温冻土将占据主导地位。同时，高频冻融、强辐射、大温差等高原极端气候愈演愈烈，导致高温多年冻土区冻胀融沉病害尤为突出，如桩基冻拔、热融沉降及输油管线冻胀变形等，进而使得该地区逐渐出现交通基础设施病害及结构承载性能劣化等不容忽视的问题。

2、多年冻土区交通、电力、房建等工程活动越发频繁，未来青藏高速公路、青藏高速铁路及北莫高铁等高等级工程结构将在多年冻土区陆续建设，而高等级工程对结构沉降或过渡段差异沉降要求非常严苛，这对基础的稳定性提出了更高的要求。桩基础因其承载力高、变形稳定是多年冻土区首选的基础形式。

3、然而，越来越多的研究结果表明，在高温多年冻土区采用灌注桩基础时存在弊端和不足，主要表现为两个方面：一方面，灌注桩水化热会对冻土地基产生强烈的热扰动，影响桩土冻结强度及承载力的形成时间；另一方面，桩基本身作为良好的热导体，能将夏季太阳辐射能量向下传导给高温冻土，加速冻土融化，冬季水分迁移引起土体冻胀变形，如此往复循环会导致桩基承载力不足或冻胀变形严重。

技术实现思路

1、本技术的目的在于，针对上述技术中的不足，提供一种高温冻土区防融沉桩基、施工方法及其承载性能提升方法。

2、为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：

3、本技术实施例提供一种高温冻土区防融沉桩基，包括制冷装置以及底端埋设于冻土层内的桩体，制冷装置的制冷管预设于桩体中，用于与桩体进行热交换，在桩体的底端设置凸出于桩体周壁的扩大头结构，在桩体的周壁还设置有多个用于与桩体周侧的土体咬合的凹槽。

4、可选地，高温冻土区防融沉桩基还包括第一温度传感器、水分传感器、中央控制器和控制器，中央控制器用于根据水化热模型计算扩大头结构的水化热，第一温度传感器和水分传感器设置在至少部分凹槽内，第一温度传感器用于采集桩体周侧土体的温度信息，水分传感器用于采集桩体周侧土体的未冻水含量，第一温度传感器、水分传感器和控制器分别与中央控制器电连接，制冷装置与控制器电连接，中央控制器还用于根据温度信息和未冻水含量得出桩体热传导及土体吸收的外界热量，其中，桩体热传导及土体吸收的外界热量包括土体显热和冰水相变潜热，中央控制器根据扩大头结构的水化热、土体显热和冰水相变潜热得出目标制冷功率和目标制冷时长，并经一组或多组高温冻土区防融沉桩基的控制器控制对应的制冷装置按照目标制冷功率和目标制冷时长工作。

5、可选地，高温冻土区防融沉桩基还包括数采仪和无线传输器，第一温度传感器、水分传感器和无线传输器分别与数采仪信号连接，无线传输器与中央控制器信号连接，数采仪用于获取由第一温度传感器和水分传感器采集到的温度信息和未冻水含量，无线传输器用于将由数采仪获取到的温度信息和未冻水含量无线传输至中央控制器。

6、可选地，制冷装置包括制冷管、储能器和制冷组件，制冷管螺旋环绕于桩体内，储能器和制冷组件依次串接于制冷管的两端口之间，储能器用于对制冷管内的制冷剂进行初次降温，制冷组件用于对初次降温后的制冷剂再次降温。

7、可选地，制冷组件包括冷凝器、节流器、储液池以及用于冷却制冷管的压缩机，压缩机的输出端依次经冷凝器和节流器与制冷管的输入端相连，压缩机的输入端依次经储能器和储液池与制冷管的输出端相连。

8、可选地，在制冷管的输出端和输入端分别设置有第二温度传感器。

9、可选地，制冷管包括平行且螺旋环绕于桩体内的供液段和回液段，供液段的输入端与回液段的输出端均位于桩体的顶端，供液段的输出端与回液段的输入端均位于桩体的底端，且供液段的输出端与回液段的输入端相互连通。

10、可选地，桩体具有位于冻土层上方的第一段，在第一段的周壁设置有防腐涂层以及位于防腐涂层外的制冷涂层，也即，防腐涂层和制冷涂层位于冻土层上方，所述防腐涂层包括环氧封闭底漆、环氧云铁中间漆及氟碳面漆，制冷涂层采用具有超双疏功能的荧光和辐射制冷材料、二氧化钒及聚四氟乙烯中的任一种。

11、可选地，至少部分凹槽沿桩体的轴向间隔分布。

12、可选地，扩大头结构为现浇结构，桩体为预制桩体，且预制桩体嵌入于现浇结构。

13、可选地，扩大头结构直径是桩体直径的1.2倍至1.5倍，扩大头结构的高度为1m至1.5m。

14、可选地，高温冻土区防融沉桩基还包括发电装置，发电装置为光伏发电装置或风光一体发电装置，发电装置分别与制冷装置、中央控制器、控制器、第一温度传感器和水分传感器电连接。

15、本技术实施例还提供一种高温冻土区防融沉桩基的施工方法，方法适用于上述任一种的高温冻土区防融沉桩基，方法包括：

16、预制桩体，其中，桩体内埋设有制冷装置的制冷管，桩体的周壁具有多个凹槽；

17、在冻土区内钻设延伸至冻土层内的桩孔，并对桩孔的底端扩孔形成扩孔端，桩孔的孔径小于桩体的直径；

18、向扩孔端内注浆形成待凝固体；

19、在待凝固体凝固前，将桩体沉入桩孔，使桩体的底端嵌入待凝固体内，且凹槽与桩体周侧的土体咬合；

20、经预设时间，待凝固体凝固以形成位于桩体底端的扩大头结构；

21、在冻土区安装制冷装置，制冷装置经制冷管与桩体进行热交换。

22、可选地，桩体具有位于冻土层上方的第一段，方法还包括：

23、在第一段的周壁涂覆防腐涂层；

24、在防腐涂层外涂覆制冷涂层。

25、本技术实施例还提供一种高温冻土区防融沉桩基的承载性能提升方法，高温冻土区防融沉桩基包括相互接触以进行热交换的制冷装置和桩体，方法适用于上述任一种的高温冻土区防融沉桩基，方法包括：

26、获取桩体周侧土体的温度信息和未冻水含量；

27、根据温度信息和未冻水含量判断桩体周侧土体是否冻结；

28、根据桩体周侧土体是否冻结的判断结果控制制冷装置的工作状态。

29、可选地，在桩体的底端现浇有扩大头结构，根据桩体是否冻结的判断结果控制制冷装置的工作状态包括：

30、若桩体周侧土体未冻结，则根据水化热模型计算扩大头结构的水化热，并根据温度信息和未冻水含量得出土体显热和冰水相变潜热；

31、根据扩大头结构的水化热、土体显热和冰水相变潜热得出桩体周侧的土体总吸热量；

32、根据总吸热量控制制冷装置按照目标制冷功率和目标制冷时长工作。

33、可选地，根据水化热模型计算扩大头结构的水化热，并根据温度信息和未冻水含量得出土体显热和冰水相变潜热包括：

34、q1＝vc(wc+kf)q0·(1-e-mt)，其中，q1为扩大头结构的水化热；t为龄期；q0为t→∞时的最终水化热(kj/kg)；vc为扩大头结构的混凝土总体积(m3)；wc为单位体积混凝土的水泥用量(kg/m3)；f为混合材料用量(kg/m3)；k为折减系数；m为与混凝土入模温度相关的经验系数；

35、q2＝cm(t2-t1)，

36、其中，q2为土体显热；c为土体的质量比热(j/kg·℃)；m为桩体周侧土体的质量(kg)；t1和t2为桩体周围的土体对应两时刻的温度信息(℃)；ρ、v、h分别为土体密度(kg/m3)、体积(m3)和深度(m)；l为桩长(m)；cf和cu分别为冻土和融土的质量比热(j/kg·k)；l为水的相变潜热；w和wi分别为冻土的总含水量和含冰量；tp、tb分别为冻土相变区间上、下限的温度(℃)；

37、q3＝lδwum，其中，q3为冰水相变潜热；wu为未冻水含量；h1和h2分别为冻土区的活动层厚度和冻土层厚度。

38、本技术的有益效果包括：

39、本技术提供了一种高温冻土区防融沉桩基、施工方法及其承载性能提升方法，本技术通过将制冷装置的制冷管预设于桩体中，通过热交换的方式调节了桩体周侧土体的温度，减缓了冻土的融化速度，从而延缓了桩体受力环境的恶化。同时，通过在桩体的底端设置一个凸出于桩体周壁的扩大头结构，使得桩体更好地与周围土体形成紧密联系，提高了桩体的承载性能和抗拔能力，有效地缓解了活动层带来的冻拔力，保证了防融沉桩基的安全性和可靠性。此外，桩体的周壁上还设置有多个凹槽，成功地增加了桩体与周围土体之间的接触面积，并通过凹槽与周侧的土体形成咬合和互锁，增强了桩体与周围土体的结合力，有效提高了冻结力的作用。综合来看，这一防融沉桩基不仅能够解决现有灌注桩基础在高温多年冻土区面临的种种问题，而且还能够提高桩基的使用寿命和承载性能，为工程建设提供了可靠的基础支撑。