一体化热棒桩基结构及其施工方法与流程

本发明涉及交通基础建设工程技术领域，尤其涉及一种用于冻土地区群桩基础的一体化热棒桩基结构及施工方法。

背景技术：

青藏高速(尤其是京藏高速公路的最后建设路段-格尔木至拉萨段)沿线分布了超过550km的多年冻土区，冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。冻土具有流变性，对温度极为敏感，其长期强度远低于瞬时强度特征。冻土在寒冷季节就像冰一样冻结，随着温度的降低体积发生膨胀，建在冻土区修筑的工程构建物就会被“发胖”的冻土顶起和挤压；到了夏季，融化的冻土体积缩小，工程构建物又会松动、倾斜。在多年冻土区桩基浇筑过程中，混凝土水化热会造成多年冻土融化，桩周冻土回冻时间长达1年以上，严重影响了桩基承载力和桥梁上部结构的施工进度，且冻土的冻结和融化反复交替的出现，会对铁路、公路或桥梁桩基的安全造成威胁。

热棒是处理冻土病害、保护冻土的有效措施。热棒的结构大致为一个密闭空心长棒，内装有一些液氨、液氮等工质，热棒的上部装有散热叶片，称为冷凝段，冷凝段置于大气中；热棒的下部埋入地基多年冻土中，称为蒸发段。存在温差时，蒸发段的液氮吸收蒸发成气体，在气压差作用下沿管内空隙上升至冷凝段，冷凝成液体，并在重力作用下，沿管壁流下。如此往复循环，将地层中的热量传输到大气中，从而降低多年冻土的地温，以防止多年冻土发生融化，从而达到稳定路基、桩基的目的。

但是现有冻土区桥梁工程在设计过程中，基于冻土特有的属性，为了避免对冻土的惊扰，往往设置单桩基础，随着时间的推移，出现了很多的后患，因为单桩基础随着冻土的冻结和融化反复交替的出现，很容易出现各侧基础因受力不同而被抬起，或者产生裂缝、倾斜，严重者甚至倒塌等现象，为了解决这些问题，在后期就需要对出现问题的单桩采用插设热棒的方式进行修复和整治，这无疑会需要重复施工，多次扰动冻土且达不到理想的吸热和散热问题。

虽然有在施工过程中直接在单桩周侧设置热棒以降低维护成本的做法，但是一方面单桩基础载荷量低，一旦某一个单桩出现问题就会牵连整个工程进度；另一方面，热棒与单桩之间连接不稳定，故障率高，目前尚未有更好的方式解决冻土区中所产生的上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于克服现有技术中所述的缺陷，从而提供一种一体化热棒桩基结构，本发明能够有效的缩短混凝土桩基回冻时间，减小多年冻土地区桥梁工程的施工期，增加桩基的极限承载力。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一体化热棒桩基结构，包括热棒以及由下到上依次设置的桩基、承台和桥墩，所述热棒穿过所述承台轴向嵌设于所述桩基内，所述热棒的蒸发段延伸至所述桩基的底部，所述热棒的冷凝段外露于所述承载台的上部。

本发明的热棒桩基首先为一体化结构，即由桩基、承台和桥墩组成的群桩基础，该基础受竖向荷载后，承台、桩基、冻土的相互作用，使其桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩不同，承载力往往有别于各单桩承载力之和，稳定性较好；其次桩基内嵌设热棒的蒸发段，该蒸发段延伸至所述桩基的底部，如此，可以利用热棒的热二极管效应将自然界的“冷能”导入桩基内，并实现桩基内各个部位的热交换，有效解决了群桩基础在小的范围内使用大量的混凝土，势必产生大量的水化热，从而增加桩周冻土的回冻时间，甚至影响冻土的稳定的问题。

因此，本发明不仅热交换效率高，群桩基础中各桩基的吸热和散热效果好，而且缩短了桩基混凝土回冻时间，减少桥梁上部结构施工工期。

优选地：所述桩基、承台和桥墩为一体灌注而成，所述热棒的蒸发段预设于所述桩基的钢筋笼上。

本发明中的桩基优选灌注桩，在施工时不会产生振动、无挤土、噪音小，在浇筑灌注桩之前，先将热棒的蒸发段固定在灌注桩桩基的钢筋笼上，以大大提高热棒的带桩基内的传热效率，同时也能更加稳固的将热棒、桩基、承台和桥墩一体灌注成型，提高本发明的连接强度以及群桩效应。

优选地：所述热棒为l型热棒，所述热棒的直径不小于80mm。

本发明优选l型热棒，如此热棒的蒸发段避开桥墩，向四周扩散，其散热效果更好，而当热棒的直径不小于80mm时，更易于施工，同时热棒的热二极管效应也更好。

优选地：所述一体化热棒桩基结构还包括热棒套管，所述热棒套管设于所述承台上部与所述冷凝段之间的热棒外侧。

进一步地：所述热棒套管为pvc套管或钢套管。

在本发明中还设置了热棒套管，热棒套管设于冷凝段与蒸发段之间的绝热段，即承台上部与冷凝段之间的热棒部分，用于预防热棒遭外界撞击风险。

本发明的另一目的在于提供一种一体化热棒桩基结构的施工方法，该施工方法包括以下步骤：

s1、参数的确定：包括确定桩基的设计尺寸、混凝土的配合比；热棒的尺寸、热棒的工质类型和填充量以及群桩桩基的配筋；

s2、根据所述参数轧制桩基钢筋笼，并进行桩基钻孔；

s3、将所述热棒固定于所述桩基钢筋笼后置入所述孔内，并浇筑基桩混凝土；

s4、绑扎承台和桥墩部分的钢筋，浇筑承台和桥墩混凝土，完成养护。

本发明的施工方法针对于一体化的热棒桩基结构，因此，可以基于承载力、抗冻拔和冻土地勘资料等对一体化的桩基结构中各部分的参数进行确定计算，其中本发明的施工方式也为灌注施工，其施工步骤先进行钻孔绑扎桩基钢筋笼，以在钢筋笼上固定热棒的蒸发段，然后在对桩基进行灌注，这样可以最大限度的减少冻胀和融沉现象，即在施工的第一时间就将热棒置于冻土中进行工作，然后再进行后续的桩基灌注、承台和桥墩的灌注等，大大提高了桩基的吸热和散热效果，缩短了桩基周围冻土的回冻时间。

优选地：s1中所述热棒的尺寸、热棒的工质类型和填充量由冻土地勘资料以及群桩基础混凝土配比来确定，所述群桩桩基的配筋根据承载力和抗冻拔计算。

优选地：s2中所述钻孔采用水钻进行，钻至指定深度后立即将所述孔内的水抽干。

在本发明中采用水钻进行钻孔，即利用高压使水流通过极为细小的空隙，该细小水流在高压作用下速度极快，拥有极高的动能，因而能轻易地在冻土、钢板或者切割钢材等其他坚硬的物体上打孔，以尽可能减少扰动多年冻土。

优选地：s3中所述热棒固定于所述桩基钢筋笼的纵筋上。

优选地：当所述基桩混凝土的强度养护至70％以上时，开始绑扎所述承台和桥墩部分的钢筋，然后进行模板支护，再进行承台和桥墩混凝土的浇筑。

优选地：s4中所述桥墩混凝土的浇筑高度位于所述承台以上48-52cm，且不高于桥墩钢筋的高度。

优选地：s1中还包括热棒套管的结构类型与材料的选择，s4中还包括将所述热棒套管安装固定于所述承台上部与热棒冷凝段之间的热棒上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的一体化热棒桩基结构可以利用热棒的热二极管效应将自然界的“冷能”导入桩基内，能够缩短桩基周围冻土的回冻时间，减少桥梁上部结构施工工期。其中热棒的设计参数(例如热棒尺寸、工质类型、填充量等)能够通过桩基设计尺寸、混凝土配合比设计以及桥址区冻土地勘资料等确定，以进行精细化设计和施工。同时，本发明所提供的施工方法操作较为简单，具有较高的可操作性和实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1所提供的一体化热棒桩基结构的结构示意图。

附图标记说明：

1、桩基；2、热棒；21、蒸发段；22、冷凝段；3、承台；4、热棒套管；5、桥墩。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种一体化热棒桩基结构，包括热棒2以及由下到上依次设置的桩基1、承台3和桥墩5，热棒2穿过承台3轴向嵌设于桩基1内，热棒2的蒸发段21延伸至桩基1的底部，热棒2的冷凝段22外露于承载台3的上部。

本发明的热棒桩基为一体化结构，即由桩基1、承台3和桥墩5组成的群桩基础，该群桩基础受竖向荷载后，承台3、桩基2、冻土的相互作用，使其桩侧阻力、桩端阻力、沉降等性状发生变化而与单桩不同，承载力往往有别于各单桩承载力之和，稳定性较好；其次桩基1内嵌设热棒2的蒸发段21，该蒸发段21延伸至所述桩基1的底部，如此，可以利用热棒2的热二极管效应将自然界的“冷能”导入桩基1内，并实现桩基1内各个部位的热交换，有效解决了群桩基础在小的范围内使用大量的混凝土，势必产生大量的水化热，从而增加桩周冻土的回冻时间，甚至影响冻土的稳定的问题。

因此，本发明不仅热交换效率高，群桩基础中各桩基1的吸热和散热效果好，而且缩短了桩基混凝土回冻时间，减少桥梁上部结构施工工期。

为了大大提高热棒2在桩基1内的传热效率，同时也能更加稳固的将热棒2、桩基1、承台3和桥墩5一体灌注成型，提高本发明的连接强度以及群桩效应，在本实施例中桩基1采用灌注桩，在浇筑灌注桩之前，先将热棒的2蒸发段21固定在灌注桩桩基1的钢筋笼上。另外桩基1、承台3和桥墩5为一体灌注而成，在施工时不会产生振动、无挤土、噪音小。

其中本实施例的热棒2采用l型热棒，如此热棒2的蒸发段21避开桥墩5，向四周扩散，其散热效果更好，热棒2的直径设计为不小于80mm，以更易于施工，同时热棒2的热二极管效应也更好。

当然为了预防热棒2遭外界撞击的风险，还可以在一体化热棒桩基结构中设置热棒套管4，热棒套管4设于冷凝段22与蒸发段21之间的绝热段，即承台3上部与冷凝段22之间的热棒2部分。热棒套管4的材质可以为pvc套管，也可以为钢套管。

实施例2

一种一体化热棒桩基结构的施工方法，该施工方法包括以下步骤：

s1、首先按照承载力计算群桩桩基1的尺寸、个数、配筋，上部承台3和桥墩5的尺寸、配筋以及混凝土的标号，混凝土保护层厚度应符合相关规范规定；

依据能量平衡原理根据桩基1的设计尺寸、混凝土的配合比设计以及桥址区地勘资料设计热棒2的尺寸(包括热棒2蒸发段21、绝热段和冷凝段22长度)、热棒2的工质类型和填充量；在本实施例中热棒2的直径设计为80cm；

s2、进行桩基2钻孔：采用水钻钻孔施工，钻至设计深度后立即将孔内的水抽干；

s3、轧制桩基钢筋笼，并将l型热棒2固定在桩基钢筋笼的纵筋上，尽快将带有热棒2的钢筋笼放入钻孔中，开始浇筑桩基混凝土；

s4、待桩基混凝土养生至设计强度的70％时，开始绑扎承台3和桥墩5部分的钢筋，完成后进行模板支护；

s5、浇筑承台3、桥墩5混凝土，桥墩5混凝土的浇筑高度为承台3部位以上50cm，且露出桥墩钢筋，然后进行养护即可。

实施例3

一种一体化热棒桩基结构的施工方法，该施工方法包括以下步骤：

s1、首先按照承载力计算群桩桩基1的尺寸、个数、配筋，上部承台3和桥墩5的尺寸、配筋以及混凝土的标号，混凝土保护层厚度应符合相关规范规定；

依据能量平衡原理根据桩基的设计尺寸、混凝土的配合比设计以及桥址区地勘资料设计热棒2的尺寸(包括热棒2蒸发段21、绝热段和冷凝段22长度)、热棒2的工质类型和填充量；在本实施例中热棒2采用l型热棒，直径为85cm；

s2、进行桩基1钻孔：采用水钻钻孔施工，钻至设计深度后立即将孔内的水抽干；

s3、轧制桩基钢筋笼，并将l型热棒2固定在桩基钢筋笼的纵筋上，尽快将带有热棒2的钢筋笼放入钻孔中，开始浇筑桩基混凝土；

s4、待桩基混凝土养生至设计强度的75％时，开始绑扎承台3和桥墩5部分的钢筋，完成后进行模板支护；

s5、浇筑承台、桥墩混凝土。桥墩混凝土的浇筑高度为承台部位以上48cm，且露出桥墩钢筋，进行养护即可。

实施例4

一种一体化热棒桩基结构的施工方法，该施工方法包括以下步骤：

s1、首先按照承载力计算群桩桩基1的尺寸、个数、配筋，上部承台3和桥墩5的尺寸、配筋以及混凝土的标号，混凝土保护层厚度应符合相关规范规定；

依据能量平衡原理根据桩基1的设计尺寸、混凝土的配合比设计以及桥址区地勘资料设计热棒2的尺寸(包括热棒2蒸发段21、绝热段和冷凝段22长度)、热棒2的工质类型和填充量；在本实施例中热棒2采用l型热棒，直径为90cm；

另外选择热棒套管4的结构类型与材料；

s2、进行桩基1钻孔：采用水钻钻孔施工，钻至设计深度后立即将孔内的水抽干；

s3、轧制桩基钢筋笼，并将l型热棒2固定在桩基钢筋笼的纵筋上，尽快将带有热棒2的钢筋笼放入钻孔中，开始浇筑桩基混凝土；

s4、待桩基混凝土养生至设计强度的70％时，开始绑扎承台3和桥墩5部分的钢筋，完成后进行模板支护；

s5、浇筑承台、桥墩混凝土。桥墩混凝土的浇筑高度为承台部位以上52cm，且露出桥墩钢筋；

s6、将热棒套管4安装固定于承台上部与热棒2冷凝段22之间的热棒2上，即可。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。