(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210780161.1 (22)申请日 2022.07.04 (71)申请人 中交第一公路勘察设计 研究院有限 公司 地址 710075 陕西省西安市高新区科技 二 路63号 (72)发明人 汪双杰　符进　陈建兵　金龙　 董元宏　彭惠　魏尧　 (74)专利代理 机构 四川力久律师事务所 512 21 专利代理师 方清 (51)Int.Cl. E02D 5/34(2006.01) E02D 33/00(2006.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01)G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 冻土区域分区控温桩基、 群桩系统及设计方 法、 施工方法 (57)摘要 本发明涉及寒区桩基工程领域， 特别涉及冻 土区域分区控温桩基、 群桩系统及设计方法、 施 工方法， 桩基在结构上形成分区控温结构， 实现 桩心区域和桩侧区域的独立控温结构， 并通过设 计方法提前确定控温温度和控温时间， 在多年冻 土区桩基成桩 过程中进行分区分阶段控温， 能够 同时满足桩基混凝土在强度形成阶段的养护正 温需求和桩基承载力形成阶段桩周冻土的回冻 负温需求， 降低桩基养护温度对桩侧冻土的影 响， 加快桩基混凝土强度的形成， 实现冻土区域 混凝土养护和冻土耦合作用下的桩基快速成型， 缩短了工期， 减少工程投资。 权利要求书3页 说明书11页 附图7页 CN 115059061 A 2022.09.16 CN 115059061 A 1.冻土区域分区控温桩基， 其特 征在于， 包括 第一控温体 （1） ： 沿桩基 （3） 中心线设置， 并至少从桩基 （3） 顶面延伸至桩基 （3） 底面； 第二控温体 （2） ： 沿桩基 （3） 外壁环绕设置， 并至少从桩基 （3） 的地面分界面延伸至桩基 （3） 底面； 控温系统 （4） ： 用于调整所述第一控温体 （1） 和所述第二控温体 （2） 温度， 所述第一控温 体 （1） 至少具有升温功能， 所述第二控温体 （2） 具有升温和降温功能， 形成分区控温结构； 温度监测系统 （5） ： 包括若干成列埋设的测温传感器 （52） ， 所述温度监测系统 （5） 与所 述控温系统 （4） 联动控制。 2.如权利要求1所述的冻土区域分区控温桩基， 其特征在于， 所述第一控温体 （1） 包括 管件和/或电加热结构， 所述第二控温体 （2） 包括管件， 所述控温系统 （4） 包括工质供应装置 （41） 和电控系统 （43） ， 所述工质供应装置 （41） 连接制热制冷装置 （42） 。 3.如权利要求2所述的冻土区域分区控温桩基， 其特征在于， 所述第一控温体 （1） 包括 主管 （11） 和至少一根支管 （12） ， 所述主管 （11） 沿桩基 （3） 中心线延伸至桩底， 所述支管 （12） 底部与所述主管 （11） 连通， 所述支管 （12） 顶部位于地面以上的桩基 （3） 上； 所述第二控温体 （2） 螺旋盘绕于桩基 （3） 钢筋笼。 4.如权利要求3所述的冻土区域分区控温桩基， 其特征在于， 所述支管 （12） 沿所述主管 （11） 周向螺 旋盘绕设置 。 5.如权利要求3所述的冻土区域分区控温桩基， 其特征在于， 所述支管 （12） 为多根时， 所有所述支管 （12） 环绕所述主管 （1 1） 排列， 所述支管 （12） 为 直管或螺 旋型管道。 6.冻土区域分区控温群桩系统， 其特征在于， 包括如权利要求1 ‑5任意一项所述的冻土 区域分区控温桩基 （3） ， 至少两根桩基 （3） 排列组合形成群桩结构， 所述群桩结构作为一个 控温单元， 所述控温单元外围冻土内设置若干第三控温体 （6） ， 若干所述第三控温体 （6） 环 绕所述控温单 元设置， 形成至少一层外控温壁 （7） ， 所述第三控温体 （6） 具有降温功能。 7.如权利要求6所述的冻土区域分区控温群桩系统， 其特征在于， 所述控温单元的中心 区域和/或相邻桩基 （3） 之间设置若干所述第三控温体 （6） ， 形成内控温壁 （8） ， 所述外控温 壁 （7） 和所述内控温壁 （8） 之间形成桩基 （3） 养护区域。 8.如权利要求7所述的冻土区域分区控温群桩系统， 其特征在于， 所述第一控温体 （1） 、 第二控温体 （2） 和第三控温体 （6） 可同步控温。 9.如权利要求1 ‑5任意一项所述的冻土区域分区控温桩基的设计方法， 其特征在于， 包 括如下设计步骤： 步骤1： 结构设计： 根据桩基 （3） 应用工程需求及施工条件， 确定包括桩基 （3） 结构参数； 步骤2： 成桩工艺设计： 根据冻土区域相 关地勘资料， 结合桩基 （3） 混凝土材料配比， 确 定包括控温 温度和控温时间的成桩工艺 参数； 步骤3： 成桩方案设计： 结合步骤1确定在桩基 （3） 浇筑前的钢筋笼结构设置方案， 结合 步骤2确定在桩基 （3） 浇筑后的分区分阶段控温养护方案， 组合形成桩基 （3） 成桩方案 。 10.如权利要求9所述的冻土区域分区控温桩基的设计方法， 其特征在于， 所述步骤1包 括： 步骤1.1： 根据桩基 （3） 应用工程结构设计需求， 确定桩基 （3） 直径和桩基高度； 步骤1.2： 根据施工条件， 确定第一控温体 （1） 结构参数： 若第一控温体 （1） 为电加热结权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115059061 A 2构， 设置电加热结构配套电控系统 （43） ； 若第一控温体 （1） 为管件， 设置主管 （11） 、 支管 （12） 和配套工质供应装置 （41） ； 主管 （11） 内径 为桩基 （3） 直径的20 ‰‑70‰； 若支管 （12） 为一根， 支管 （12） 的直径与主管 （11） 直径相等； 若支管 （12） 为多根， 所有支管 （12） 的直径之和与主 管 （11） 直径相等， 10 cm≤支管 （12） 外壁与主管 （1 1） 外壁间隔距离 ≤1/2桩基 （3） 直径； 步骤1.3： 根据施工条件， 确定第二控温体 （2） 结构参数： 若第二控温体 （2） 采用非金属 管件， 设置其内径为桩基 （3） 直径的20 ‰‑70‰； 若第二控温体 （2） 采用金属管件， 设置其内 径≥14mm且小于桩基 （3） 直径的25 ‰； 步骤1.4： 根据桩基 （3） 结构， 确定测温传感器 （52） 的设置位置： 至少一列的所述测温传 感器 （52） 与所述第一控温体 （1） 贴靠设置， 至少一列的所述测温传感器 （52） 与桩基 （3） 外壁 贴靠设置， 至少一列的所述测温传感器 （52） 设置在桩基 （3） 外侧冻土内， 与桩基 （3） 间隔设 置， 每一列的所述测温传感器 （52） 数量 为至少两个。 11.如权利要求9所述的冻土区域分区控温桩基的设计方法， 其特征在于， 步骤2具体包 括： 步骤2.1： 根据桩基 （3） 应用工程设计资料及冻土区域相关地勘资料， 配合桩基 （3） 混凝 土材料参数， 准备桩基 （3） 养护室内试验； 步骤2.2： 确定试验养护温度 θ， θ 的取值范围为20 ‑50℃； 步骤2.3： 进行桩基 （3） 养护室内试验， 获取桩基 （3） 混凝土试块水化升温然后降温至养 护温度 θ 的时间t1； 获取桩基 （3） 混凝 土试块在养护温度 θ 下达 到设计强度的时间 △t； 步骤2.4： 根据获取的数据绘制等效龄期曲线图。 12.如权利要求11所述的冻土区域分区控温桩基的设计方法， 其特征在于， 等效龄期的 计算公式为： ， 式中： te为等效龄期， 单位 为h； Ea 为混凝土活化能， 单位 为kJ/mol； R为气体常数， 取值 为8.134J/(mo l·K)； θr为混凝土参考温度， 单位 为℃， 取值 为标准养护条件的20℃； θ 为龄期为t时的养护温度， 单位 为℃； △t为混凝土养护时间， 单位 为h。 13.冻土区域分区控温桩基的施工方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1： 钻孔： 根据桩基 （3） 设计尺寸钻 桩基孔； S2： 钢筋笼绑扎： 绑扎桩基 （3） 钢 筋笼， 在桩基 （3） 钢筋笼两端面沿直径方向焊接连接钢 筋， 沿桩长方向焊接竖向钢筋连接两连接钢筋， 在竖向钢筋上绑扎第一控温体 （1） ， 在钢筋 笼外壁环绕绑扎管件形成第二控温体 （2） ； S3： 测温传感器安装： 在 竖向钢筋、 钢筋笼外壁设置通过信号线缆 （51） 连接的测温传感 器 （52） ， 在桩基 （3） 外围冻土内钻测温孔设置通过信号线缆 （51） 连接的测温传感器 （52） ， 将 所有信号线缆 （51） 连接温度监测系统 （5） ； S4： 钢筋笼入坑；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115059061 A 3