一种热电制冷抗滑桩及施工方法与流程

本发明属于多年冻土滑坡工程技术领域，具体涉及一种热电制冷抗滑桩及施工方法。

背景技术：

滑坡是全球性三大地质灾害之一，分布广泛、发生频繁、预测困难，治理费用高昂，常给人们生命和财产造成重大的威胁，一直是世界各国关注的重要地质灾害问题。季节冻融是诱发滑坡的主要因素之一，冻融循环作用下土体冻结、融化，水分和应力重分布，土体强度参数降低、密实度减小，渗透性增大，大量的水分渗入边坡内部，上限以上土体达到饱和、过饱和状态，土体变形模量降低、剪切强度减小，有效应力降低，多种因素共同作用导致边坡稳定性向不利方向发展。

寒区大规模的经济开发和工程建设实施，不可避免的要遇到不同形式的边坡。寒区土体大面积为冻土，性质对温度具有显著的依赖性和热不稳定性，季节冻融作用下寒区滑坡工程问题一般滑坡工程更复杂，冻融滑坡治理难度更大。传统防治措施为非寒区的支挡结构，如重力式挡墙、l型挡土墙，抗滑桩、锚索抗滑桩等增强抗滑力，然而这些防治结构无法降温，不能从根本上解决冻融滑坡问题，无法抵御全球气候变暖作用下，冻土上限退化引起的潜在隐患。目前的抗滑桩多为大截面实心桩，所需混凝土灌注量大，造价高昂，空心抗滑桩受剪承载力不足，影响使用。“主动降温”保护冻土的工程设计思路以被行业所认可，如块碎石路基、热棒、遮阳板等措施，取得了巨大的社会经济效益，然而抗滑桩支挡主动降温技术还鲜见报道。为了解决冻土滑坡灾害，克服现有抗滑桩性能的不足，从主动保护冻土生存环境的理念出发，结合自动化降温技术，提出一种有效的主动降温抗滑桩技术，解决冻土区滑坡防治工程问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对季节冻融和全球气候变暖诱发的多年冻土山体热融滑塌、上限退化和现有防治技术效果不良的问题，提供一种具有主动降温、锚固和环保节能的抗滑桩及施工方法。

本发明的目的之一是提供一种热电制冷抗滑桩，包括：桩体系统和热电制冷系统；

所述桩体系统包括空心桩、碎石层、齿型支架、锚索和锚具；空心桩的底部封闭，底部中心预埋锚具，桩内下段填充碎石层，上段嵌套齿型支架；锚索穿过碎石层和齿型支架，锚索一端固定于底板锚具，另一端由锚具锚固于齿型支架上端；

所述齿型支架由柱体和底板连接组成，柱体的外围沿其轴向设置有凹槽、中心开设锚索孔，底板上设有透气孔；

所述热电制冷系统包括太阳能电池板、制冷片、电压控制器、温度感应器、温控开关和无动力通风器。

所述制冷片由n型半导体和p型半导体通过金属导体连接构成的电偶对级联组成，一侧为冷面，另一侧为热面；电压控制器的正极与n型半导体连接，负极与p型半导体连接；制冷片嵌套于空心桩与齿型支架的凹槽内，冷面紧贴桩内壁，热面与齿型支架的内柱间留有孔道。

所述无动力通风器套于安装有制冷片和齿型支架的空心桩顶端。

所述温控开关分别与太阳能电池板、电压控制器、制冷片和温度传感器通过导线连接组成闭合回路，控制制冷片的工作与断开，转换工作温度设定为-1℃～3℃的某个值。

所述温度传感器安装在坡体内任意两根空心桩的中间，且距离坡面深度为1.0～5.0m处。

进一步地，如上所述的热电制冷抗滑桩，所述的空心桩截面形式为圆形、矩形或梯形，采用钢筋和混凝土预制桩。

进一步地，如上所述的热电制冷抗滑桩，所述的碎石层采用粒径为30～70mm的卵石或石子。

进一步地，如上所述的热电制冷抗滑桩，所述的无动力通风器上设有一个穿线孔。

进一步地，如上所述的热电制冷抗滑桩，所述的太阳能电池板、电压控制器和温控开关固定于撑杆上，电压控制器和温控开关安装于保护箱内。

进一步地，所述温度传感器安装在坡体内任意两根空心桩的中间，且距离坡面深度为1.0～5.0m处。

进一步地，所述齿型支架为钢筋混凝土结构。

本发明的另一目的是提供一种热电制冷抗滑桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)调查多年冻土边坡所在的地质和气象条件，分析冻土边坡季节活动层所在的位置(即潜在滑移面)，计算确定桩截面尺寸；

(2)预制空心桩和齿型支架：按工程设计的桩体几何尺寸，进行空心桩和齿型支架支模，绑扎钢筋和浇筑混凝土，常温养护；

(3)放线及定位：首先根据设计图纸进行放线，其次从坡顶向下开挖边坡，然后用测量仪器定位空心桩和温度传感器的位置；

(4)挖桩孔和运送：在确定的相应桩位处，按设计图纸桩长、桩径开挖桩孔，并施做护壁；同时将预制完成的空心桩、齿型支架和碎石运送到施工现场；

(5)安放空心桩：在空心桩内穿锚索，锚索长度大于桩长3～4m，锚索一端锚固于桩底预埋的锚具上，另一端穿出空心桩顶端；然后将桩体吊装于相应的桩孔内；

(6)填碎石：给空心桩内从下往上分层填碎石，并振捣，填至离桩顶距离等于齿型支架长度为止；

(7)安装齿型支架和制冷片：将锚索另一端穿过齿型支架的中心锚索孔，然后将齿型支架吊装于空心桩内，且支架的底板与碎石层接触；张拉锚索施加预应力，齿型支架挤压碎石层，并用锚具将锚索锚固于齿型支架上；将各制冷片套于空心桩与齿型支架的凹槽内，冷面紧贴桩内壁；

(8)安装无动力通风器：空心桩顶端安装无动力通风器，并将各制冷片的导线从无动力通风器的侧壁孔穿出；

(9)安装温度传感器、太阳能电池板：温度传感器安放于相应的孔内，并用土体填充孔洞，数据线引出坡面；坡脚埋设撑杆，撑杆顶端安装太阳能电池板，中部安装保护箱，箱内安装电压控制器和温控开关；

(10)连线调试：将太阳能电池板用导线串联、并与电压控制器、温度感应器和温控开关连接，电压控制器的正极与制冷片的n型半导体连接，负极与p型半导体连接；接通温控开关，观察温度传感器的读数，若持续工作一段时间读数降低，说明可以降温，若不变，则重新检查导线连接情况。

(11)设定温控开关转换工作温度，如土体温度大于设定转换工作温度时，温控开关闭合制冷片开始降温，反之温控开关断开。

本发明的有益效果是：本发明结合半导体制冷、通风和支挡技术于一体，形成主动制冷抗滑桩，提升多年冻土区滑坡防治水平。主要优点为：(1)太阳能电池板供电，制冷片嵌套于空心桩内制冷，降低桩体周围土体的温度，同时为冷面片散热提供通道，无动力通风器加速对流降低制冷片周围的温度和湿度，延长寿命。温控开关感知土体温度实时控制制冷片的工作，可实现桩体全年有效降温工作，极大提高冻土坡体的稳定性；(2)碎石填充桩体空心部分，并被钢筋混凝土桩和预应力锚索约束压缩形成一个整体，刚度大，抗剪、抗弯承载力极大提高；(3)桩体预制成型、结构简单、组装容易，造价低廉，具有良好的降温、支挡和长期服役性能。

附图说明

图1是本发明热电制冷抗滑桩的示意图；图2是图1中的齿型支架的示意图；图3是图1中的无动力通风器的示意图；图4是图1中热电制冷抗滑桩的a-a剖面图；图5是图1中热电制冷抗滑桩的b-b剖面图；图6是本发明在冻土滑坡支护工程中实施的示意图；图7是制冷片的组成及工作原理图；

附图标记说明：

1-空心桩、2-碎石层、3-齿型支架、4-锚索、5-锚具、7-柱体、8-底板、9-锚索孔、10-透气孔、11-太阳能电池板、12-制冷片、13-电压控制器、14-温度感应器、15-温控开关、16-无动力通风器、17-钢筋、18-混凝土、19-撑杆和20-保护箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～7所示，本发明提供一种热电制冷抗滑桩，包括：桩体系统和热电制冷系统；

所述桩体系统包括空心桩1、碎石层2、齿型支架3、锚索4和锚具5；空心桩的底部封闭，底部中心预埋锚具5，桩内下段填充碎石层2，上段嵌套齿型支架3；锚索4一端固定于桩底锚具5，穿过碎石层2和齿型支架3，另一端由锚具5锚固于齿形支架3上端。

齿型支架3为柱体7和底板8连接组成，柱体7周围有凹槽、中心设锚索孔9，底板8上设有透气孔10，材质为钢筋混凝土，支架高度与多年冻土季节活动层的最大厚度相适应，凹槽和透气孔用于空气对流。

所述热电制冷系统包括太阳能电池板11、制冷片12、电压控制器13、温度感应器14、温控开关15和无动力通风器16。

所述制冷片12一侧为冷面，另一侧为热面；制冷片由n型半导体、p型半导体、金属导体和绝缘体组成，绝缘体。

所述制冷片12由n型半导体和p型半导体连接构成的电偶对级联构成。在制冷片12所构成的电路汇总接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由n型元件流向p型元件的接头吸收热量，成为冷端。吸热的大小是通过电流的大小以及半导体材料n、p的元件对数来决定。

电压控制器13的正极与n型半导体连接，负极与p型半导体连接；制冷片12嵌套于空心桩1与齿型支架3的凹槽内，冷面紧贴桩壁，热面与齿型支架3的内柱间留有孔道，制冷片12工作时冷面降温，空心桩1周围的土体温度降低。

所述无动力通风器16套于安装有制冷片1和齿型支架3的空心桩1顶端，利用自然风和压差进行对流换热将制冷片12和碎石层2中的热量加速排放到大气中。

所述温控开关15分别与太阳能电池板11、电压控制器13、制冷片12和温度传感器14通过导线连接组成闭合回路，控制制冷片12的工作与断开，转换工作温度设定为-1℃～3℃的某个值。

所述温度传感器14安装在坡体内任意两根空心桩1的中间，且距离坡面深度为1.0～5.0m处，实时调节。

进一步地，如上所述的热电制冷抗滑桩，所述空心桩1截面形式为圆形、矩形或梯形，采用钢筋混凝土预制桩。

进一步地，如上所述的热电制冷抗滑桩，所述碎石层2采用粒径为30～70mm的卵石或石子。

如图1、2、6所示，所述无动力通风器16上设有一个穿线孔。

如图6所示，所述太阳能电池板、电压控制器和温控开关固定于撑杆上，电压控制器和温控开关安装于箱内。

如图1～7所示，本发明提供一种热电制冷抗滑桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)调查多年冻土边坡所在的地质和气象条件，分析边坡季节活动层所在的位置(即潜在滑移面)，计算确定桩截面尺寸；

(2)预制空心桩1和齿型支架3：按工程设计的桩体几何尺寸，进行空心桩1和齿型支架3支模，绑扎钢筋17和浇筑混凝土18，常温养护；

(3)放线及定位：首先根据设计图纸进行放线，其次从坡顶向下开挖边坡，然后用测量仪器定位空心桩1和温度传感器14的位置；

(4)挖桩孔和运送：在确定的相应桩位处，按设计图纸桩长、桩径开挖桩孔，并做护壁；同时将预制完成的空心桩1、齿型支架3和碎石运送到施工现场；

(5)安放空心桩1：在空心桩1内穿锚索4，锚索4长度大于桩长3～4m，锚索4一端锚固于桩底预埋的锚具5上，另一端穿出空心桩1顶端；然后将桩体吊装于相应的桩孔内；

(6)填碎石：给空心桩1内从下往上分层填碎石，并振捣，填至距桩顶距离等于齿型支架3长度为止；

(7)安装齿型支架3和制冷片12：将锚索4另一端穿过齿型支架3的中心锚索孔9，然后将齿型支架3吊装嵌套于空心桩1内，且支架底部与碎石层2接触；张拉锚索4施加预应力，齿型支架3挤压碎石层2，并用锚具5将锚索4锚固于齿型支架3上；将各制冷片12套于空心桩1与齿型支架3的凹槽内，冷面紧贴桩内壁；

(8)安装无动力通风器16：将各制冷片12的n型和p型半导体的导线从无动力通风器16的侧壁孔穿出，同时将无动力通风器16安装于空心桩1顶端；

(9)安装温度传感器14和太阳能电池板11：温度传感器14安放于相应的孔内，并用土体填充孔洞，数据线引出坡面；坡脚埋设撑杆19，撑杆19顶端安装太阳能电池板11，中部安装保护箱20，箱内安装电压控制器13和温控开关15；

(10)连线调试：将太阳能电池板11用导线串联，并与电压控制器13、温度感应器14和温控开关15连接，电压控制器13的正极与制冷片12的n型半导体连接，负极与p型半导体连接；接通温控开关15，观察温度传感器14的读数，若持续工作一段时间读数降低，说明可以降温，若不变，则重新检查导线连接情况。

(11)设定温控开关15转换工作温度，如土体温度大于设定转换工作温度时，温控开关15闭合制冷片开始降温，反之断开。

本发明的工作原理是：(1)降温原理：当温度传感器感知土体的温度高于温控开关工作转换温度时，开关自动闭合，太阳能电池板与制冷片连通，在电力的驱动下电流由制冷片中的n型元件向p型元件流动，制冷片的冷面吸收热量与空心桩周围土体热交换，降低土体温度并储存冷量。同时制冷片的热面散发热量，边坡深部土体与桩也进行热交换，桩内碎石层储存热量，不利于桩体稳定，这两部分热量在无动力风帽产生的负压作用下，穿过碎石层和齿型支架快速排到桩外，不仅降低制冷片的散发的温度，而且降低桩体深部土体。(2)协同支挡原理：钢筋混凝土空心桩、碎石层、齿型支架和预应力锚索组成一个刚柔结合的整体，变形协调性好，刚度大，延性好，共同抵抗季节冻融活动层产生的滑坡推力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。