CN104846808B - 一种热交换空心桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热交换空心桩，包括至少一节空心桩和传热管，其中，位于最底层的空心桩的桩底内侧设置有至少一对定滑轮，每个定滑轮的下侧分别设置有桩底挡板，所述空心桩的内侧沿着定滑轮的竖直方向设置有若干套箍，所述传热管通过穿过套箍并绕过定滑轮组布置在所述空心桩的内侧壁，每对定滑轮之间的传热管上设置有拉绳。本发明进一步提出了上述热交换空心桩的施工方法。本发明的优点和效果在于：传热管设置方便，对预制空心桩的施工无影响，且克服了桩芯土回填过程不易控制桩芯土的回填密实度从而影响传热效率的问题。传热管的布设对预制桩的接桩几乎无影响，克服了传统预制能量桩在施工方面的主要障碍，且施工费用低。

Description

一种热交换空心桩及其施工方法

技术领域

本发明涉及桩埋管形式的地源热泵技术领域，尤其涉及一种热交换空心桩及其施工方法，主要适用于建筑桩基础和地源热泵技术领域。

背景技术

地源热泵技术，利用浅层常温地热能解决建筑供暖制冷问题，属于节能、环保的可再生能源利用技术。为了解决常规地源热泵传热管埋设中钻孔费用高的问题，相关工程技术人员提出在常规桩基础中埋设传热管的结构形式，也称桩埋管形式的能量桩。桩埋管地源热泵技术，将换热器埋管与建筑桩基础相结合的模式，可以有效解决专门埋管的施工步骤和地埋管占用地下空间问题，从而大大节省工程造价。结合实际桩基础形式，地源热泵传热管一般埋设在钻孔灌注桩和预制桩中。传热管在钻孔灌注桩中的埋设方法一般是将传热管绑扎在钢筋笼上，随着钢筋笼的下放布置传热管；传热管在预制桩中埋设方法有如下几种：一是在预制管桩制作过程中预埋在桩身中；二是预制管桩打桩完成后开挖桩芯土后，放入传热管，然后回填土；三是在土体中预先钻孔，将传热管绑扎在植入预制桩的外侧沉入土体中。

在本发明之前，中国申请发明专利“一种预制能量桩的施工方法”(申请号：201310441978.7)、“一种六边形预制能量桩及其制作方法”(申请号：201310442139.7)公开了一种在六边形预制桩身内预埋传热管的能量桩制作方法；该技术方案将实心钢筋作为预制桩预应力主筋、空心钢管作为预制桩构造主筋，传热管埋设在空心钢管内；预埋传热管的桩身外边形状为六边形、内边形状为圆形；在预制桩底部利用传热弯管连接传热管，形成U形环路。将传热管埋设在空心钢管内，有效解决了传热管与主筋绑扎埋设造成的相互干扰、混凝土密实度、钢筋腐蚀、以及影响桩基整体承载力等技术问题；但该技术方案存在管节接桩相对复杂的技术问题，且当预制桩桩顶遇到凿桩头工序时传热管容易受到损坏。黄吉永在文章《桩侧热交换能量桩技术开发及应用》(施工技术，2014，43(17)：30-32)公开了一种在预制桩桩侧设置传热管的施工工艺。尽管该技术方案解决了预制桩身内预埋传热管不便于管节连接施工的技术问题；但是，该施工工艺中必须先在土体内预先钻孔且直径大于植入桩的钻孔，然后再将传热管绑扎在植入桩外侧壁将其埋入土体中，这种施工工艺由于需要预先钻孔，施工费用大大提高；且预钻孔直径大于植入桩外径，会严重降低桩基承载力。

预应力预制桩中在预应力构造钢筋笼上绑扎传热管的埋设方式在传热管易在离心法制作过程中损坏，影响桩的传热能力；且预制桩接桩过程中传热管的接头处治相对复杂且不易控制。在预制桩外侧绑扎传热管一方面由于预钻孔导致工程造价攀升、另一方面传热管也易在沉入过程中受到损坏。目前传统的在预制管桩桩芯土中埋设传热管施工工艺操作步骤多，且桩芯土回填过程不易控制桩芯土的回填密实度从而影响传热效率。因此，开发一种技术合理、经济高效的空心桩桩芯土中埋设地源热泵传热管技术显得尤为必要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服预制桩钢筋笼侧壁绑扎传热管方法，在离心法制作预应力桩过程中容易损坏且不易更换，预制桩接桩过程中传热管接头处治困难及预制桩桩头凿桩损坏传热管、预制桩外绑扎传热管容易损坏且施工费用高、传统预制管桩、预制方桩或钢管桩桩芯土中埋设传热管土体回填密实度低影响传热效率等问题，开发一种热交换空心桩及其施工方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出一种热交换空心桩，包括至少一节空心桩和传热管，其中，位于最底层的空心桩的桩底内侧设置有至少一对定滑轮，每个定滑轮的下侧分别设置有桩底挡板，所述空心桩的内侧沿着定滑轮的竖直方向设置有若干套箍，所述传热管通过穿过套箍并绕过定滑轮布置在所述空心桩的内侧壁，每对定滑轮之间的传热管上设置有拉绳。

优选地，所述的空心桩为预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或者钢管桩，其中，所述预应力预制管桩为先张法和离心技术结合的先张法预应力混凝土管桩，所述的预应力预制方桩为预应力混凝土空心方桩，外侧为方形，内侧为圆形。具体地，预应力预制管桩，是由先张预应力法制作而成的预应力桩，其桩身外侧形状为圆形，直径为600～800mm；桩身内侧形状为圆形，直径为300～400mm；单节桩身长度为7～12m；预制桩桩身内钢筋预应力主筋直径为15～25mm，长度根据预制桩的桩长确定，一般为7～12m；箍筋直径为6～10mm，箍筋间距为200～500mm；预应力预制空心方桩，其桩身外侧形状为正方形，边长为500～1000mm，桩身内侧形状为圆形，直径为400～600mm，单节桩身长度7～12m；钢管桩，其直径为400～2000mm，壁厚为6.5～20mm之间，桩身长度为20～40m。本发明所述的传热管，为聚乙烯管，其外径为25～50mm，壁厚为5～8mm，长度根据设计需要确定。本发明所述的套箍，为空心钢套箍，内径为30～60mm，壁厚为2～5mm，长度为10～20mm，在桩内侧相邻套箍之间布置间距为1000～2000mm。本发明所述的定滑轮，外径为60～100mm，内径为50～90mm，槽宽70～100mm，具体实施时，根据滑轮实际外径与传热管尺寸确定动滑轮型号。本发明所述的桩底挡板，为空心圆环，外径与空心桩内侧连接，内径为200～400mm，厚度10～20mm。本发明所述的拉绳，为尼龙绳，直径为10～30mm，长度根据传热管所需埋设深度确定。

优选地，桩底挡板的下方固定有预留钢片，保护桩底定滑轮在沉桩过程中不被桩芯土的土压力损坏；位于最上方的空心桩的顶部设置有固定钢筋，用于固定拉绳。

相邻的空心桩之间焊接连接；套箍与空心桩侧壁为整体浇铸成型或焊接连接。

优选地，每个定滑轮通过连接钢片与空心桩固定连接，每对定滑轮之间的传热管通过设置于传热管外侧的拉环与拉绳固定。上述的连接钢片，宽为10～30mm，厚度为10～20mm，长度根据所用滑轮外壳中心位置确定。本发明所述的拉环，为金属拉环，长度为10～30mm，内径为30～60mm，壁厚为1～5mm。

本发明同时提出了上述的热交换空心桩的施工方法，包括如下步骤：

(1)在空心桩的预制过程中，在空心桩的内侧壁沿竖直方向设置至少两列套箍后进行桩体制作，桩体制作过程与传统预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或钢管桩相同；

(2)沉桩施工之前，将定滑轮分别固定在最底层的空心桩底部的内侧壁并与相应列的套箍处于同一竖直线上，将传热管从桩内一列的套箍穿出、绕过两个定滑轮，然后从另一列的套箍内穿出，由此传热管在空心桩内侧壁形成一组U形环路；

(3)在构成一组U形环路的两个定滑轮之间的传热管上设置一根拉绳并从空心桩内部穿出；

(4)重复步骤(2)和(3)，完成空心桩内侧壁不同组U形环路传热管的布置；

(5)利用静压或振动方法，将第一节空心桩沉入土体，当未入土体部分桩段的桩头高出地面0.5～1.0m时通过拉拽绳子将在两定滑轮之间传热管往上拉；两侧的传热管穿过两侧桩内侧的套箍通过定滑轮往中间移动，并使中间部分传热管向上移动，使桩芯土内部的对应U形环路的传热管布置形式成W形，同时避免桩芯的土压力对传热管造成损坏；

(6)施工完成第一节空心桩之后，将第二节空心桩移至第一节空心桩顶部，并将传热管从第二节空心桩内侧壁的套箍内穿出，在确认桩身轴线一致后将两空心桩桩节焊接；利用静压或振动方法将第二节空心桩沉入土体内；

(7)重复步骤(5)和(6)完成所有空心桩桩节施工，并将拉绳与最顶部空心桩的顶部固定，由固定钢筋固定W形传热管的埋管形式，且承受在传热管在使用期间传热管及传热液体的自重；其中所述的固定钢筋，为单根或交叉放置的两根，直径为10～30mm，与空心桩体整浇或焊接连接；

(8)对传热管进行通水调试，检验所埋设的传热管的密封性；完成整体热交换空心桩的施工。

优选地，所述的空心桩为预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或者钢管桩，其中，所述预应力预制管桩为先张法和离心技术结合的先张法预应力混凝土管桩，所述的预应力预制空心方桩为预应力混凝土空心方桩，外侧为方形，内侧为圆形。

具体地，当使用先张法预应力混凝土管桩或预应力混凝土空心方桩时，套箍、定滑轮和桩底挡板在混凝土支模时同时固定位置；当使用钢管桩时，套箍、定滑轮和桩底挡板与钢管桩焊接。

优选地，桩底挡板的下方固定有预留钢片，保护桩底定滑轮在沉桩过程中不被桩芯土的土压力损坏；位于最上方的空心桩的顶部设置有固定钢筋，用于固定拉绳。

具体地，每个定滑轮通过滑轮连接钢片与空心桩固定管连接，每对定滑轮之间的传热管通过设置于传热管外侧的拉环与拉绳固定；根据固定的定滑轮的组数，传热管的埋设形式可以为W形、交叉双W形或平行双W形中的任意一种。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过将传热管埋设在预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或钢管桩内侧，从而克服预制桩钢筋笼侧壁的传热管在离心法制作预应力桩过程中存活率低的问题。在施工方面，对桩无损伤，低噪声，桩长可控，传热管设置方便，对预制空心桩的施工无影响，且克服了桩芯土回填过程不易控制桩芯土的回填密实度从而影响传热效率的问题。传热管的布设对预制桩的接桩几乎无影响，克服了传统预制能量桩在施工方面的主要障碍；与先钻孔再植桩、传热管埋设桩外侧随植桩过程埋入的施工方法相比，可大大节约钻孔所需要的花费。

附图说明

图1为本发明W形埋管结构施工过程纵向布置示意图(沿箭头方向为安装顺序图)；

图2为本发明管桩、空心方桩W形埋管结构A～A平面布置示意图；

图3为本发明管桩双W形交叉埋管、平行埋管结构纵向布置示意图；

图4为本发明管桩双W形交叉埋管、平行埋管结构平面布置示意图。

图中：1为空心桩，2为传热管，3为套箍，4为定滑轮，5为连接钢板，6为桩底挡板，7为拉绳，8为拉环，9为固定钢筋。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

如图1～图4所示，一种热交换空心桩，图1、图2(a)、图3和图4桩身为外侧圆形内侧圆形的空心桩1，图2(b)的桩身为外侧方形内侧圆形的空心桩1；桩身内每隔一段距离设置套箍3，传热管2埋设在套箍3内贴置在桩身内侧壁，桩底设置定滑轮4通过连接钢片5与桩身1连接，定滑轮4下侧设置桩底挡板6；在拉绳7通过牵引传热管桩底中部位置设置拉环8拽动传热管2。本实施方式的优点在于将传热管2预埋在套箍3内，传热管2在拉绳牵引下形成的贯通W形传热系统。定滑轮4的设置可以提高拉绳7牵拉的效率，同时避免桩芯土的土压力对传热管2造成损坏。固定钢筋9用于焊接拉环8及拉绳7与传热管2的绑扎，由固定钢筋9固定W形传热管2的埋管形式，且承受在传热管2在使用期间传热管2及传热液体的自重。传热管2和定滑轮4的埋设不影响预制桩的混凝土的密实度，不降低桩基整体承载力，且埋管存活率高。

制作空心桩桩芯土中埋设地源热泵传热管之前，首先探明地层情况，包括施工范围内土层分布及力学特性、土层热能储存量等地层热特性等，设计桩埋管形式、桩埋管深度以及空心钢管3直径、传热管2直径等参数；一般情况下，桩埋管形式有单U形、双U形、三U形、单W形及双W形等多种形式(如图4所示)，主要根据地层热能储存量和传热效率来确定。当空心桩桩身边长在600～800mm之间时，主要考虑选用单U形及单W形桩埋管形式；当空心桩桩身的边长在800～1200mm之间时，主要考虑选用双U形、三U形、双W形桩埋管形式；桩埋管深度，与桩长一致，也可根据实际地层热能情况确定。

制作空心桩桩芯土中埋设地源热泵传热管时，施工方法如下：首先，在空心桩的预制过程中，在桩底挡板位置预留钢片，套箍3(内径为30～60mm，壁厚为2～5mm，长度为10～20mm，桩内侧间距为1000～2000mm；本实施例内径为30mm，壁厚为2mm，长度10mm，间距为2000mm)、固定钢筋9(直径为10～30mm；本实施例直径为20mm)、滑轮连接钢片(宽为10～30mm，厚度为10～20mm；本实施例宽10mm，厚度为10mm，长度为100mm)、预留钢片等在混凝土支模时同时固定位置或者与钢管桩焊接，然后桩体制作过程与一般混凝土管桩(外径为700～1000mm，内径为400～600mm；本实施例外径为700mm，内径为500mm)、空心方桩(外边长为500～1000mm，内径为400～600mm；本实施例外边长为600mm，内径为500mm)或钢管桩相同；沉桩施工之前，在第一节空心桩底部内侧壁，将定滑轮固定到连接钢片5，将传热管从桩内一侧套箍穿出、绕过两个定滑轮，从布置在另一面桩内壁的套箍内穿出，传热管形成一个U形环路；然后，在两个定滑轮4之间的传热管2上绑上个拉环8(金属拉环，长度为10～30mm，内径为30～60mm，壁厚为1～5mm)，拉环上绑上一根拉绳(尼龙绳，直径为10～30mm；本实施例直径为20mm)，并从空心桩内部穿出，然后将桩底挡板(内径为200-400mm，厚度10～20mm；本实施例内径为300mm，厚度为10mm)与预留钢片焊接，保护桩底定滑轮不受桩芯土压力损坏；利用静压或振动方法，将第一根空心桩沉入土体，当沉入一定深度后，其未入部分桩段的桩头高出地面0.5～1.0m，拉拽绳子，将在两定滑轮4之间传热管2往上拉；两侧的传热管2穿过两侧桩内套箍3通过定滑轮4往中间移动，并使中间部分传热管2向上移动，且使桩芯土内部的传热管布置形式成W形，同时避免桩芯土的土压力对传热管造成损坏；施工完成第一节空心桩之后，将第二节空心桩移至第一节空心桩顶部，并将传热管从第二节空心桩内侧壁的套箍内穿出，在确认桩身内侧壁的套箍轴线一致后将两桩节焊接；利用静压或振动方法将第二节空心桩沉入土体内；重复上述步骤完成所有空心桩桩节施工，将拉环与顶部固定钢筋焊接固定，并用拉绳将传热管与顶部固定钢筋绑扎固定；由固定钢筋固定W形传热管的埋管形式，且承受在传热管在使用期间传热管及传热液体的自重；对传热管进行通水调试，检验所埋设的传热管的密封性；完成空心桩桩芯土中传热管的施工埋设。

根据需要可以将传热管布置为双U形、三U形、单W形及双W形等多种形式，布置方法参照上述单U形的布置方法。

本发明通过将传热管埋设在预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或钢管桩内侧，从而克服预制桩钢筋笼侧壁的传热管在离心法制作预应力桩过程中存活率低的问题。在施工方面，对桩无损伤，低噪声，桩长可控，传热管设置方便，对预制空心桩的施工无影响，且克服了桩芯土回填过程不易控制桩芯土的回填密实度从而影响传热效率的问题。传热管的布设对预制桩的接桩几乎无影响，克服了传统预制能量桩在施工方面的主要障碍；与先钻孔再植桩、传热管埋设桩外侧随植桩过程埋入的施工方法相比，可大大节约钻孔所需要的花费。

Claims (9)

1.一种热交换空心桩，包括至少一节空心桩(1)和传热管(2)，其特征在于，位于最底层的空心桩(1)的桩底内侧设置有至少一对定滑轮(4)，每个定滑轮(4)的下侧分别设置有桩底挡板(6)，所述空心桩(1)的内侧沿着定滑轮(4)的竖直方向设置有若干套箍(3)，所述传热管(2)通过穿过套箍(3)并绕过一对定滑轮(4)布置在所述空心桩(1)的内侧壁，每对定滑轮(4)之间的传热管(2)上设置有拉绳(7)，桩底挡板(6)的下方固定有预留钢片，保护桩底定滑轮(4)在沉桩过程中不被桩芯土的土压力损坏；位于最上方的空心桩(1)的顶部设置有固定钢筋(9)，用于固定拉绳(7)。

2.根据权利要求1所述的热交换空心桩，其特征在于，所述的空心桩(1)为预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或者钢管桩，其中，所述预应力预制管桩为先张法和离心技术结合的先张法预应力混凝土管桩，所述的预应力预制空心方桩为预应力混凝土空心方桩，外侧为方形，内侧为圆形。

3.根据权利要求1所述的热交换空心桩，其特征在于，相邻的空心桩(1)之间焊接连接；套箍(3)与空心桩(1)侧壁为整体浇铸成型或焊接连接。

4.根据权利要求1所述的热交换空心桩，其特征在于，每个定滑轮(4)通过连接钢片(5)与空心桩(1)固定连接，每对定滑轮(4)之间的传热管(2)通过设置于传热管外侧的拉环与拉绳(7)固定。

5.权利要求1所述的热交换空心桩的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在空心桩(1)的预制过程中，在空心桩(1)的内侧壁沿竖直方向设置至少两列套箍(3)后进行桩体制作，桩体制作过程与传统预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或钢管桩相同；

(2)沉桩施工之前，将定滑轮(4)分别固定在最底层的空心桩(1)底部的内侧壁并与相应列的套箍(3)处于同一竖直线上，将传热管(2)从桩内一列的套箍(3)穿出、绕过两个定滑轮(4)，然后从另一列的套箍(3)内穿出，由此传热管(2)在空心桩(1)内侧壁形成一组U形环路；

(3)在构成一组U形环路的两个定滑轮(4)之间的传热管(2)上设置一根拉绳(7)并从空心桩(1)内部穿出；

(4)重复步骤(2)和(3)，完成空心桩(1)内侧壁不同组U形环路传热管的布置；

(5)利用静压或振动方法，将第一节空心桩(1)沉入土体，当未入土体部分桩段的桩头高出地面0.5～1.0m时通过拉拽拉绳(7)将在两定滑轮之间传热管(2)往上拉；两侧的传热管(2)穿过两侧桩内侧的套箍(3)通过定滑轮(4)往中间移动，并使中间部分传热管(2)向上移动，使桩芯土内部的对应U形环路的传热管布置形式成W形，同时避免桩芯土的土压力对传热管(2)造成损坏；

(6)施工完成第一节空心桩(1)之后，将第二节空心桩(1)移至第一节空心桩(1)顶部，并将传热管(2)从第二节空心桩(1)内侧壁的套箍(3)内穿出，在确认桩身轴线一致后将两空心桩(1)桩节焊接；利用静压或振动方法将第二节空心桩(1)沉入土体内；

(7)重复步骤(5)和(6)完成所有空心桩(1)桩节施工，并将拉绳(7)与最顶部空心桩(1)的顶部固定，由固定钢筋(9)固定W形传热管(2)的埋管形式，且承受在传热管(2)在使用期间传热管(2)及传热液体的自重；其中所述的固定钢筋(9)，为单根或交叉放置的两根，直径为10～30mm，与空心桩体整浇或焊接连接；

(8)对传热管(2)进行通水调试，检验所埋设的传热管(2)的密封性；完成整体热交换空心桩的施工。

6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，所述的空心桩(1)为预应力预制管桩、预应力预制空心方桩或者钢管桩，其中，所述预应力预制管桩为先张法和离心技术结合的先张法预应力混凝土管桩，所述的预应力预制空心方桩为预应力混凝土空心方桩，外侧为方形，内侧为圆形。

7.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于，当使用先张法预应力混凝土管桩或预应力混凝土空心方桩时，套箍(3)、定滑轮(4)和桩底挡板(6)在混凝土支模时同时固定位置；当使用钢管桩时，套箍(3)、定滑轮(4)和桩底挡板(6)与钢管桩焊接。

8.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，桩底挡板的下方固定有预留钢片，保护桩底定滑轮(4)在沉桩过程中不被桩芯土的土压力损坏；位于最上方的空心桩(1)的顶部设置有固定钢筋(9)，用于固定拉绳(7)。

9.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，每个定滑轮(4)通过滑轮连接钢片(5)与空心桩(1)固定管连接，每对定滑轮(4)之间的传热管(2)通过设置于传热管(2)外侧的拉环(8)与拉绳(7)固定；根据固定的定滑轮(4)的组数，传热管(2)的埋设形式为W形、交叉双W形或平行双W形中的任意一种。