CN105040679B - 一种埋设于预制管桩桩内的传热管及其埋设方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种埋设于预制管桩桩内的传热管，包括若干并排放置的预制管桩、传热管组件和泵机组；预制管桩的底部封底密封，预制管桩顶部两侧开设有斜向孔，管桩内壁上设有销钉，销钉上放置有钢板，钢板上绑扎有钢筋结构；传热管组件包括水平传热管和竖向传热管，水平传热管的一端与竖向传热管相连通，水平传热管的另一端连接于泵机组，且竖向传热管的另一端也连接于泵机组，同时，水平传热管通过钢筋结构埋设固定，竖向传热管的埋管部分穿过斜向孔后通过钢筋支架固定于预制管桩的桩内；各个预制管桩内部的传热管组件的连接方式包括串联与并联。本发明所需费用少，工程效率高，且埋管存活率高。

Description

一种埋设于预制管桩桩内的传热管及其埋设方法
技术领域
本发明涉及建筑桩基础和地源热泵技术领域，尤其涉及一种埋设于预制管桩桩内的传热管及其埋设方法。
背景技术
地源热泵技术，是一种高效节能利用浅层地热资源的技术形式。作为地源热泵重要组成部分，传热管的埋设成功与否对传热效率会产生重要影响。将桩基础作为地下埋管的载体，实现承受上部荷载和传热两项功能相结合的能量桩技术，近年来逐渐得到科研人员的广泛关注。根据桩基施工工艺的不同，桩埋管地源热泵技术主要可分为灌注桩内埋设和预制管桩中埋设两种。
发明专利“一种PCC能量桩及制作方法”(专利号：ZL201210298385.5)公开了一种在现浇大直径管桩内部空腔内注满导热液体，然后插入开口式或者封闭式传热管的埋管形式；该技术方法可以提高换热效率，不过开挖PCC桩桩芯土工作量相对较大。
发明专利“一种六边形预制能量桩及其制作方法”(申请号：201310442139.7)公开了一种在预制桩预制过程中桩体埋设传热管的制作方法；该技术方案提高了现场施工效率，不过也增加了预制的难度。
发明专利“一种热交换空心桩及其施工方法”(申请号：201510057071.X)公开一种开口空心桩桩芯土中埋设地源热泵传热管的施工方法；该技术方案有效解决了传热管埋管深度控制问题、以及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，但是传热管在埋设过程中可能被拉断，或者为保证传热管不被拉断需要增加传热管强度从而造成造价增高；且该方法没有解决桩顶位置竖向传热管与上部水平传热管的连接处理问题。
预制管桩桩内埋设传热管通常存在如下两个技术难题：(1)预制桩体内有泥浆、土体甚至杂物等，传热管无法有效布置到设计深度及达到设计的桩埋管形式；(2)预制管桩与上部承台或筏板连接时，传热管容易损坏；即通过在桩芯部分注入一定深度混凝土，并通过插入钢筋与上部结构锚固连接，会造成在预制桩体顶部的竖向传热管与水平传热的连接困难。
目前预制管桩内埋设传热管的传统施工工艺都面临上述两个技术难题；同时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、经济高效的预制管桩内埋设地源热泵传热管的技术显得尤为必要。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种技术合理、经济高效的预制管桩内埋设地源热泵传热管技术。
技术方案：本发明所述的一种埋设于预制管桩桩内的传热管，包括若干并排放置的预制管桩、传热管组件和泵机组；预制管桩的底部封底密封，预制管桩顶部两侧开设有斜向孔，管桩内壁上设有销钉，销钉上放置有钢板，钢板上绑扎有钢筋结构；所述传热管组件包括水平传热管和竖向传热管，水平传热管的一端与竖向传热管相连通，水平传热管的另一端连接于泵机组，且竖向传热管的另一端也连接于泵机组，同时，水平传热管通过钢筋结构埋设固定，竖向传热管的埋管部分穿过斜向孔后通过钢筋支架固定于预制管桩的桩内；各个预制管桩内部的传热管组件的连接方式包括串联与并联。
进一步的，所述预制管桩的桩底与钢筋混凝土预制在一起；预制管桩为预应力混凝土管桩，预制管桩桩身外径为600～800mm，内径为300～400mm，预制管桩桩身的长度为7～12m。
进一步的，所述斜向孔为圆形孔，孔径为25～40mm，每个斜向孔呈内低外高设置且倾斜角度为0～60°，斜向孔在管桩桩内壁的七点距离桩顶400～800mm，两个斜向孔呈V型对称设置。
进一步的，所述水平传热管与竖向传热管均为聚乙烯制管；当各个预制管桩水平内部的传热管组件串联时，水平传热管与竖向传热管相同，外径均为20～40mm，壁厚为5～8mm；当各个预制管桩水平内部的传热管组件并联时，水平传热管外径为30～50mm，竖向传热管外径为20～40mm，二者的壁厚均为5～8mm；竖向传热管的埋管部分的形状包括单U型、双U型、W型以及螺旋型。
进一步的，所述销钉由方形钢材制成，宽度和厚度均为20～30mm，长度为100～150mm，并且其锚固在预制管桩中的长度为50～100mm，距离桩顶距离为200～300mm。
进一步的，所述钢板呈圆形，直径为300～400mm，厚度为5～10mm，与预制管桩内壁相切。
进一步的，所述钢筋支架包括四根竖向钢筋和四根径向钢筋；竖向钢筋的直径为10～20mm，两两等距离对称分布且两两之间的间距为200～300mm；径向钢筋也两两等距离对称成“井”字分布，直径为10～20mm，长度与管桩内壁相切，长度为300～400mm，且等间距200～300mm沿竖向钢筋布置；竖向钢筋与径向钢筋连接节点处绑扎连接或焊接连接。
本发明还公开了一种埋设于预制管桩桩内的传热管的埋设方法：包括以下步骤：
(1)预制管桩的预制过程：将钢筋混凝土底端与管桩底部预制在一起，并在管桩的桩顶侧向开斜向孔，斜向孔设置为内低外高；离管桩桩头200～300mm位置在桩内壁设置销钉；其它桩体预制过程与传统预制管桩一致；
(2)钢筋支架绑扎及固定竖向传热管埋管形式：将四根竖向钢筋两两等距离对称设置，然后再将四根径向钢筋呈“井”字排布并分别在与竖向钢筋接触节点处绑扎或焊接；接着通过竖向传热管与竖向钢筋以及径向钢筋的绑扎，将竖向传热管的主体埋管部分(固定在钢筋支架上，其中，竖向传热管的主体埋管部分形状包括单U型、双U型、W型以及螺旋型；
(3)沉桩：利用静压或振动方法，依次将各根预制管桩沉入土体并做好各管节之间的接桩工作；
(4)埋设竖向传热管：完成所有预制管桩桩节施工后，挖开桩顶部分的桩周土，将桩顶管桩斜向孔清理干净；下放已绑扎竖向传热管的钢筋支架至设计深度处，并将竖向传热管从管桩的斜向孔穿出，在竖向传热管与管桩斜向孔进出接触处的竖向传热管外侧用海绵绑扎保护以防磨损；同时将竖向传热管暴露在管桩及上部结构外部分裹一层保温材料；
(5)重复施工步骤(3)和(4)，完成多个预制管桩桩节及安放竖向传热管的施工，对竖向传热管进行通水调试，检验所埋设的竖向传热管的密封性；然后，在预制管桩内部灌入水或油作为传热管与预制管桩之间的传热介质；
(6)进行上部结构及与预制管桩处连接处锚固施工：在预制桩顶部销钉上放置与管桩内壁等直径钢板，然后再绑扎锚固钢筋及上部结构钢筋，利用上述钢筋结构绑扎埋设水平传热管；然后，将竖向传热管穿进上部结构与水平传热管相接，其中，所述上部结构包括承台、筏和板；
(7)上部结构施工：现浇混凝土填满销钉上部的管桩桩芯以及上部结构；
(8)设置外部与水平传热管相连的集水器及泵机，将整个传热管系统进行通水调试，检验传热管的通水完整性；完成整体预制管桩内埋设传热管及其与水平传热管连接的施工。
进一步的，所述步骤(4)中的保温材料为多孔状或纤维状的保温材质，包括矿渣棉和聚苯乙烯泡沫塑料，其裹层厚度为5～10mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中的管桩桩底封底设置可以克服预制桩体内有泥浆导致竖向传热管无法有效布置到设计深度；
(2)本发明中的预制管桩桩芯插入钢筋骨架，能够解决固定设计的桩埋管形式的问题；而预制管桩端部的斜向孔可以解决在预制桩体顶部竖向传热管与水平传热的连接部在桩顶施工时易损坏的工程难题；
(3)本发明还克服了传统预制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的问题，多个预制管桩之间传热管的连接可以提高管桩传热方面利用效率。
综上述所，本发明所需费用少，工程效率高，且埋管存活率高。
附图说明
图1为本发明中各个预制管桩的传热管组件串联布置的示意图；
图2为本发明中各个预制管桩的传热管组件并联布置的示意图；
图3为实施例中单U型竖向传热管以及埋管管桩内部示意图；
图4为图3中的A-A向剖面示意图；
图5为图3中的B-B向剖面示意图；
图6为实施例中螺旋型向传热管以及埋管管桩内部示意图；
图7为图6中的A-A向剖面示意图；
图8为为实施例中双U型竖向传热管以及埋管管桩内部示意图；
图9为图8中的A-A向剖面示意图。
其中，1为水平传热管，2为预制管桩，3为钢筋支架，4为竖向传热管，5为斜向孔，6为销钉，7为钢板，8为集水器，9为泵机组。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1和图2所示，一种埋设于预制管桩2桩内的传热管，包括若干并排放置的预制管桩2、传热管组件和泵机组9；预制管桩2的底部封底密封，预制管桩2顶部两侧开设有斜向孔5，管桩内壁上设有销钉6，销钉6上放置有钢板7，钢板7上绑扎有钢筋结构；所述传热管组件包括水平传热管1和竖向传热管4，水平传热管1的一端与竖向传热管4相连通，水平传热管1的另一端连接于泵机组9，且竖向传热管4的另一端也连接于泵机组9，同时，水平传热管1通过钢筋结构埋设固定，竖向传热管4的埋管部分穿过斜向孔5后通过钢筋支架3固定于预制管桩2的桩内；各个预制管桩2内部的传热管组件的连接方式包括串联与并联。
其中，水平传热管1埋设在预制管桩2的上部结构中，预制管桩2为圆形，管桩底部封底，用钢筋支架3固定竖向传热管4的埋管部分，竖向传热管4穿过斜向孔5后与上部结构(承台、板或筏)中的水平传热管1相连，避开管桩桩顶与上部结构的锚固连接；多个预制管桩2之间的水平传热管1连接可以通过串联或并联的方式。
将竖向传热管4固定在钢筋支架3上，在沉桩后可随钢筋支架3一并插入桩芯内，钢筋支架3承受在竖向传热管4在使用期间竖向传热管4及传热液体的自重；斜向孔5的设置便于竖向传热管4与水平传热管1的连接，防止在管桩桩顶锚固施工过程中损坏竖向传热管4，同时将集水器8和泵机组9设置在整个基础一侧，不降低桩基整体承载力，且埋管存活率高。
实施例1
一种埋设于预制管桩2桩内的传热管的埋设方法：
首先，在预制管桩2(本实施例为：预制管桩2外径为800mm、内径为400mm)的预制过程中，预制管桩2底部封底，顶部侧向开斜向孔5(本实施例为：孔径为40mm，角度为30°，距桩顶距离为500mm)，斜向孔5设置为内低外高；离桩头300mm位置在预制管桩2内壁设置销钉6(本实施例为：销钉6尺寸为30×30×150mm，锚固在桩体里长度为80mm)；其它预制管桩2预制过程为传统预应力施工方法。
其次，预制管桩2内钢筋支架3绑扎及固定竖向传热管4(本实施例为：外径为30mm，厚度为8mm)埋管形式(本实施例为：U型)：4根竖向钢筋(本实施例为：直径为20mm，两两间距为200mm)两两等距离对称，四根径向钢筋(本实施例为：直径10mm)“井”字排布，并分别在与竖向钢筋接触节点处绑扎；通过竖向传热管4与竖向、径向支架钢筋的绑扎，将竖向传热管4按设置埋管形式(本实施例为：U型)固定在钢筋支架3上。
接着，利用静压或振动方法沉桩(本实施例为：静压)，将第一根预制管桩2管节沉入土体，当沉入一定深度后，其未入部分桩段的桩头高出地面0.5m，施工完成第一节预制管桩2之后，将第二节预制管桩2移至第一节预制管桩2顶部，在确认桩身轴线一致后将两桩节焊接；将第二节预制管桩2沉入土体内；重复上述步骤完成所有预制管桩2桩节施工。
然后，挖开预制管桩2桩顶部分桩周土，将桩顶预制管桩2斜向孔5清理干净；下放已绑扎竖向传热管4的钢筋支架3至设计深度处，并将竖向传热管4(本实施例为：外径为30mm，厚度为8mm)从预制管桩2斜向孔5穿出，在竖向传热管4与预制管桩2斜向孔5进出接触处，竖向传热管4外侧用海绵绑扎保护以防磨损；将竖向传热管4暴露在预制管桩2及上部结构部分，裹一层保温材料(本实施例为：矿渣棉，厚度为10mm)；重复上述步骤的施工，完成多个预制管桩2桩节及安放竖向传热管4的施工(本实施例为：各预制管桩2竖向传热管4之间为串联连接)，在预制管桩2内部灌入水或油(本实施例为：水)作为传热管与预制管桩2之间的传热介质；对竖向传热管4进行通水调试，检验所埋设的竖向传热管4的密封性。
在调试完成后，进行上部结构(本实施例为：承台)及与预制管桩2连接处锚固施工：在预制管桩2桩顶部销钉6上放置与预制管桩2内壁等直径钢板7(本实施例为：直径为400mm，厚度为10mm)，然后在绑扎锚固钢筋及上部结构钢筋，利用钢筋绑扎埋设水平传热管1(本实施例为：外径30mm，厚度8mm)；将竖向传热管4穿进承台与水平传热管1相接。
最后，进行上部承台结构施工：现浇混凝土填满钉梢上部预制管桩2桩芯及承台结构；设置外部与水平传热管1相连的集水器8及泵机组9；进行整个传热体系通水调试，检验传热管体系的通水完整性，完成整个预制管桩2内埋设传热管及其与水平传热管1连接的施工。
实施例2
一种埋设于预制管桩2桩内的传热管的埋设方法：
首先，在预制管桩2(本实施例为：预制管桩2外径为700mm、内径为300mm)的预制过程中，预制管桩2底部封底，顶部侧向开斜向孔5(本实施例为：孔径为40mm，角度为30°，距桩顶距离为500mm)，斜向孔5设置为内低外高；离桩头300mm位置在预制管桩2内壁设置销钉6(本实施例为：销钉6尺寸为30×30×150mm，锚固在桩体里长度为100mm)；其它预制管桩2预制过程为传统预应力施工方法。
其次，预制管桩2内钢筋支架3绑扎及固定竖向传热管4(本实施例为：外径为30mm，厚度为8mm)埋管形式(本实施例为：螺旋型)：4根竖向竖向钢筋(本实施例为：直径为20mm，两两间距为200mm)两两等距离对称，四根径向钢筋(本实施例为：直径10mm)“井”字排布，并分别在与竖向钢筋接触节点处绑扎；通过竖向传热管4与竖向、径向支架钢筋的绑扎，将竖向传热管4按设置埋管形式(本实施例为：螺旋型)固定在钢筋支架3上。
接着，利用静压或振动方法沉桩(本实施例为：振动)，将第一根预制管桩2管节沉入土体，当沉入一定深度后，其未入部分桩段的桩头高出地面0.5m，施工完成第一节预制管桩2之后，将第二节预制管桩2移至第一节预制管桩2顶部，在确认桩身轴线一致后将两桩节焊接；将第二节预制管桩2沉入土体内；重复上述步骤完成所有预制管桩2桩节施工。
然后，挖开预制管桩2桩顶部分桩周土，将桩顶预制管桩2斜向孔5清理干净；下放已绑扎竖向传热管4的钢筋支架3至设计深度处，并将竖向传热管4(本实施例为：外径为30mm，厚度为8mm)从预制管桩2斜向孔5穿出，在竖向传热管4与预制管桩2斜向孔5进出接触处，竖向传热管4外侧用海绵绑扎保护以防磨损；将竖向传热管4暴露在预制管桩2及上部结构部分，裹一层保温材料(本实施例为：矿渣棉，厚度为10mm)；重复上述步骤的施工，完成多个预制管桩2桩节及安放竖向传热管4的施工(本实施例为：各预制管桩2竖向传热管4之间为串联连接)，在预制管桩2内部灌入水或油(本实施例为：油)作为传热管与预制管桩2之间的传热介质；对竖向传热管4进行通水调试，检验所埋设的竖向传热管4的密封性。
在调试完成后，进行上部结构(本实施例为：筏板)及与预制管桩2连接处锚固施工：在预制管桩2桩顶部销钉6上放置与预制管桩2内壁等直径钢板7(本实施例为：直径为400mm，厚度为10mm)，然后在绑扎锚固钢筋及上部结构钢筋，利用钢筋绑扎埋设水平传热管1(本实施例为：外径30mm，厚度8mm)；将竖向传热管4穿进承台与水平传热管1相接。
最后，进行上部承台结构施工：现浇混凝土填满钉梢上部预制管桩2桩芯及承台结构；设置外部与水平传热管1相连的集水器8及泵机组9；进行整个传热体系通水调试，检验传热管体系的通水完整性，完成整个预制管桩2内埋设竖向传热管4及其与水平传热管1连接的施工。

Claims (9)

1.一种埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：包括若干并排放置的预制管桩、传热管组件和泵机组；预制管桩的底部封底密封，预制管桩顶部两侧开设有斜向孔，管桩内壁上设有销钉，销钉上放置有钢板，钢板上绑扎有钢筋结构；所述传热管组件包括水平传热管和竖向传热管，水平传热管的一端与竖向传热管相连通，水平传热管的另一端连接于泵机组，且竖向传热管的另一端也连接于泵机组，同时，水平传热管通过钢筋结构埋设固定，竖向传热管的埋管部分穿过斜向孔后通过钢筋支架固定于预制管桩的桩内；各个预制管桩内部的传热管组件的连接方式包括串联与并联。
2.根据权利要求1所述的埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：所述预制管桩的底部与钢筋混凝土底端预制在一起；预制管桩为预应力混凝土管桩，预制管桩桩身外径为600～800mm，内径为300～400mm，预制管桩桩身的长度为7～12m。
3.根据权利要求1所述的埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：所述斜向孔为圆形孔，孔径为25～40mm，每个斜向孔呈内低外高设置且倾斜角度为0～60°，斜向孔在管桩桩内壁的起点距离桩顶400～800mm，两个斜向孔呈V型对称设置。
4.根据权利要求1所述的埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：所述水平传热管与竖向传热管均为聚乙烯制管；当各个预制管桩水平内部的竖向传热管串联时，水平传热管与竖向传热管相同，外径均为20～40mm，壁厚为5～8mm；当各个预制管桩水平内部的竖向传热管并联时，水平传热管外径为30～50mm，竖向传热管外径为20～40mm，二者的壁厚均为5～8mm；竖向传热管的埋管部分的形状包括单U型、双U型、W型以及螺旋型。
5.根据权利要求1所述的埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：所述销钉由方形钢材制成，宽度和厚度均为20～30mm，长度为100～150mm，并且其锚固在预制管桩中的长度为50～100mm，距离桩顶距离为200～300mm。
6.根据权利要求1所述的埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：所述钢板呈圆形，直径为300～400mm，厚度为5～10mm，与预制管桩内壁相切。
7.根据权利要求1所述的埋设于预制管桩桩内的传热管，其特征在于：所述钢筋支架包括若干竖向钢筋和若干径向钢筋；竖向钢筋的直径为10～20mm，两两等距离对称分布且两两之间的间距为200～300mm；径向钢筋对称成“井”字设置且同方向的径向钢筋等距离分布，直径为10～20mm，其长度方向与管桩内壁相切，长度为300～400mm，且等间距200～300mm沿竖向钢筋布置；竖向钢筋与径向钢筋连接节点处绑扎连接或焊接连接。
8.一种根据权利要求1至7任意一项所述的埋设于预制管桩桩内的传热管的埋设方法：其特征在于：包括以下步骤：
(1)预制管桩的预制过程：将钢筋混凝土底端与管桩底部预制在一起，并在管桩的桩顶侧向开斜向孔，斜向孔设置为内低外高；离管桩桩头200～300mm位置在桩内壁设置销钉；其它桩体预制过程与传统预制管桩一致；
(2)钢筋支架绑扎及固定竖向传热管埋管形式：将四根竖向钢筋两两等距离对称设置，然后再将四根径向钢筋呈“井”字排布并分别在与竖向钢筋接触节点处绑扎或焊接；接着通过竖向传热管与竖向钢筋以及径向钢筋的绑扎，将竖向传热管的主体埋管部分固定在钢筋支架上，其中，竖向传热管的主体埋管部分形状包括单U型、双U型、W型以及螺旋型；
(3)沉桩：利用静压或振动方法，依次将各根预制管桩沉入土体并做好各管节之间的接桩工作；
(4)埋设竖向传热管：完成所有预制管桩桩节施工后，挖开桩顶部分的桩周土，将桩顶管桩斜向孔清理干净；下放已绑扎竖向传热管的钢筋支架至设计深度处，并将竖向传热管从管桩的斜向孔穿出，在竖向传热管与管桩斜向孔进出接触处的竖向传热管外侧用海绵绑扎保护以防磨损；同时将竖向传热管暴露在管桩及上部结构外部分裹一层保温材料；
(5)重复施工步骤(3)和(4)，完成多个预制管桩桩节及安放竖向传热管的施工，对竖向传热管进行通水调试，检验所埋设的竖向传热管的密封性；然后，在预制管桩内部灌入水或油作为传热管与预制管桩之间的传热介质；
(6)进行上部结构及与预制管桩处连接处锚固施工：在预制桩顶部销钉上放置与管桩内壁等直径钢板，然后再绑扎锚固钢筋及上部结构钢筋，利用上述钢筋结构绑扎埋设水平传热管；然后，将竖向传热管穿进上部结构与水平传热管相接，其中，所述上部结构包括承台、筏和板；
(7)上部结构施工：现浇混凝土填满销钉上部的管桩桩芯以及上部结构；
(8)设置外部与水平传热管相连的集水器及泵机，将整个传热管系统进行通水调试，检验传热管的通水完整性；完成整体预制管桩内埋设传热管及其与水平传热管连接的施工。
9.根据权利要求8所述的埋设于预制管桩桩内的传热管的埋设方法：其特征在于：所述步骤(4)中的保温材料为多孔状或纤维状的保温材质，包括矿渣棉和聚苯乙烯泡沫塑料，其裹层厚度为5～10mm。
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