一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础及方法
技术领域
本发明涉及冻土地区输电线路杆塔基础技术领域，尤其涉及一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础。
背景技术
为了解决东地区的能源短缺和环境污染，促进西部地区的经济发展，国家加大了对与西部地区的能源互联基础建设，因此越来越多的输电线路工程在高原冻土地区开展，季节性冻土地区的冻土层会随着气温的增加而熔融，或随着气温的降低而冻结，导致输电杆塔基础发生融沉或冻拔现象，极大的影响了输电铁塔的稳定性，给人民生命财安全以及社会经济的发展带来极大的威胁。
目前，季节性冻土地区基础主要处置方式为保护和破坏，然而，对于季节性冻土来说，夏天季节冻结层和季节融化层融化时，冰层及冰透镜体分布的不均匀，会引起土层不均匀沉降以及冻胀现象。传统的保护措施如热棒、保温板、保护坡等不能达到有效的控制基础融沉以及冻拔问题，采用挖除加换填的方式能有效地控制冻土基础的沉降以及冻拔，但是这种施工方式会对冻土区脆弱的生态环境造成严重的破坏。然而，螺旋桩基础施工时则无需开挖工程，因此，针对季节性冻土的特点，设计了一种钢管螺旋桩结构，在土体不发生扰动的前提下，提高螺旋桩基础的抗融沉和冻胀的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础，解决在冻土区中螺旋桩基础发生抗融沉和冻胀而易影响电线路杆塔基础稳定的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础，其包括支撑螺旋桩、用于为所述支撑螺旋桩提供冷却风的送风系统、设置在所述支撑螺旋桩的上端部并用于缓冲塔基础因发生季节性融沉或冻拔而位置变化的可调节支撑机构、为所述可调节机构提供动力的液压调节系统、以及设置在所述支撑螺旋桩的上部用于对所述可调节支撑机构进行限位的固定系统；在冻土层中安装有用于检测其内部温度变化的温度传感器，所述温度传感器作为信号输入端连通用于控制所述送风系统、所述调节支撑机构、以及所述液压调节系统的控制系统。
进一步的，所述支撑螺旋桩包括钢管、设置在钢管下端部外周侧的叶片。
再进一步的，所述送风系统包括为所述钢管提供冷却风的进风管和出风管以及为所述进风管提供冷却风的送风机，所述进风管在所述钢管的连通位置低于所述出风管在所述钢管的连通位置。
再进一步的，所述可调节支撑机构安装在所述钢管的上端，其包括由位于所述钢管上端内部的密封板和端板围成的腔体、在所述腔体内限位安装有连杆和活塞；所述端板的中心位置开设有与所述连杆密封接触配合的开孔。
再进一步的，所述活塞的外周侧通过密封环和支撑件密封安装在所述腔体内，并将所述腔体分为上腔体和下腔体。
再进一步的，所述液压调节系统包括液压泵、用于分别连通所述上腔体和所述下腔体的输油管、三位五通中封阀、以及油箱。
再进一步的，所述钢管的上端部设置有用于对所述连杆进行限位的所述固定系统；所述固定系统包括固定在所述钢管上并外含螺纹的固定座、插设在所述固定座内的固定连杆、在所述固定连杆上并位于所述钢管内的一端部安装有摩擦片、以及与所述固定座螺纹连接的螺母套。
再进一步的，所述固定系统还包括安装在所述钢管的上端部并用于对调节所述摩擦片对所述连杆进行限位固定的智能紧固系统，所述智能紧固系统包括设于所述摩擦片上与所述连杆接触面上的压力传感器、用于带动所述螺母套进行转动的伺服发动机、用于接收所述压力传感器发射转动信号并据此驱动所述伺服发动机的控制系统；其中所述伺服发动机通过转轴带动齿轮进行转动，所述齿轮通过传送履带带动螺母套转动；在所述智能紧固系统的外部设置有以便拆卸检查的薄壁方形壳体。
再进一步的，所述送风系统、所述调节支撑机构、以及所述液压调节系统均通过太阳能供电设备提供电能或者通过输电线路提供。
一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础的方法，
首先，通过所述送风机为所述进风管提供冷却风，其中冷却风将所述钢管内的热量通过出风管排出大气环境中，由于所述进风管在所述钢管的连通位置低于所述出风管在所述钢管的连通位置，从而便于将冷却空气排出，降低控制在所述钢管内的滞留，提高空气流速，便于稳定季节性冻土土质的温度，减轻熔融沉陷的影响；
当地环境气温升高时，季节性冻土地区土质处于持续性熔融沉陷状态，埋设在季节性冻土层中支撑螺旋桩会出现沉陷情况，其中控制器根据接收埋设在支撑螺旋桩周围温度传感器测量信号进行驱动液压调节系统为位于钢管上端部安装的可调节支撑机构提供液压动力，其通过液压泵为输油管为下腔体输入液压油，而所述上腔体通过另一输油管将其内的液压油输出给油箱，从而调节所述连杆向所述钢管升起，最后利用所述连杆的固定系统的位置进行限位固定，从而保持整体的支撑螺旋桩的水平高度不变，其中在所述固定系统中的智能紧固系统中，所述伺服发动机通过传送履带带动螺母套转动；
当地环境气温降低时，季节性冻土地区土质处于持续性冻拔状态，埋设在季节性冻土层中支撑螺旋桩会出现拔起情况，其中控制器根据接收埋设在支撑螺旋桩周围温度传感器测量信号进行驱动液压调节系统为位于钢管上端部安装的可调节支撑机构提供液压动力，其通过液压泵为输油管为上腔体输入液压油，而所述下腔体通过另一输油管将其内的液压油输出给油箱，从而调节所述连杆向所述钢管下降，最后利用所述连杆的固定系统的位置进行限位固定，从而保持整体的支撑螺旋桩的水平高度不变。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：本申请中通过将上部桩体设计成液压缸形式，可以根据冻土层的变化情况调节桩体长度，通过主动冷却装置降低冻土温度，减小螺旋桩基础冻拔以及沉降对上层建筑物的影响，且能够利用智能紧固系统进行自主紧固，保障系统的整体稳定性；另外，本申请中钢管螺旋桩基础上的连杆长度可调，在桩顶施工标高有误差时可以通过液压系统调节，适合应用在地形有起伏难控制桩顶标高的地区，提高钢管螺旋桩基础适用范围。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的主体示意图；
图2为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的运行系统示意图；
图3为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的伸缩装置意图；
图4为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的叶片示意图；
图5为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的伸缩原理示意图；
图6为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的送风系统示意图；
图7为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的紧固件的分解示意图；
图8为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的紧固螺母套的示意图；
图9为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础中摩擦片的示意图；
图10为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的固定装置示意图；
图11为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的连杆固定装置及智能紧固系统的俯视示意图；
图12为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的智能紧固系统的传动示意图；
图13为本发明可伸缩钢管螺旋桩基础的智能紧固系统的全视图及剖视图。
附图标记说明：1、连杆；2、端盖；3、活塞；4、密封圈；5、支撑件；6、液压油；7、钢管；7a、密封板；8、输油口；9、输油管；10、叶片；11、液压泵；12、油箱；13、三位五通中封阀；14、送风机；15、出风管；16、出风口；17、进风口；18、进风管；19、螺母套；19a、限位环形槽；20、固定连杆；20a、限位环形件；21、摩擦片；22、固定座；23、智能紧固系统；24、压力传感器；25、伺服发动机；26、转轴；27、齿轮；28、传送履带；29、温度传感器；30、太阳能供电系统；a、永冻土层；b、初始位置；c、调节位置。
具体实施方式
实施例1
如图1-12所示，一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础，其包括支撑螺旋桩、用于为所述支撑螺旋桩提供冷却风的送风系统、设置在所述支撑螺旋桩的上端部并用于缓冲塔基础因发生季节性融沉或冻拔而位置变化的可调节支撑机构、为所述可调节机构提供动力的液压调节系统、以及设置在所述支撑螺旋桩的上部用于对所述可调节支撑机构进行限位的固定系统；在冻土层中安装有用于检测其内部温度变化的温度传感器29，所述温度传感器29作为信号输入端连通用于控制所述送风系统、所述调节支撑机构、以及所述液压调节系统的控制系统。
如图4所示，所述支撑螺旋桩包括钢管7、安装在钢管7下端部外周侧的叶片10，其中所述叶片10为多个交错方式安装在所述钢管7的下端部，具体位于永冻土层。
如图3和图5所示，所述可调节支撑机构安装在所述钢管7的上端，其包括由位于所述钢管7上端内部的密封板7a和端板2围成的腔体、在所述腔体内限位安装有连杆1和活塞3；所述端板2的中心位置开设有与所述连杆1密封接触配合的开孔；其中所述连杆1作为连接塔架基础的下端结构；所述活塞3的外周侧通过密封环4和支撑件5密封安装在所述腔体内，并将所述腔体分为上腔体3a和下腔体3b，所述液压调节系统包括液压泵11、用于分别连通所述上腔体3a和所述下腔体3b的输油管9、三位五通中封阀13、以及油箱12；图5所示，将连杆1从初始位置b调节至调节位置c，其中所述密封环4位于所述活塞4的中部外外周侧，在所述活塞4所述支撑件5对称安装所述密封环4的两侧，从而利用液压泵11以及液压油6对对所述连杆1的位置进行调节。
如图6所示，所述送风系统包括为所述钢管7提供冷却风的进风管18和出风管15以及为所述进风管18提供冷却风的送风机14，所述进风管18在所述钢管7的连通位置低于所述出风管15在所述钢管7的连通位置，从而便于将冷却空气排出，降低控制在所述钢管7内的滞留，提高空气流速，便于稳定季节性冻土土质的温度，减轻熔融沉陷的影响。
如图7-13所示，所述钢管7的上端部安装有用于对所述连杆1进行限位的所述固定系统；所述固定系统包括固定在所述钢管7上并外含螺纹的固定座22、插设在所述固定座22内的固定连杆20、在所述固定连杆20上并位于所述钢管7内的一端部安装有摩擦片21、以及与所述固定座22螺纹连接的螺母套1；所述固定系统还包括安装在所述钢管7的上端部并用于对调节所述摩擦片21对所述连杆1进行限位固定的智能紧固系统23，所述智能紧固系统23包括设于所述摩擦片21上与所述连杆1接触面上的压力传感器24、用于带动所述螺母套19进行转动的伺服发动机25、用于接收所述压力传感器24发射转动信号并据此驱动所述伺服发动机25的控制系统；其中所述伺服发动机25通过转轴26带动齿轮27进行转动，所述齿轮27通过传送履带28带动螺母套19转动；在所述智能紧固系统23的外部安装有以便拆卸检查的薄壁方形壳体起到保护作用，所述伺服发动机25通过支撑架或安装座固定安装在所述钢管7的外部，由于整个装置设定了伺服发动机25的固定转数，使得伺服发动机25不会一直朝着某个方向旋转不停，只要达到摩擦片松弛或加紧。
如图2所示，所述送风系统、所述调节支撑机构、以及所述液压调节系统均通过太阳能供电系统30提供电能；具体实施时本申请还可以通过输电线路提供电能。
应用上述实施例而公开的一种用于冻土区主动冷却的可伸缩钢管螺旋桩基础的方法：
首先，通过所述送风机14为所述进风管18提供冷却风，其中冷却风将所述钢管7内的热量通过出风管15排出大气环境中，由于所述进风管18在所述钢管7的连通位置低于所述出风管15在所述钢管7的连通位置，从而便于将冷却空气排出，降低控制在所述钢管7内的滞留，提高空气流速，便于稳定季节性冻土土质的温度，减轻熔融沉陷的影响。
当地环境气温升高时，季节性冻土地区土质处于持续性熔融沉陷状态，埋设在季节性冻土层中支撑螺旋桩会出现沉陷情况，其中控制器根据接收埋设在支撑螺旋桩周围温度传感器29测量信号进行驱动液压调节系统为位于钢管7上端部安装的可调节支撑机构提供液压动力，其通过液压泵11为输油管9为下腔体3b输入液压油6，而所述上腔体3a通过另一输油管9将其内的液压油6输出给油箱12，从而调节所述连杆1向所述钢管7升起，最后利用所述连杆1的固定系统的位置进行限位固定，从而保持整体的支撑螺旋桩的水平高度不变，其中在所述固定系统中的智能紧固系统23中，所述伺服发动机25通过传送履带28带动螺母套19转动；如图7所示，所述固定连杆20上固定有限位环形件20a；如图8所示，所述螺母套19的一端部开设有用于对所述固定连杆20上固定de限位环形件20a进行限位的限位环形槽19a，由于所述螺母套19的内螺纹与所述所述固定座22上外螺纹啮合适配，在所述伺服发动机25的驱动下，所述螺母套19相对所述所述固定座22发生轴向移动，从而利用限位环形件20a限位带动固定连杆20轴向移动，从而使得所述固定连杆20端部的摩擦片21压紧或远离所示连杆1，实现可调节地定位；其中由于整个装置设定了伺服发动机25的固定转数，使得伺服发动机25不会一直朝着某个方向旋转不停，只须达到摩擦片松弛或加紧即可。
当地环境气温降低时，季节性冻土地区土质处于持续性冻拔状态，埋设在季节性冻土层中支撑螺旋桩会出现拔起情况，其中控制器根据接收埋设在支撑螺旋桩周围温度传感器29测量信号进行驱动液压调节系统为位于钢管7上端部安装的可调节支撑机构提供液压动力，其通过液压泵11为输油管9为上腔体3a输入液压油6，而所述下腔体3b通过另一输油管9将其内的液压油6输出给油箱12，从而调节所述连杆1向所述钢管7下降，最后利用所述连杆1的固定系统的位置进行限位固定，从而保持整体的支撑螺旋桩的水平高度不变。
实施例2
本实施例中，在在桩顶施工标高有误差时，可以通过应用实施例1中的工作原理，利用液压系统调节连杆1，适合应用在地形有起伏难控制桩顶标高的地区，提高钢管螺旋桩基础适用范围。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上实施例仅是对本发明创造的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
