主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法技术

主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法，属寒区边坡支护领域；包括框架、热锚管和制冷装置，热锚管由热管通过螺纹与中空锚管连接构成；制冷装置由制冷片，温控开关和太阳能板通过导线连接构成；热锚管冷凝段安装制冷片；在热锚管上依次套锚具、弹簧和垫板，并将热锚管置于坡体洞内；在热锚管内压力注入浆体使其锚固于稳定冻土层；在坡面上施作土工格栅和框架，用锚具将热锚管锚固于框架上；在坡脚施设排水沟；用导线依次将制冷片，框架上的温控开关和太阳能板连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于寒区边坡支护
，具体涉及一种，特别适用于多年冻土地区的公路、铁路边坡和天然边坡的支护工程。
技术介绍
随着经济建设的快速发展，各式各样的寒区工程相继修建，工程建设产生了大量新边坡。新边坡的出现，不可避免地破坏了原有地表植被、水流路径等，造成地表换热条件改变，施工完成后土坡面的吸热面积和吸热量显著增加，原有冻土的热量平衡遭到破坏，总体热量吸入大于热量支出，冻融活动层温度升高，冻土上限下降，影响冻土边坡的稳定性，而冻土边坡稳定性对线路长期安全运营具有潜在的威胁。因此，必须对其进行工程治理。普通的治理措施是换填冻融层土体，坡面增设隔热保温层和非寒区的锚喷支护措施，由于冻土含冰率高和温度敏感性特点，并且随着全球气候的变暖，热融量增多，换填法工程量巨大，隔热保温稳固措施不可靠，且影响地表植被种植面积，荒漠化程度逐渐上升，普通锚喷支护结构不能降低冻土上限的下降，且遭受强烈冻胀支护结构容易破坏。 针对现有工程措施无法根治冻土边坡冻融滑塌的缺陷，申请号:201310484351.X的专利提出了一种防治寒区边坡冻融滑塌的框架热锚管结构。该结构的主要特点:一方面是热锚管能够主动降低周围融化冻土的温度，使其处于冻结状态，减少热融滑塌量；另一方面是热锚管与框架结合对边坡进行支护。通过主动冷却与被动支护相结合的措施，为冻土边坡的冻融滑塌治理问题提供了新方法，并取得了良好的治理效果。然而该结构也存在明显的缺陷，在夏季，外界环境温度高于坡体温度，热锚管中的制冷剂蒸汽不能在冷凝段得到冷却，热锚管的主动冷却工作几乎停止，当坡体内冬季储存在的冷量被消耗殆尽，冻融活动层土体不能被降温冷却，土体强度降低，框架热锚管支护结构承受的外荷载增大，往往造成边坡热融滑塌失稳；更为严重的是在夏季日照强烈温度较高时，由于热锚管金属壁自身导热，还会将部分热量传到冻土里，加剧边坡冻土的融化。冬季冻融活动层冻胀作用强烈，使锚具固定约束的框架受到巨大的冻胀力，造成框架结构破坏；热锚管需要专门工厂制作，由于热锚管长度较长，为厂家制作和长途运输到工地带来不便，使得工程造价居高不下。除此之外，护面仅靠植被和抛石稳固热融土体的能力较弱。
技术实现思路
针对上述现有支护技术的缺点和基于保护冻土良好发育的原则，本专利技术的目的是提供一种，解决目前支护结构冷却效果差，减轻冻胀对支护结构的危害，坡面植被覆盖率低的缺点，进一步提高寒区边坡的稳定性。 本专利技术是，主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，包括框架、热锚管5和制冷装置，热锚管5由热管6通过螺纹与中空锚管12连接构成；金属内管7嵌套于金属外管8内，金属内管7与金属外管8之间两端封闭构成中空封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质9形成热管6;制冷装置由制冷片14，温控开关15和太阳能板16通过导线17连接构成；热锚管5的冷凝段A安装制冷片14 ;在热锚管5上依次套锚具18、弹簧19和垫板20，并放置于坡体洞内；在热锚管5内压力注入浆体21，通过中空锚管12上的出浆孔13与周围土层粘结成锚固段C ;在坡面上施作土工格栅22和框架，热锚管5穿越横梁2和立柱3的交叉位置，用锚具18将热锚管5锚固于框架上；在坡脚施设排水沟24 ;用导线17依次将制冷片14，框架上的温控开关15和太阳能板16连接。 主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构的施工方法，其步骤为:(O预制热管6:根据工程实际确定多年冻土冻融活动层的最大厚度，最大厚度即为热管6的蒸发段B的长度；根据蒸发段B与冷凝段A是2:1的关系，确定热管6的总长度；在金属外管8的1/3位置处焊接金属环10，并在金属环10上车削螺纹；在金属内管7的一端车削内螺纹；金属内管7嵌套于金属外管8内，且将金属外管8与金属内管7之间的两端用实体封闭构成中空的封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质9，在冷凝段A上设有散热片11，且在金属外管8和散热片11的外面涂防腐层；(2)制作中空锚管12:根据工程计算确定中空锚管12的长度；选取直径与金属内管7相同的中空杆体，在前段车削与金属内管7内螺纹相配套的外螺纹，在中空杆体上按直径为3飞mm、间距为5(T80mm钻出浆孔13 ；(3)制作锚具18和弹簧19:制作外径12(Tl50mm,内径与金属环10相同的锚具18 ;制作刚度系数为20(T600N/mm，长度为8(Tl50mm的弹簧19，直径取在金属外管8和锚具18外径之间；(4)放线及定位:首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次从坡顶向下开挖边坡，之后用测量仪器定位热锚管5的施设位置；(5)施工热锚管5:将热管6通过螺纹与中空锚管12连接，构成热锚管5 ;在冻土层中按设计角度开设孔洞，从无散热片11的一端依次将锚具18、弹簧19和垫板20套在热锚管5上，然后放置于坡体孔洞内；在热锚管5内压力注入锚固浆体21，使其从出浆孔13渗出，与周围稳定土层粘结形成锚固段C ；(6)施工土工格栅22:在坡面上铺设土工格栅22 ；(7)浇注压顶冠梁1、横梁2和立柱3:在第一根立柱3和第一排横梁2的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土形成框架；(8)待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时对热锚管5进行预应力张拉，并用锚具18将热锚管5锚定在框架上；(9)种植植被23:在横梁2和立柱3之间的土工格栅22内种植植被23 ；(10)按照第(5)、(6)、(7)、(8)、(9)步的步骤施工下一个工作面的热锚管5、土工格栅22、横梁2和立柱3,并种植植被23,完成各层热锚管5的张拉与锚固；(11)按照第(7)步工序施工立柱3至立柱3的底端，在立柱3的底端设计位置处施工横梁2，施工其余热锚管5和土工格栅22，并完成相应工序；(12)在立柱3的底端对应位置处制作基础桩4:在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础桩4内钢筋焊接连接，浇注基础桩4 ；(13)在坡脚浇筑混凝土排水沟24；(14)安装制冷装置:在施工完成热锚管5的冷凝段A上安装制冷片14，将制冷片14的冷面与热锚管5粘贴；在框架上安装温控开关15和太阳能板16 ;用导线17将制冷片14、温控开关15和太阳能板16串联起来；太阳能板16的正极与制冷片14的红线连接，负极与黑线连接。 本专利技术的有益效果是:本专利技术综合利用半导体制冷、热锚管和锚固技术于一体，形成主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构。该结构实用性强，技术可行，用于寒区边坡治理工程的主要优点为:(I)避免了夏季环境温度大于坡体冻融活动层温度时，热锚管主动降温停止工作及热锚管导热引起对冻土的加热反作用。在外界温度低于冻融活动层温度时，热锚管内的传热工质通过气液两相转化进行降温；相反，在不满足上述条件时，通过温控开关控制将半导体制冷片与太阳能板连通，在电力的驱动下通过制冷片的冷面对热锚管冷凝段进行冷却降温，使冷凝段内的传热工质蒸汽凝结，并回流到蒸发段继续重复工作。实现了热锚管全年降温工作，这对多年冻土坡体的稳定起到很好的促进作用。(2)弹簧通过调节自身变形，既能减轻冬季土体冻胀对支护结构的破坏，又能让支护结构在夏季土体融沉时恢复到靠近土体的位置，发挥支档作用，还能够缓解地震对支护结构的破坏作用。(3) 土工格栅既能够进本文档来自技高网...

【技术保护点】
主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，包括框架、热锚管（5）和制冷装置，其特征为：热锚管（5）由热管（6）通过螺纹与中空锚管（12）连接构成；金属内管（7）嵌套于金属外管（8）内，金属内管（7）与金属外管（8）之间两端封闭构成中空封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质（9）形成热管（6）；制冷装置由制冷片（14），温控开关（15）和太阳能板（16）通过导线（17）连接构成；热锚管（5）的冷凝段（A）安装制冷片（14）；在热锚管（5）上依次套锚具（18）、弹簧（19）和垫板（20），并放置于坡体洞内；在热锚管（5）内压力注入浆体（21），通过中空锚管（12）上的出浆孔（13）与周围土层粘结成锚固段（C）；在坡面上施作土工格栅（22）和框架，热锚管（5）穿越横梁（2）和立柱（3）的交叉位置，用锚具（18）将热锚管（5）锚固于框架上；在坡脚施设排水沟（24）；用导线（17）依次将制冷片（14），框架上的温控开关（15）和太阳能板（16）连接。

【技术特征摘要】
1.主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，包括框架、热锚管(5)和制冷装置，其特征为:热锚管(5)由热管(6)通过螺纹与中空锚管(12)连接构成；金属内管(7)嵌套于金属外管(8)内，金属内管(7)与金属外管(8)之间两端封闭构成中空封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质(9)形成热管(6);制冷装置由制冷片(14),温控开关(15)和太阳能板(16)通过导线(17)连接构成；热锚管(5)的冷凝段(A)安装制冷片(14);在热锚管(5)上依次套锚具(18)、弹簧(19)和垫板(20)，并放置于坡体洞内；在热锚管(5)内压力注入浆体(21)，通过中空锚管(12)上的出浆孔(13)与周围土层粘结成锚固段(C);在坡面上施作土工格栅(22 )和框架，热锚管(5 )穿越横梁(2 )和立柱(3 )的交叉位置，用锚具(18 )将热锚管(5 )锚固于框架上；在坡脚施设排水沟(24);用导线(17)依次将制冷片(14)，框架上的温控开关(15)和太阳能板(16)连接。2.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于:所述热管的金属外管(8)的1/3左右位置带有金属环(10)，金属环(10)外带有用于连接锚具(18)的外螺纹，金属内管(7)后端带有与中空锚管(12)连接的内螺纹；金属外管(8)的直径为7(T90mm，长度为3.5?6.0m ;金属内管(7)长度与金属外管(8)相等，直径为3(T40mm。3.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于:所述的中空锚管(12)前段带有外螺纹，周围带有出浆孔(13)，中空锚管(12)的直径与金属内管(7)相同，长度为1.5?3.0m。4.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于:所述的制冷片(14)为半导体制冷片，额定电压24V，额定电流6A，可为单层或多层制冷片；太阳能板(16)电压与制冷片(14)电压相同，太阳能板(16)的正极与制冷片(14)的红线连接，负极与黑线连接；所述的温控开关(15)的感应转换温度设定为0° C。5.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于:所述的弹簧(19)的刚度系数为20(T600N/mm，直径取值金属外管(8)直径和锚具(18)外径之间，长度为80?150mm。6.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于:所述的锚具(18)内径与金属环(10)相同，外径12(Tl50mm，且带有与金属环(10)相配套的螺纹。7.主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构的施工方法，其特征为，其步骤为: (1)预制热管(6):根据工程实际确定多年冻土冻融活动层的最大厚度，最大厚度即为热管(6)的蒸发段(B)的长度；根据蒸发段(B)与冷凝段(A)是2:1的关系，确定热管(6)的总长度；在金属外管(8)的1/3位置处焊接金属环(10)，并在金属环(10)上车削螺纹；在金属内管(7)的一端车削内螺纹；金属内管(7)嵌套于金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：董建华，董旭光，王永胜，何天虎，朱彦鹏，王冰霞，吴意谦，代涛，袁方龙，高发阳，柳珂，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62