一种柔性防冻拔装置及其防冻拔方法

1.本发明涉及防冻拔装置技术领域，特别是涉及一种柔性防冻拔装置及其防冻拔方法。


背景技术：

2.冻拔灾害是一种多年冻土区或季节冻土区内普遍存在的冻土灾害类型。冷季，埋在土体内部的结构物在切向冻胀力及法向冻胀力的共同作用下向上运动，被向上的力拔起，严重影响其使用寿命及正常的服役性能。如输电塔基、输电塔杆等。
3.冻拔现象一般发生在浅地表土层内，季节冻土区及多年冻土区均广泛存在。在多年冻土区，这一部分土层被称为活动层，活动层范围内的土体冷季冻结，暖季融化，而冻拔现象则发生在冷季活动层内的土体冻结时，在暖季，这部分土体完全融化，冻胀力也随之消失。
4.现有技术中防冻拔装置下部结构多为刚性结构，上部结构物在冻拔力作用下发生冻拔损坏，严重影响其使用寿命及服役性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中防冻拔装置存在的技术缺陷，而提供一种柔性防冻拔装置。
6.本发明的另一个目的是提供一种基于所述柔性防冻拔装置的防冻拔方法。
7.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
8.一种柔性防冻拔装置，包括外套筒、下底板、内套筒、拉杆以及上盖，其中：
9.所述下底板固定在所述外套筒底部与其呈一体结构，所述下底板上安装至少一个可张开的防冻拔杆，所述拉杆的底部固定在所述下底板上，所述内套筒穿套在所述拉杆与外套筒之间，所述内套筒受驱动在y方向上上下移动，所述内套筒的顶部装配所述上盖，所述上盖的顶部用于安装结构物a，所述内套筒的内壁上固定有支撑环，所述拉杆的底部位于所述支撑环内，所述支撑环与所述拉杆的顶部凸台之间压有复位弹簧。
10.在上述技术方案中，所述内套筒的外壁上设有环周设置的一个或多个环形槽，所述环形槽内嵌密封圈，所述密封圈压紧在所述内套筒和外套筒之间，所述外套筒的内壁上设有矩形槽，所述矩形槽内嵌装内外环密封毛毡，所述内外环密封毛毡压紧于所述外套筒与内套筒之间。
11.在上述技术方案中，所述拉杆的底部通过螺纹连接在所述下底板的螺纹安装部内，同时所述拉杆的底部设有连接孔，连接螺钉穿过所述下底板上的螺纹孔以及所述连接孔，将所述拉杆的底部固定在所述下底板上，多个连接螺钉以所述下底板的圆心为圆心呈圆形矩阵分布，每一个连接螺钉的外周压有一个端面密封环，密封环起到密封下底板与拉杆的作用。
12.在上述技术方案中，所述内套筒的内壁上固定有一个或多个导向环，每一个导向
环均位于所述支撑环的底部，每一个导向环的内壁与所述拉杆的外壁间隙配合。
13.在上述技术方案中，所述拉杆的顶部凸台上设有竖直设置的导向槽，多个导向槽环周设置，所述内套筒的内壁上设有竖直设置的导向条块，所述导向条块与所述导向槽一一对应设置。
14.在上述技术方案中，所述防冻拔杆环周设置在所述下底板上，每一个防冻拔杆通过一个连接螺杆安装在一个冻拔杆安装座上，所述冻拔杆安装座固定在所述下底板的外缘顶面上。
15.在上述技术方案中，所述防冻拔杆的顶部为斜面，所述防冻拔杆的顶面与内侧面之间的夹角为钝角，所述防冻拔杆的顶面与外侧面之间的夹角为锐角。
16.在上述技术方案中，所述冻拔杆安装座的外侧面上固定有限位挡板以限制防冻拔杆张开时的转动角度。
17.在上述技术方案中，所述防冻拔杆的左右两个侧面上均固定有侧挡板。
18.本发明的另一方面，所述的柔性防冻拔装置的工作方法，包括以下步骤：
19.步骤1，所述柔性防冻拔装置的装配：
20.将内外套筒一级密封圈、内外套筒二级密封圈和内外套筒三级密封圈嵌入三个环形槽内，内套筒套入外套筒内，复位弹簧放在支撑环的顶部，将拉杆插入支撑环内部，拉杆的底部与下底板螺纹连接后，装配连接螺钉，使得拉杆的底部进一步固定在下底板上，最后将上盖旋转连接在内套筒的顶部；
21.步骤2，所述柔性防冻拔装置的安装：
22.使用时，先在冻土上钻孔，然后将装配好的柔性防冻拔装置置入所述钻孔内，置入过程中，多个防冻拔杆呈张开状态，防冻拔杆的张开角度可随钻孔的直径发生变化，当钻孔较大时，防冻拔杆为完全张开状态，若钻孔相对较小时，防冻拔杆会受到钻孔内壁的限制，呈半张开的状态，适用于不同装配场景，然后将结构物a安装在柔性防冻拔装置上，回填所述钻孔，冻拔发生时，防冻拔杆起到抑制冻拔力的作用；
23.或者，在冻土上开挖管沟，将装配好的性防冻拔装置置入所述管沟内，后将结构物a安装在柔性防冻拔装置上，回填所述管沟，采用上述相同的方式，抑制冻拔力；
24.所述柔性防冻拔装置的防冻拔方法如下所示：
25.当发生冻拔时，结构物a由于冻拔力的发生会向y+方向移动，上盖与结构物a是连接的，上盖也会向y+方向移动，内套筒会向y+方向移动，支撑环也会一起移动。当内套筒移动带动支撑环移动时，复位弹簧受到压缩；
26.与此同时，冻拔产生时会给下底板施加一个y+方向的力，由于下底板有张开的防冻拔杆则会抑制其向y+移动，当结构物a发生冻拔即带动内套筒移动，而下底板不发生移动时，则产生的位移差会累加在复位弹簧上，使复位弹簧发生压缩，冻拔的发生是阶段性的，当活动层在气候变暖融化后，土壤对结构物a的冻拔力减弱直至消失，此时由于复位弹簧被压缩，当a的冻拔力减弱时，在结构物a的上覆荷载作用及复位弹簧产生的弹簧压力会迫使内套筒向y-方向移动，直至恢复至刚开始的状态，即完成对结构物a的冻拔防治。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28.1.本发明的防冻拔装置为柔性结构，可有效避免下部防冻拔结构物为完全刚性时，当冷季冻拔力较大时，上部结构物在冻拔力作用下发生冻拔损坏，本发明的柔性防冻拔
装置可大大延长结构物的使用寿命。
29.2.本发明的柔性防冻拔装置结构巧妙，充分利用暖季活动层内(或季节冻土区浅地表土层范围内)冻拔力消失的现象。具有自回位功能，暖季当冻拔力消失时，上部结构物在上覆荷载及回位弹簧的作用下，结构物会自动回位，起到柔性冻拔防治的效果。
30.3.本发明的柔性防冻拔装置上部连接需要防冻拔的建(构)筑物，可连接输气管道、输电塔基、输电塔杆、地温孔、通风管等多种建(构)筑物及构件，使用场景特别广泛，便于推广应用。
31.4.本装置结构简单、安装简易，不同于传统的大开挖式冻拔防治结构，例如下部添加混凝土板来进行冻拔防治，此种结构往往需要进行额外的大开挖安装。本结构无需进行专门的大开挖，减小了冻土扰动，保护了冻土及湿地的生态环境。
附图说明
32.图1所示为柔性防冻拔装置的结构示意图。
33.图2是拉杆的结构示意图。
34.图3是内套筒的结构示意图。
35.图4是外套筒的结构示意图。
36.图5是冻拔杆安装座与防冻拔杆的连接结构示意图。
37.图6是侧挡板与防冻拔杆的连接结构示意图。
38.图中：1-上盖，2-连接螺纹，3-内套筒，4-拉杆，5-复位弹簧，6-外套筒，7-内外套筒一级密封圈，8-内外套筒二级密封圈，9-内外套筒三级密封圈，10-防冻拔杆，11-内外环密封毛毡，12-支撑环，13-第一导向环，14-第二导向环，15-第三导向环，16-端面密封环，17-连接螺钉，18-下底板，19-连接螺杆，20-冻拔杆安装座，21-回位弹簧；
39.3-1导向条块，3-2环形槽，4-1导向槽，4-2连接孔，10-1侧挡板，16-1螺纹安装部，20-1限位挡板。
具体实施方式
40.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.实施例1
42.一种柔性防冻拔装置，包括外套筒6、下底板18、内套筒3、拉杆4以及上盖1，其中：
43.所述下底板18固定在所述外套筒6底部与其呈一体结构，所述下底板18上安装至少一个可张开的防冻拔杆10，所述拉杆4的底部固定在所述下底板18上，所述内套筒3穿套在所述拉杆4与外套筒6之间，可在y方向上上下移动，所述内套筒3的顶部固定装配所述上盖1，优选的，所述上盖1通过连接螺纹2装配在所述内套筒3的顶部开口上，所述上盖1的顶部用于安装结构物a，比如输电塔基、电线杆、通风管等，所述内套筒3的内壁上固定有支撑环12，所述拉杆4的底部位于所述支撑环12内，所述支撑环12与所述拉杆4的顶部凸台之间压有复位弹簧5。
44.所述柔性防冻拔装置的防冻拔方法如下所示：
45.当发生冻拔时，结构物a由于冻拔力的发生会向y+方向移动，上盖1与结构物a是连
接的，上盖1也会向y+方向移动，内套筒3会向y+方向移动，支撑环12也会一起移动。当内套筒3移动带动支撑环12移动时，复位弹簧5受到压缩(装置在具体使用时可以根据需要选择复位弹簧5的弹簧刚度和长度。冻拔力发生时复位弹簧5会产生与冻拔力相反的力，即抵消一部分冻拔力，从而减小结构物a的冻拔位移)。
46.与此同时，冻拔产生时会给下底板18施加一个y+方向的力，由于下底板18有张开的防冻拔杆10则会抑制其向y+移动(这里由于防冻拔杆10的作用，使得下底板18无移动，相当于一个固定端)，当结构物a发生冻拔即带动内套筒3移动，而下底板18不发生移动时，则产生的位移差会累加在复位弹簧5上，使复位弹簧5发生压缩，冻拔的发生是阶段性的，当活动层在气候变暖融化后，土壤对结构物a的冻拔力减弱直至消失，此时由于复位弹簧5被压缩，当a的冻拔力减弱时，在结构物a的上覆荷载作用及复位弹簧5产生的弹簧压力会迫使内套筒3向y-方向移动，直至恢复至刚开始的状态，即完成对结构物a的冻拔防治。
47.实施例2
48.作为优选的，所述内套筒3的外壁上设有环周设置的一个或多个环形槽3-2，所述环形槽3-2内嵌密封圈，所述密封圈压紧在所述内套筒3和外套筒6之间，提高外套筒6与内套筒3的密封性，进而减少杂物及水汽进入内套筒3内部，损坏内部结构。如图中所示，内套筒3的外壁上设有三个环形槽3-2，三个环形槽3-2内分别嵌装内外套筒一级密封圈7、内外套筒二级密封圈8和内外套筒三级密封圈9，形成三级密封，优化外套筒6与内套筒3之间的密封性，防止水汽进入侵蚀拉杆4及内部结构。更进一步的，所述外套筒6的内壁上设有矩形槽6-1，所述矩形槽6-1内嵌装内外环密封毛毡11，所述内外环密封毛毡11压紧于所述外套筒6与内套筒3之间，且位于三个密封圈的顶部，防止杂物进入内套筒3内部对结构造成破坏。
49.作为优选的，所述拉杆4的底部通过螺纹连接在所述下底板18的螺纹安装部16-1内，同时所述拉杆4的底部设有连接孔4-2，连接螺钉17穿过所述下底板18上的螺纹孔以及所述连接孔4-2，将所述拉杆4的底部固定在所述下底板18上，每一个连接螺钉17的外周压有一个端面密封环16，密封环16起到密封下底板18的作用，防止杂物或者水汽通过下底板18处的螺纹孔进入装置内部。拉杆4与下底板18连接采用双重连接，先使用螺纹安装部16-1处的螺纹连接，再采用连接螺钉17连接。目的是提高下底板18与拉杆4的连接强度。
50.作为优选的，所述内套筒3的内壁上固定有一个或多个导向环，每一个导向环均位于所述支撑环12的底部，如图中所示，所述拉杆4的外壁上固定有第一导向环13、第二导向环14以及第三导向环15，当内套筒3和拉杆4发生相对移动时，三导向环的内壁与所述拉杆4的外壁间隙配合，可起到导向的作用，防止内套筒3移动时发生偏斜，因为冻拔力非常大，内套筒3移动过程中一旦发生偏斜会卡住，无法正常上移，最终造成结构损坏。
51.作为优选的，所述拉杆4的顶部凸台上设有竖直设置的导向槽4-1，多个导向槽4-1环周设置，所述内套筒3的内壁上设有竖直设置的导向条块3-1，所述导向条块3-1与所述导向槽4-1一一对应设置，当拉杆4上下运动时导向槽4-1与导向条块3-1配合使用，防止拉杆4发生周转运动。
52.实施例3
53.作为优选的，所述防冻拔杆10环周设置在所述下底板18上，每一个防冻拔杆10通过一个连接螺杆19安装在一个冻拔杆安装座20上，所述冻拔杆安装座20固定在所述下底板
18的外缘顶面上，所述连接螺杆19上安装有回位弹簧21以促进防冻拔杆10回位(向外扩张的状态)。
54.作为优选的，所述防冻拔杆10的顶部为斜面，所述防冻拔杆10的顶面与内侧面之间的夹角为钝角，所述防冻拔杆10的顶面与外侧面之间的夹角为锐角，如此在冻拔过程中，当防冻拔杆张开时，可增大防冻拔杆10与冻土的接触面积，优化防冻拔效果。
55.作为优选的，所述冻拔杆安装座20的外侧面上固定有限位挡板20-1以限制防冻拔杆10张开时的转动角度，当防冻拔杆10与限位挡板20-1接触时就会停止转动保持此时张开角度，防止防冻拔杆10过度张开，失去防冻拔效果。
56.作为优选的，所述防冻拔杆10的左右两个侧面上均固定有侧挡板10-1，所述侧挡板10-1可增大防冻拔杆10与土体的接触面积，优化防冻拔效果。
57.实施例4
58.所述柔性防冻拔装置的使用方法，包括以下步骤：
59.步骤1，所述柔性防冻拔装置的装配：
60.将内外套筒一级密封圈7、内外套筒二级密封圈8和内外套筒三级密封圈9嵌入三个环形槽3-2内，内套筒3套入外套筒6内，复位弹簧5放在支撑环12的顶部，将拉杆4插入支撑环12内部，拉杆4的底部与下底板18螺纹连接后，装配连接螺钉17，使得拉杆4的底部进一步固定在下底板18上，最后将上盖1旋转连接在内套筒3的顶部。
61.步骤2，所述柔性防冻拔装置的安装：
62.使用时，先在冻土层钻孔，然后将装配好的柔性防冻拔装置置入所述钻孔内，置入过程中，多个防冻拔杆10呈完全张开或半张开状态，防冻拔杆10的张开角度可随钻孔的直径发生变化，当钻孔较大时，防冻拔杆10张开角度较大，若钻孔相对较小时，防冻拔杆10会受到钻孔内壁的限制，张开角度较小，适用于不同装配场景，然后将结构物a安装在柔性防冻拔装置上，回填所述钻孔，冻拔发生时，防冻拔杆10起到抑制冻拔力的作用。
63.或者，当上部支撑的结构物为管道时，在冻土区开挖管沟，将装配好的柔性防冻拔装置置入所述管沟内，后将结构物a安装在柔性防冻拔装置上，回填所述管沟，采用上述相同的方式，抑制冻拔力。
64.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。