本發(fā)明屬于環(huán)境巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種季節(jié)凍土區(qū)膨脹土智能支擋結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

膨脹土吸水膨脹、失水收縮的特性會帶來諸多例如地面抬升、沉降，建筑物不均勻沉降、開裂，邊坡變形與蠕變，擋墻、地下室等支擋結(jié)構(gòu)破壞、開裂，地下管道變形、破壞等工程破壞。在季節(jié)凍土區(qū)還有土的凍脹與融沉的影響。為了應(yīng)對季節(jié)凍土區(qū)膨脹土所帶來的不利影響，工程上通常采用物理方法、化學(xué)方法、生物方法等進(jìn)行膨脹土的加固處理，即通過各種手段抑制膨脹土體的變形以期達(dá)到減少膨脹力對于結(jié)構(gòu)的影響，同時應(yīng)用物理化學(xué)方法以及保溫等措施防止土的凍脹。而今，鮮有系統(tǒng)且科學(xué)地給出不通過對季節(jié)凍土區(qū)膨脹土體進(jìn)行處理而采用允許膨脹土有一定的側(cè)向變形并且不給結(jié)構(gòu)帶來例如使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的力或者位移而使結(jié)構(gòu)破壞或者設(shè)計不合理的不利影響的方法，更多是通過控制膨脹土的含水量、對膨脹土土性進(jìn)行改良以及預(yù)先釋放膨脹勢和在膨脹土體中加筋等這些針對于膨脹土體的處理措施，并沒有從允許膨脹土體產(chǎn)生一定變形來減小膨脹力的思路來進(jìn)行處理，這使得工程上許多膨脹土處理都會造成經(jīng)濟(jì)浪費。另外現(xiàn)有的技術(shù)中鮮有通過智能控制技術(shù)主動控制季節(jié)凍土區(qū)膨脹土膨脹側(cè)移的方法，此法可以使得對于膨脹土體的變形可以做到動態(tài)控制，此外在供能系統(tǒng)方面鮮有技術(shù)鮮有應(yīng)用綠色能源來減少對于環(huán)境的破壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種引入智能控制技術(shù)的有效、安全、可控的季節(jié)凍土區(qū)膨脹土智能支擋結(jié)構(gòu)，它可以作為采用智能控制技術(shù)下的支擋結(jié)構(gòu)解決膨脹土膨脹引起的工程破壞以及不經(jīng)濟(jì)設(shè)計，有效的用于指導(dǎo)在季節(jié)凍土區(qū)膨脹土區(qū)支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種季節(jié)凍土區(qū)膨脹土智能支擋結(jié)構(gòu)，包括鋼板樁-內(nèi)支撐支擋體系、主要控制部件及風(fēng)光互補供能系統(tǒng)三部分，其中：

所述鋼板樁-內(nèi)支撐支擋體系由作為圍護(hù)構(gòu)件的拉森鋼板樁、鋼冠梁、鋼腰梁、水平鋼內(nèi)支撐、鋼格構(gòu)式立柱組成；所述水平鋼內(nèi)支撐由上水平鋼內(nèi)支撐和下水平鋼內(nèi)支撐構(gòu)成，鋼格構(gòu)式立柱由左鋼格構(gòu)式立柱和右鋼格構(gòu)式立柱構(gòu)成，左鋼格構(gòu)式立柱和右鋼格構(gòu)式立柱各自與上水平鋼內(nèi)支撐、下水平鋼內(nèi)支撐垂直相連，在所支擋范圍內(nèi)形成框架體系；所述鋼冠梁與鋼腰梁分別安裝在上水平鋼內(nèi)支撐和下水平鋼內(nèi)支撐末端處；所述拉森鋼板樁與鋼冠梁、鋼腰梁之間安裝有主要控制部件，主要控制部件之間采用并聯(lián)連接方式連接。

所述主要控制部件選用伺服液壓系統(tǒng)，由無線數(shù)據(jù)傳感器、信號放大器、處理器、電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、伺服閥、液壓缸、液壓泵、電動機(jī)構(gòu)成，無線數(shù)據(jù)傳感器內(nèi)置于液壓缸內(nèi)部，在施工區(qū)域附近安裝信號放大器和處理器，處理器與電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器相連接后接入伺服閥，伺服閥同時連接液壓泵與液壓缸，液壓缸與拉森鋼板樁緊密貼合。

所述風(fēng)光互補供能系統(tǒng)由風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組、光伏太陽能薄膜電池組、發(fā)電控制器、鉛酸蓄電池組、直流交流逆變器組成，光伏太陽能薄膜電池組與風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)經(jīng)線路相連后分別接入發(fā)電控制器與鉛酸蓄電池組中，發(fā)電控制器和鉛酸蓄電池組與逆變器連接；由逆變器接出電力輸出線路后通過三相五線連接方式與主要控制部件相連接。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明引入智能控制技術(shù)的支擋結(jié)構(gòu)方法是通過允許膨脹土發(fā)生一定的側(cè)移以此減小其對于結(jié)構(gòu)的膨脹力的影響的一種新方法。

2、本發(fā)明提出了一種經(jīng)濟(jì)合理的控制季節(jié)凍土區(qū)膨脹土膨脹側(cè)移的有效方法，對主要控制部件引入智能控制技術(shù)，允許季節(jié)凍土區(qū)膨脹土產(chǎn)生一定的側(cè)移（膨脹或者收縮）且不會給結(jié)構(gòu)帶來如產(chǎn)生額外的力或者位移使結(jié)構(gòu)破壞或設(shè)計不經(jīng)濟(jì)等不利影響，同時不影響整個支擋體系的支擋性能且可按照非膨脹土體設(shè)計支擋結(jié)構(gòu)及不需處理季節(jié)凍土區(qū)膨脹土。

3、本發(fā)明通過對支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用無線以及集中處理技術(shù)進(jìn)行智能控制以及信息處理，從而獲得相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)而控制膨脹土側(cè)移。

4、在膨脹地區(qū)，智能支擋結(jié)構(gòu)由于允許膨脹土體一定側(cè)移，智能控制系統(tǒng)減小了含水量對于膨脹土膨脹影響，僅需要按非膨脹土地區(qū)的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計即可并且不用對膨脹土本身進(jìn)行處理。

5、應(yīng)用風(fēng)力光伏兩種發(fā)電方式的互補供能系統(tǒng)可以從不同的天氣條件、甚至惡劣環(huán)境中獲取綠色能量供給智能控制系統(tǒng)的使用，保證整個智能控制系統(tǒng)長期不間斷正常工作。

6、在主要控制部件對膨脹土的作用下，控制了側(cè)移膨脹的同時，也同時使支擋結(jié)構(gòu)獲得了經(jīng)濟(jì)性，并且能夠解決在季節(jié)凍土區(qū)膨脹土體的支擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與施工方案合理確定，保證了控制膨脹土體膨脹側(cè)移的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明

圖1是鋼板樁—內(nèi)支撐支擋體系的原理示意圖；

圖2是主要控制部件的原理示意圖；

圖3是風(fēng)光互補供能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1：拉森鋼板樁、2：H型鋼冠梁、3：H型鋼腰梁、4：上水平鋼內(nèi)支撐、5：下水平鋼內(nèi)支撐、6：左鋼格構(gòu)式立柱、7：右鋼格構(gòu)式立柱、8：立柱間支撐、9：鋼格構(gòu)式立柱基礎(chǔ)、10：主要控制部件、10-1：無線數(shù)據(jù)傳感器、10-2：信號放大器、10-3：處理器、10-4：電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、10-5：伺服閥、10-6：液壓缸、10-7：液壓泵、10-8：電動機(jī)、11：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、12：光伏薄膜發(fā)電電池板、13：發(fā)電控制器:14：鉛酸蓄電池組、15：直流交流逆變器、16：發(fā)電部分連接線路、17：電力輸出線路、18：膨脹土體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實施方式一：本實施方式提供了一種季節(jié)凍土區(qū)膨脹土智能支擋結(jié)構(gòu)，包括如下三方面內(nèi)容：

（1）鋼板樁—內(nèi)支撐支擋體系

如圖1所示，板樁—內(nèi)支撐體系支擋由作為圍護(hù)構(gòu)件的拉森鋼板樁1、H型鋼冠梁2、H型鋼腰梁3、水平鋼內(nèi)支撐、鋼格構(gòu)式立柱、立柱間支撐8組成。其中：

所述水平鋼內(nèi)支撐由上水平鋼內(nèi)支撐4和下水平鋼內(nèi)支撐5構(gòu)成，鋼格構(gòu)式立柱由左鋼格構(gòu)式立柱6和右水平鋼內(nèi)支撐7構(gòu)成，左鋼格構(gòu)式立柱6和右鋼格構(gòu)式立柱7各自與上水平鋼內(nèi)支撐4、下水平鋼內(nèi)支撐5垂直相連，在所支擋范圍內(nèi)形成框架體系，用于承受鋼水平支撐及其自身豎向荷載，以及由鋼水平支撐傳來水平荷載。

所述水平鋼內(nèi)支撐和鋼格構(gòu)式立柱的相交節(jié)點之間設(shè)置有立柱間支撐8，在水平鋼內(nèi)支撐、鋼格構(gòu)式立柱的相交節(jié)點處應(yīng)做成剛性連接形式，以保證水平支撐受到軸向力影響時計算長度盡可能減小。

所述上水平鋼內(nèi)支撐4的端部安裝H型鋼冠梁2，下水平鋼內(nèi)支撐5的端部安裝H型鋼腰梁3。上水平鋼內(nèi)支撐4與H型鋼冠梁2、下水平鋼內(nèi)支撐5與H型鋼腰梁3也應(yīng)做成剛性連接形式并于支座處及梁內(nèi)作加勁肋以保證上述構(gòu)件發(fā)生強度破壞之前不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

所述拉森鋼板樁與H型鋼冠梁、H型鋼腰梁之間的空間內(nèi)安裝有主要控制部件10，使鋼板樁、H型鋼腰梁、H型鋼冠梁及主要控制部件10之間緊密貼合但不擠壓過緊，以免造成允許膨脹量損失。

由于此支擋結(jié)構(gòu)允許季節(jié)凍土區(qū)膨脹土產(chǎn)生一定側(cè)移（膨脹或收縮），所以支護(hù)構(gòu)件需要一定的柔性而不允許在發(fā)生較小變形的情況下其圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力即接近破壞強度。而鋼材所制成的鋼板樁具有強度高、重量輕、延性好、表面規(guī)則、方便加工等特點，使其適合作為此支擋結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。同上，鋼水平支撐及鋼冠梁、鋼腰梁、鋼格構(gòu)式立柱以及立柱間鋼支撐也同樣適用于內(nèi)支撐體系。其中拉森鋼板樁群在受到季節(jié)凍土區(qū)膨脹土體膨脹時產(chǎn)生的側(cè)向膨脹力后會使鋼板樁產(chǎn)生位移，而在土體失水或土中冰融化時又會產(chǎn)生相反方向位移。而拉森鋼板樁的上述位移會受到主要控制部件調(diào)控。而內(nèi)支撐體系則是為主要控制部件提供水平向反力。在主要控制部件還沒有達(dá)到因土體過度膨脹而達(dá)到設(shè)計所允許的變形時，內(nèi)支撐體系此時不會受到土體脹縮變形所帶來的影響，從而減小支撐體系負(fù)擔(dān)，不需使用過大的構(gòu)件截面限制土體膨脹收縮時的全部位移，進(jìn)而使設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理。

（2）主要控制部件

如圖2所示，主要控制部件10選用伺服液壓系統(tǒng)，由無線數(shù)據(jù)傳感器10-1、信號放大器10-2、處理器10-3、電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器10-4、伺服閥10-5、液壓缸（執(zhí)行器）10-6、液壓泵10-7及電動機(jī)10-8組成。此主要控制部件10置于H型鋼腰梁3和H型鋼冠梁2上并作緊固措施（例如與鋼梁通過摩擦型高強螺栓或錨栓連接）使其不會在液壓缸（執(zhí)行器）10-6出力過程中出現(xiàn)滑移錯動等問題。將于風(fēng)光互補供能系統(tǒng)接出的輸出電路通過三相五線接線法接入主要控制部件10中，供給液壓泵10-7、電動機(jī)10-8及無線數(shù)據(jù)傳感器10-1、信號放大器10-2、處理器10-3、電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器10-4等耗電元件的用電。無線數(shù)據(jù)傳感器10-1內(nèi)置于液壓缸10-6內(nèi)部，在施工區(qū)域附近安裝信號放大器10-2和處理器10-3，處理器10-3與電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器10-4相連接后再接入伺服閥10-5，伺服閥10-5同時連接液壓泵10-7與液壓缸10-6，液壓缸10-6與拉森鋼板樁1緊密貼合，必要時可在拉森鋼板樁1與液壓缸10-6接觸位置處作增大摩擦系數(shù)處理（如對鋼板樁作噴砂、拋丸等表面處理措施）。

由于液壓控制技術(shù)理論與技術(shù)都已經(jīng)很成熟，在設(shè)計與施工中可獲得相關(guān)知識信息的支持。并且液壓油價格較為低廉，可以進(jìn)行大量使用。故主要控制部件采用液壓控制技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計。選用伺服液壓系統(tǒng)作為主要控制部件并在主要控制部件中引入智能控制技術(shù)，通過無線數(shù)據(jù)傳感器測得伺服液壓系統(tǒng)運動桿的力與位移之間的關(guān)系，并通過無線傳輸?shù)姆绞捷斎胩幚砥鳎瑥奶幚砥髦羞\用一定的算法進(jìn)行集中處理之后在回輸伺服液壓系統(tǒng)終端進(jìn)行相應(yīng)的動作作用于季節(jié)凍土區(qū)膨脹土體，限制其側(cè)移變形不超過相應(yīng)的允許側(cè)移從而達(dá)到智能控制的目的。并且由于主要控制部件對于土體的作用使得膨脹土含水量對于及結(jié)構(gòu)的影響減小，僅需要按非膨脹土地區(qū)的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計即可并且不用對膨脹土本身進(jìn)行處理。

（3）風(fēng)光互補供能系統(tǒng)

如圖3所示，風(fēng)光互補供能系統(tǒng)由風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組、光伏太陽能薄膜電池組、發(fā)電控制器13、鉛酸蓄電池組（儲能裝置）14、直流交流逆變器15及連接線路組成。其中，在季節(jié)凍土區(qū)膨脹土體18之上附近位置處安置光伏太陽能薄膜電池組與風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)并用合適的線路將其相連，并將線路埋入地下以保證其耐久性；再將上述線路接入發(fā)電控制器13與鉛酸蓄電池組15中；之后發(fā)電控制器13和鉛酸蓄電池組15連接至直流交流逆變器15；由直流交流逆變器15接出電力輸出線路17后即可通過三相五線連接方式配電為主要控制部件10中電動機(jī)及其他電氣元件供電。

風(fēng)光互補供能系統(tǒng)采用風(fēng)力光伏兩種發(fā)電方式的互補供能系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)供電，由于一般場地沒有電力以及一般電池的壽命及環(huán)境限制，采用上述供電方式可以最大的限度的從不同的天氣條件、甚至惡劣的環(huán)境中獲取所需的電能為系統(tǒng)提供電力，并且由于智能控制系統(tǒng)中的元件都選用低功耗的元件使得對于供能系統(tǒng)的輸出可以放松要求。由于工程上需要各個電氣元件部分穩(wěn)定可靠工作，故選用廣泛應(yīng)用且技術(shù)成熟的電氣元件。其中風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)11選用風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)；光伏太陽能薄膜電池組采用光伏薄膜發(fā)電電池板12；發(fā)電元器件的數(shù)量由主要控制部件產(chǎn)生的負(fù)載量確定；蓄電池選用成熟廉價的鉛酸蓄電池；再根據(jù)實際需要選用合適的控制器、逆變器及連接線路。

具體實施方式二：本實施方式給出了引入智能控制技術(shù)的支擋結(jié)構(gòu)施工方法，具體實施步驟如下：

（1）對引入智能控制的支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

①應(yīng)對建（構(gòu)）筑物的場地地基完成地質(zhì)勘查，確定此季節(jié)性凍土區(qū)膨脹土的各項參數(shù)（例如土的含水量、天然密度、塑限、液限、自由膨脹率、膨脹率、收縮系數(shù)、膨脹力等）。

②根據(jù)勘查所得結(jié)果選用合適的本構(gòu)模型完成軟件模擬及計算，計算出大致允許的季節(jié)凍土區(qū)膨脹土體在膨脹時產(chǎn)生的側(cè)向位移。

③根據(jù)基坑開挖深度、場地中水的影響及土的性質(zhì)等計算本支擋結(jié)構(gòu)所需抗力。

④根據(jù)所需抗力選擇合適尺寸的拉森鋼板樁、鋼水平支撐、鋼冠梁、鋼腰梁及鋼格構(gòu)式立柱、鋼格構(gòu)式立柱間支撐與主要控制部件。

⑤根據(jù)主要控制部件數(shù)量確定所需發(fā)電量，進(jìn)而確定發(fā)電設(shè)備數(shù)量。

⑥確定發(fā)電設(shè)備數(shù)量之后即可確定發(fā)電設(shè)備于場地中的布置問題及線路連接設(shè)計。

⑦設(shè)計支擋結(jié)構(gòu)中的主要控制部件配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使其能有效的將供能系統(tǒng)輸出端與主要控制部件相連接。

（2）對供能系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

①風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及太陽能薄膜電池組進(jìn)行施工場地上的選址與安裝。

②電力控制部件、電能儲存部件及其連接線路安裝施工。

③電力輸出線路鋪設(shè)施工。

④供能系統(tǒng)整體完成后對系統(tǒng)發(fā)電供電完成性能調(diào)試作業(yè)。

（3）進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)的施工，并進(jìn)行主要控制部件的安裝與調(diào)試

①打樁之前預(yù)先對拉森鋼板樁進(jìn)行調(diào)直與檢查作業(yè)，，檢查無誤之后通過沉樁機(jī)將拉森鋼板樁置入土體指定深度。

②完成整個鋼格構(gòu)式立柱施工。

③ 完成鋼水平支撐及鋼冠梁施工，使鋼冠梁、鋼格構(gòu)式立柱及鋼水平支撐形成框架體系，將鋼水平支撐與鋼格構(gòu)式立柱、鋼冠梁節(jié)點完成初安裝后作剛性連接。開挖第一層膨脹土體。

④主要控制部件中處理器的實地選址與安裝，以及于鋼冠梁上完成主要控制部件安裝，并完成供能系統(tǒng)電力輸出線路接入主要控制部件的配電施工。

⑤完成鋼水平支撐及鋼腰梁施工，將鋼水平支撐與鋼格構(gòu)式立柱及鋼腰梁節(jié)點作剛性連接。再完成下一層土體開挖，之后于鋼腰梁上完成主要控制部件安裝作業(yè)，并完成供能系統(tǒng)電力輸出線路接入主要控制部件的配電施工作業(yè)，在通電后完成主要控制部件的功能檢查與測試。

⑥重復(fù)上述步驟⑤，直到支擋結(jié)構(gòu)施工完成。

⑦實際觀測膨脹土變形對此支擋體系的影響，對主要控制部件完成調(diào)試與協(xié)調(diào)，使支擋體系力與位移關(guān)系盡量達(dá)到最優(yōu)化。