CN102808405A - 一种pcc能量桩及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PCC能量桩，由PCC桩、导热液体、盖板、底板、导热管、集热器、检查通道等部分组成。PCC桩桩底完全封闭，顶部设置带孔洞的盖板；PCC桩上部一侧设置预留孔；PCC桩内部空腔内注满导热液体；导热管穿过盖板上的孔洞深入到PCC桩空腔内的导热液体中；深入到PCC桩空腔内的导热管可采用开口式和封闭式两种形式；PCC桩侧壁设置一检查通道；导热管通过盖板上的孔洞或检查通道引出PCC桩空腔后与集热器连接，形成导热液体的循环通道。本发明还公开了该桩的制作方法，包括浇筑PCC桩、开挖桩芯土、制作底板、安装导热管和盖板、注入传热液体、开启地热泵形成回路等技术步骤。本发明检修维护方便，应用范围广，不影响承载力，造价低，是经济高效的节能减排桩型。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑工程技术领域，特别涉及一种PCC桩能量桩及使用方法。
背景技术
地热资源是一种清洁能源，且分布广、造价低、使用方便，具有广阔的开发和应用前景。地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷，是一种有效地利用能源的方式。但是，地源热泵埋设需要占用较大的土地面积，且初期埋设成本高，因此其经济性较差。
在本发明之前，中国专利（专利申请号：200610016545.7）公开了“低温地热能转换预制钢筋混凝土方桩”，通过在预制钢筋混凝土方桩中埋设各形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。在采用焊接法接桩或法兰法接桩的预制钢筋混凝土方桩中的钢筋笼内沿，绑扎U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器，随方桩沉桩至土(岩)层中。预制钢筋混凝土方桩内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与钢筋笼、桩身混凝土、桩周土-水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。这种能量桩虽然不增加用地面积，但具有以下缺点：（1）U形管绑扎在钢筋笼上，并埋设在混凝土中，与桩身一起受力变形，容易造成管道的变形和损坏；（2）U形管埋设在混凝土中，不能回收、不能重复使用，也不能进行检修，在使用过程中出现问题无法补救；（3）预制桩需要接桩，U形管的接头难以处理，容易造成热源的损失；（4）U形管道埋在混凝土中，使桩在受力时在U形管周围产生应力集中，不利于桩身的受力，容易产生局部破坏，桩的承载力降低。（5）预制桩造价相对较高，且预制桩一般直径都较小，即桩侧表面积小，集热能力有限。
中国专利（专利申请号：201110165215.5）公开了“现浇钢筋混凝土大直径管桩施工方法”，即钢筋混凝土PCC桩施工方法，包括以下步骤：桩机就位；活动内支撑转动到贴近限位器；活瓣桩尖闭合；沉入桩模；移开振动头；下放钢筋笼；装上振动头；灌注混凝土；振动拔管；活瓣桩尖和内支撑打开；混凝土和钢筋笼进入地基；桩模拔出成桩。钢筋混凝土PCC桩以较少的混凝土用量得到较高的承载力，具有广阔的推广应用前景。该桩型内、外直径都很大，一般在1m以上，具有大直径桩芯，将大直径桩芯土掏空可以得到较大的内部空间，但目前该桩型的桩芯内部空间未得到充分利用。
发明内容
本发明的目的就在于克服传统能量桩的缺陷，充分利用PCC桩的内部空间，开发一种施工便捷、经济性好、使用方便的新型PCC能量桩及制作方法。
一种PCC能量桩，由现浇钢筋混凝土大直径管桩（简称PCC桩）、导热液体、盖板、底板、导热管、集热器、检查通道等部分组成，其特征在于：PCC桩桩底采用钢筋混凝土完全封闭；PCC桩顶部设置钢筋混凝土盖板；在盖板上设置多个孔洞；PCC桩上部一侧设置预留孔，用于导热管穿越；PCC桩内部空腔内注满导热液体；导热管穿过盖板上的孔洞深入到PCC桩空腔内的导热液体中；深入到PCC桩空腔内的导热管可采用开口式和封闭式两种形式；PCC桩侧壁设置一检查通道，检查通道伸出地表，检查通道出口设置密封盖；导热管可通过盖板上的孔洞或检查通道引出PCC桩空腔后与集热器连接，形成导热液体的循环通道。
所述的盖板直径与PCC桩内直径相等，盖板顶面标高比PCC桩顶面标高低，PCC桩上部用于导热管穿越的预留孔位置介于盖板顶面和PCC桩顶面之间。
所述盖板上的孔洞直径大小与导热管外直径相等，数量与导热管数量相等。其中一半孔洞连接进水管、一半孔洞连接出水管。
所述的导热管在伸出PCC桩预留孔后设置活动接头，可用于拆卸。
所述开口式导热管的进水管深入到PCC桩空腔底部作为进水口，出水管的出水口靠近PCC桩顶部的盖板下方。
所述封闭式导热管可以在PCC桩空腔内设置成U形、W形和螺旋形等形状，导热管深入到靠近PCC桩桩底。
本发明一种PCC能量桩的制作方法，包括以下技术步骤：
（1）在桩位施工钢筋混凝土PCC桩，并进行混凝土养护。必须使桩体混凝土养护达到一定强度才能进入下一步骤以保证施工安全。
（2）预制钢筋混凝土盖板，并按要求预留孔洞。
（3）施工场地降水。当施工场地地下水位高程高于PCC桩桩底高程时，在储藏井施工场地周围设置一圈井点降水，否则，直接进入步骤（4）。
（4）开挖桩芯土。可采用人工方式开挖，也可采用高压水冲洗桩芯土形成泥浆后，用泥浆泵抽除桩芯土。桩芯土开挖深度应在桩底标高以下30~50cm。
（5）在PCC桩上部预留孔的位置钻孔形成预留孔，预留孔数量与需要穿越的进水导热管和出水导热管数量之和相等。
（6）凿除部分桩底混凝土，使桩端露出20~30cm的钢筋头，作为连接钢筋，然后下放底板钢筋，并与桩端连接钢筋连接。
（7）浇筑混凝土底板进行封底，进行底板混凝土养护，待达到一定强度方可停止降水。
（8）安装PCC桩空腔内部导热管。将开口式导热管的进水管或封闭式导热管安放在PCC桩空腔内部。
（9）安装盖板。在管桩顶部内壁对称打入四根销钉，用于卡住盖板底部的位置；将预制好的盖板放置在PCC桩内部空腔顶部，并将导热管穿过盖板上的孔洞，盖板位置被销钉卡住；在盖板周边与桩内壁接触处涂上密封胶。
（10）连接导热管。将穿过盖板上的孔洞的导热管与集热器连接。若为开口式导热管，则将导热管出水管的一端穿过盖板的孔洞进入到PCC桩空腔内部，另一端也与集热器连接。从PCC桩内部引出的导热管连接集热器时，都穿过PCC桩上部的预留孔。
（11）分别拆开一根进水导热管和一根出水导热管上的活动接头，从进水导热管注入导热液体，直到导热液体充满整个空腔，有液体从出水导热管流出后停止注入。
（12）接上两根导热管的活动接头，开启地热泵，导热液体在导热管和管桩腔体内形成循环回路。
（13）地热通过PCC桩桩身混凝土传递到导热液体后，通过导热液体传递给导热管，在导热管回路中的液体循环将热量不断输送到集热器，集热器收集热量后不断输送给用户，从而实现了能量的传输。
（14）在PCC桩上继续建筑上部结构，上部结构荷载传递到PCC桩，使PCC桩起到桩基承载作用。
（15）在不需要采用地热功能时，还可将盖板上的导热管拆除，将需要储存的其他液体能源保存到PCC桩空腔中。
（16）当PCC桩腔体内的导热管需要更换或检查时，打开检查通道上的密封盖，从检查通道进入到管桩管腔内进行检查，或直接将通过检查通道引出的导热管检查或更换。
本发明的优点和效果在于：
（1）PCC桩内径大，形成的内部空腔大，设置检查通道后，在官腔内部需要检修时，可直接进入到空腔检查，可更换导热管等设备，简单易行。
（2）PCC桩为现浇混凝土桩，打入地基深度大，且桩身是一整体，无接头，密封性好。
（3）PCC桩侧面积大，受到地热的面积大，空腔内液体体积大，有利于吸收更多的地基热量。
（4）PCC桩主要依靠外侧摩阻力和端阻力来提供承载力，将PCC桩桩芯土掏空并设置底板，并没有减少外侧摩阻力和桩端阻力，因此PCC桩承载力没有损耗，能较好的承担上部结构的荷载。
（5）在桩体空腔内充满传热液体，液体体积大，因此液体中储藏的能量大，能量传输效率更高。
（6）在不需要地热的季节，PCC桩内部的空腔还可以作为地下储藏液体的储藏井，如可以储藏石油等能源。
总之，本发明施工简便，不影响PCC桩本身的受力和使用，方便检修和维护，应用范围广，造价低，是一种经济高效的节能减排桩型。
本发明的优点和效果还将在具体实施方式中进一步描述。
附图说明：
图1——本发明平面示意图。
图2——本发明图1中A-A位置剖面示意图。
图3——本发明封闭形导热管示意图。
图4——本发明导热流体运动方向示意图。
图5——本发明进水导管从检查通道引出示意图。
图中：1为PCC桩；2为底板；3为盖板；4为上部结构；5为导热管；6为传热流体；7为地热泵；8为集热器；9为活动接头；10为销钉；11为进水孔；12为出水孔；13为预留孔；14为检查通道；15为密封盖。
具体实施方式
如图1~图4所示，一种PCC能量桩，由PCC桩（1）、传热液体（6）、盖板（3）、底板（2）、导热管（5）、集热器（8）、检查通道（14）等部分组成，PCC桩（1）桩底采用钢筋混凝土完全封闭，形成底板（2）；PCC桩顶部设置钢筋混凝土盖板（3）；在盖板（3）上设置多个孔洞，分别与进水孔（11）的导热管（5）和出水孔（12）的导热管（5）连接；管桩空腔内注满导热液体（6）；导热管（5）穿过盖板（3）上的孔洞深入到PCC桩（1）空腔内的导热液体（6）中；导热管（5）与集热器（8）连接，并与PCC桩（1）空腔一起形成一个循环通道。在PCC桩（1）侧面设置一检查通道（14），检查通道（14）伸出地表，检查通道（14）出口设置密封盖（15）。PCC桩（1）顶部直接建筑上部结构（4），PCC桩（1）同时起到了承载作用。
PCC能量桩制作时，先平整场地，若软土层直接裸露于地表，则需对软土层表面进行处理，可在上面铺设30~50cm的垫层，以方便施工机械进场。将PCC桩桩机移到桩位，开启卷扬机，使机架上抬，PCC桩（1）桩模在机架自重的作用下压入地基一定深度。若在自重作用下压入的深度仍小于设计深度，则开启振动锤，使桩模同时在自重和振动力的作用下下沉，直到达到设计深度停止。若沉管过程中遇到硬土夹层，可采用沉模造浆器造浆润滑桩管，减小侧壁阻力，使桩模顺利穿透硬夹层。一般PCC桩（1）桩模需打穿软土层，达到性质较好的持力层。待桩模沉入到设计深度，移开振动头，通过内外套管之间的环形腔体下放钢筋笼，钢筋笼下端直接下放到桩底，然后再将振动头连接在桩模顶部。灌注混凝土，振动拔管形成PCC桩（1）。为了保证成桩质量，现场搅拌混凝土塌落度宜为8cm～12cm，如采用商品混凝土，非泵送时塌落度宜为8cm～12cm，泵送时坍落度宜为16cm～20cm。进行混凝土养护。必须使桩体混凝土养护达到一定强度才能进入下一步骤以保证施工安全。在混凝土养护过程中，可以按照设计要求预制盖板（3），在盖板（3）上预留所需的孔洞。预制盖板（3）的工作也可以提前进行。
一般桩长小于10m时可养护两周后开挖桩芯，桩长大于10m时养护四周后开挖桩芯。开挖桩芯土前进行施工场地降水，以防止地下水渗入桩芯。当底层桩芯土本身渗透性较低，可以起到防水的效果时，可保留1~1.5m桩芯土不开挖，不需进行降水。当施工场地地下水位高程低于PCC桩桩底高程时，可不降水直接开挖桩芯土。桩芯土可采用人工方式开挖，也可采用高压水冲洗桩芯土形成泥浆后，用泥浆泵抽除桩芯土。全部开挖桩芯土时，桩芯土开挖深度应达到桩底标高以下30~50cm，主要是为了保证底板（2）有一定的厚度。在PCC桩（1）上部预留孔的位置钻孔形成预留孔（13），预留孔（13）数量与需要穿越的进水导热管（5）和出水导热管（5）数量之和相等。
全部开挖桩芯土时，凿除部分桩底混凝土，使桩端露出20~30cm的钢筋头，作为连接钢筋。部分开挖桩芯土时，用冲击电钻等工具在桩壁打孔，露出PCC桩（1）内部的钢筋笼。下放底板（2）的钢筋，并与桩端连接钢筋连接，比较理想的连接方法就是将钢筋笼端部的连接钢筋向桩芯内部弯曲近水平，然后用扎丝将钢筋笼和底板钢筋通过连接钢筋绑扎在一起，这样做的目的是有利于底板（2）受力，或者与桩壁外露的钢筋笼连接。然后浇筑混凝土底板（2）进行封底。底板（2）浇筑和养护过程中，若采用了井点降水，则要继续降水直到养护结束，以防止底板（2）混凝土达到强度前地下水作用在底板（2）底部造成其开裂。
安装PCC桩（1）空腔内部导热管（5），然后安装盖板（3）。在PCC桩（1）顶部内壁对称打入四根销钉（10），用于卡住盖板（3）底部的位置；将预制好的盖板（3）放置在PCC桩（1）内部空腔顶部，并将导热管（5）穿过盖板（3）上的孔洞，盖板（3）位置被销钉（10）卡住；在盖板（3）周边与桩内壁接触处涂上密封胶。然后连接导热管（5），将穿过盖板（3）上的孔洞的导热管（5）与集热器（8）连接。若为开口式导热管（5），则将导热管（5）出水管（12）的一端穿过盖板（3）的孔洞进入到PCC桩（1）空腔内部，另一端也与集热器（8）连接。从PCC桩（1）内部引出的导热管（5）连接集热器（8）时，都穿过PCC桩（1）上部的预留孔（13）。之后分别拆开一根与进水口（11）连接的导热管（5）和一根出水口（12）连接的导热管（5）上的活动接头（9），从进水口（11）的导热管（5）注入导热液体（6），直到导热液体（6）充满整个PCC桩（1）内部空腔，有导热液体（6）从出水口（12）的导热管（5）流出后停止注入。接上两根导热管（5）的活动接头（9），开启地热泵（7），导热液体（6）在导热管（5）和PCC桩（1）内部腔体内形成循环回路。地热通过PCC桩（1）桩身混凝土传递到导热液体（6）后，通过导热液体（6）在导热管（5）回路中的循环将热量不断输送到集热器（8），集热器（8）收集热量后不断输送给用户，从而实现了能量的传输。在PCC桩（1）上继续建筑上部结构，上部结构荷载传递到PCC桩（1），使PCC桩（1）起到桩基承载作用。当PCC桩（1）腔体内的导热管需要更换或检查时，打开检查通道（14）上的密封盖（15），从检查通道（14）进入到PCC桩（1）管腔内进行检查。
如图5所示，制作PCC能量桩时，与进水孔（11）相连的导热管（5）也可以不从盖板（3）穿出，而从检查通道（14）穿出，这是检查通道（14）顶部的密封盖（15）上也要设置与导热管（5）数量相同、直径相等的孔洞，方便导热管（5）穿过。
本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
Claims (8)
1. 一种PCC能量桩，包括PCC桩、导热液体、盖板、底板、导热管、集热器、检查通道，其特征在于：PCC桩桩底采用钢筋混凝土完全封闭；PCC桩顶部设置钢筋混凝土盖板；在盖板上设置多个孔洞；PCC桩上部一侧设置预留孔；PCC桩内部空腔内注满导热液体；导热管穿过盖板上的孔洞深入到PCC桩空腔内的导热液体中；深入到PCC桩空腔内的导热管采用开口式和封闭式两种形式； PCC桩侧壁设置一检查通道，检查通道伸出地表，检查通道出口设置密封盖；导热管通过盖板上的孔洞或检查通道引出PCC桩空腔后与集热器连接。
2.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩，其特征在于：所述盖板直径与PCC桩内直径相等，盖板顶面标高比PCC桩顶面标高低，PCC桩上部用于导热管穿越的预留孔位置介于盖板顶面和PCC桩顶面之间。
3.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩，其特征在于：所述盖板上的孔洞直径大小与导热管外直径相等，数量与导热管数量相等，其中一半孔洞连接进水管、一半孔洞连接出水管。
4.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩，其特征在于：所述导热管在伸出PCC桩预留孔后设置活动接头，可用于拆卸。
5.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩，其特征在于：所述开口式导热管的进水管深入到PCC桩空腔底部作为进水口，出水管的出水口靠近PCC桩顶部的盖板下方。
6.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩，其特征在于：所述封闭式导热管可以在PCC桩空腔内设置成U形、W形和螺旋形，导热管深入到靠近PCC桩桩底。
7.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩，其特征在于：所述导热管通过检查通道穿出时，检查通道顶部的密封盖设置孔洞。
8.根据权利要求1所述的一种PCC能量桩的制作方法，其特征在于：包括以下技术步骤：
（1）在桩位施工钢筋混凝土PCC桩，并进行混凝土养护；
（2）预制钢筋混凝土盖板，并按要求预留孔洞；
（3）施工场地降水，当施工场地地下水位高程高于PCC桩桩底高程时，在储藏井施工场地周围设置一圈井点降水，否则，直接进入步骤（4）；
（4）开挖桩芯土，桩芯土开挖深度应在桩底标高以下30~50cm；
（5）在PCC桩上部预留孔的位置钻孔形成预留孔，预留孔数量与需要穿越的进水导热管和出水导热管数量之和相等；
（6）浇筑混凝土底板进行封底，进行底板混凝土养护，待达到一定强度方可停止降水；
（7）安装PCC桩空腔内部导热管，将开口式导热管的进水管或封闭式导热管安放在PCC桩空腔内部；
（8）安装盖板，在管桩顶部内壁对称打入四根销钉，用于卡住盖板底部的位置；将预制好的盖板放置在PCC桩内部空腔顶部，并将导热管穿过盖板上的孔洞，盖板位置被销钉卡住；在盖板周边与桩内壁接触处涂上密封胶；
（9）连接导热管，将穿过盖板上的孔洞的导热管与集热器连接，若为开口式导热管，则将导热管出水管的一端穿过盖板的孔洞进入到PCC桩空腔内部，另一端也与集热器连接，从PCC桩内部引出的导热管连接集热器时，都穿过PCC桩上部的预留孔；
（10）分别拆开一根进水导热管和一根出水导热管上的活动接头，从进水导热管注入导热液体，直到导热液体充满整个空腔，有液体从出水导热管流出后停止注入；
（11）接上两根导热管的活动接头，开启地热泵，导热液体在导热管和管桩腔体内形成循环回路。
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