多年冻土区道路隔热-持力桩、复合地基及其实施方法

本发明属于道路工程建设与养护，尤其涉及多年冻土区道路隔热-持力桩、复合地基及其实施方法。

背景技术：

1、分布在青藏高原地区的多年冻土层受环境温度影响大，工程性质极为不稳定，普遍存在冻胀融沉现象，即地温降低土中水冻结成冰，地温升高冻土融化承载力下降，由此造成修筑在其上的道路产生鼓包沉陷和开裂病害。自1980年起青藏高原多年冻土区气温和地温呈不断上升趋势，融化活动层厚度以每十年19.5cm的速率增加。特别是受全球气候暖化及路面强吸热效应耦合作用，多年冻土区道路工程稳定性将愈加难以保持。

2、多年冻土路基工程的长期稳定性是青藏高原道路交通设施安全运营的关键。为降低冻土特殊性质对道路服役性能的不利影响，必须选择合适方法加以处治。长期以来，我国多年冻土处治设计一直沿用“冷却路基，保护冻土”理念，认为冻土融化的成因主要来自道路结构吸热传热，故而很多专家学者围绕路基控温目的，提出了热管、通风管和片块石路基等措施并开展工程应用。然而，随着使用年限增加，越来越多的工程案例反映出上述措施的处治效果十分有限，无法彻底解决道路沉降变形问题。例如，我国首条穿越青藏高原多年冻土区的高速公路——“共玉高速”在建设期采用了上述路基控温措施，但现场监测资料显示自2017年建成通车以来，多年冻土反复冻融循环已造成共玉高速多处沉陷病害，且不均匀沉降平均达到5～15 cm，局部路段最大沉降量甚至超过30 cm，路线实际运行车速远未达到高速公路标准。

3、此外，多年冻土蠕变也是造成道路沉降变形的重要原因之一，且在气候暖化背景下蠕变影响持续增大。现有的冻土处治措施仅考虑对路基控温，却没有采取有效的地基补强措施，多年冻土地基承载力持续降低，其后果是路基温度虽得到很好控制但道路沉陷依然发生。由此可见，对多年冻土而言，地基增强和温度控制同等重要，如何设计合理结构将二者有机结合统一起来，对防治多年冻土道路病害，保障道路工程服役性能和延长道路使用寿命具有重要意义。

4、中国实用新型专利cn213741011u公开了一种防治冻土地基冻胀融沉的大尺寸可承载热桩，并利用单向传热机理进行降温，但该装置的显著缺点是工作启停依赖于周围环境温差，在夏季热桩将停止工作，可控性较差。特别是热桩外壳为钢材质，导热系数大，夏季有加快热量往深部地层传导的隐患。

5、中国发明专利cn114045824b公开了一种冻土地基基础加固装置，包括锚柱、注浆结构、锚固结构和缓冲结构等，采用开挖方式沉桩并通过锚固钉结构增强桩侧受力。然而，直接开挖沉桩将破坏原有土体的水热状态，且结构施工需要进行注浆和换填砂垫层作业，在无主动控温措施下会加速冻土融化，降低桩端注浆的加固效果。

6、中国发明专利cn 115075281a公开了一种可缓解冻土热扰动的cfg桩-筏板复合地基结构及施工方法，通过在桩侧设置相变材料层、真空层和空气层来抑制冻胀，但是该桩体需深入多年冻土层，施工带来的热效应同样明显，特别是桩端没有设置保温结构，浇筑cfg桩过程中水化热必然会融化桩周冻土。此外，cfg桩采用碎石等散粒材料成桩，当桩端冻土融化导致整个桩体承载力显著下降。且该装置普遍存在结构设计复杂、材料耐久性不足和高环境影响等问题，在工程建设中难以进行实施和应用。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种多年冻土区道路隔热-持力桩、复合地基及其实施方法，以解决地基补强措施的缺失导致多年冻土地基承载力持续降低的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种多年冻土区道路隔热-持力桩，该隔热-持力桩包括管桩本体，所述管桩本体内设有冷冻管，所述冷冻管的一端与液氮储液罐的出液管连通，所述冷冻管的另一端与液氮储液罐的进气管连通，所述管桩本体在冷冻管的外周填充导热介质；

4、所述管桩本体包括上节管柱、下节管柱以及安装在所述上节管柱和下节管柱之间的隔热管柱，所述上节管柱的顶部通过盖板密封，所述出液管和进气管穿过所述盖板并与位于所述下节管柱底部的所述冷冻管连通。

5、由此，本技术提出地基增强和控温相结合的防控理念，采用管桩本体和液氮冷冻系统结合结构，能够精确冻结桩端周围多年冻土，保持桩端承载力。为综合考虑了隔热和强度需要，在上下节管桩中间设置隔热管柱，利用隔热管柱的隔热性能使上节管桩周围活动层的热量无法传到下节管桩所在的多年冻土层。上下节管桩及隔热管柱三段式桩体形成一种良好的隔热-传力结构，起到帮助路基承担上部荷载并减少上部热量向下传递的作用。

6、进一步，还包括导热介质储液罐，所述导热介质储液罐通过管路与所述管桩本体的内腔连通，优选所述管路上设有液位阀。

7、进一步，所述进气管上安装有排气阀。

8、再进一步，所述冷冻管为螺旋管。

9、再进一步，所述下节管柱内设有用于防止所述冷冻管移动的限位板，所述出液管和进气管穿过所述限位板并与所述冷冻管连通。

10、更进一步，所述上节管柱和下节管柱在与所述隔热管柱的连接处设有套箍和加筋钢板，且所述上节管柱和下节管柱在与所述隔热管柱的连接处涂覆有防蚀材料层。

11、更进一步，所述隔热管柱包括交替间隔设置的金属层和橡胶层。

12、此外，所述隔热管柱的上下两端均为金属层，且所述隔热管柱的上下两端通过法兰盘分别与所述上节管柱和下节管柱连接。

13、基于同一个发明构思，本发明还提供了一种多年冻土区道路隔热-持力桩的复合地基，该复合地基包括水温监测系统以及如上所述的多年冻土区道路隔热-持力桩，所述管桩本体间隔设置多组，所述出液管上安装有电磁阀和压力表，所述压力表与所述电磁阀之间电连接，所述电磁阀与水温监测系统之间电连接，所述水温监测系统包括连接在所述电磁阀上的温度传感器、湿度传感器以及压力传感器，所述温度传感器、湿度传感器以及压力传感器设置在所述管桩本体的外侧；所述电磁阀上连接有数采仪（数据采集传输仪），所述数采仪与处理器电连接。

14、基于同一个发明构思，本发明还提供了一种如上所述的多年冻土区道路隔热-持力桩的复合地基的实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

15、步骤一、布置好管桩本体及水温监测系统；

16、步骤二、向管桩本体内加入导热介质，通过温度传感器、湿度传感器以及压力传感器采集到的数据，在处理器上设置液氮出液流量和目标温度；

17、步骤三、开启电磁阀，使液氮储液罐中的液氮进入冷冻管；

18、步骤四、持续观察水温监测系统显示的数据，当管桩本体周围土体温度超过设定值时，控制电磁阀加大液氮出液流量；当管桩本体周围土体压力数值达到预警值时，控制电磁阀减小出液流量；当管桩本体周围土体温度达到预设目标温度后，将控制电磁阀关闭出液。

19、本发明的多年冻土区道路隔热-持力桩、复合地基及其实施方法具有以下优点：

20、1）、提出地基增强和控温相结合的防控理念，采用预制空心管桩和液氮控温系统结合结构，能够精确冻结桩端周围多年冻土，保持桩端承载力；在最不利状态下进行施工，使桩体能适应冻土活动层的季节变化，即桩端周围土体始终处于冻结状态，起到稳定持力增强地基的作用。

21、2）、本发明使用液氮作为冷冻剂，具有低碳环保、迅速制冷的特点，在施工完成后能够立即对多年冻土层降温，防止桩孔内温度升高引起沉降变形，即时消除工程热效应的影响。

22、3）、本发明设置有完善的桩端水温监测模块，可实时对桩基受力状态和环境信息监测并控制冻结工作启停，处治时间和效能高度可控，设备操作灵活。