CN108951724A - 能源桩试验监测系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能源桩试验监测系统，其特征在于，包括能源桩桩体、加载装置、桩顶位移测试装置、循环温控装置、数据采集装置和岩土热响应测试装置，本发明还提供一种利用所述岩土热响应测试装置进行岩土导热系数测试实验的方法和一种利用所述能源桩试验监测系统的测试方法，采用本发明的测试装置和测试方法能够对能源桩的热力学参数做更完善的测试与分析，同时提高研究的准确可靠性。

Description

能源桩试验监测系统及测试方法

技术领域

本发明涉及桩基工程新能源技术领域，具体涉及一种灌注型能源桩试验监测装置及测试方法。

背景技术

地源热泵系统是一套专门利用浅层地温能的系统，利用浅层地温能的特点达到给建筑制冷和供热的效果，从而试现节能减排和环境保护的目的，与其他空调系统相比有一定的优势。地源热泵系统是以地下或地上岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。地源热泵系统工作原理是，利用室内泵机让换热介质在地下换热器内运行，将浅地层(地下岩土体、地下水、地表水等)作为热源。在夏季(制冷工况)将室内的热能通过换热介质存储在地下，从而试现给室内降温的目的；在冬季(制热工况)同样通过换热介质将地下的热能吸收上来给室内供热，从而实现给室内供暖的目的。

能源桩，即在桩基里布设换热管道。能源桩与传统的地球集热系统或地下换热钻孔系统的本质区别是作为与地球相连接的热交换器具备了结构功能而且不必单独建造。混凝土及钢材比土壤有较高的导热系数，从而进一步提高了能量转换效率。能源桩采用这种新型的埋管方式，解决了较大的占地面积需求及较高的钻孔费用的问题。相对稳定的地下温度为基础桩作为地热换热器提供了条件，同时有助于减少热泵压缩机在加热和冷却建筑物时并且更加环保。

能源桩兼具承担上部荷载和进行热量交换的双重功能，不仅要承受上部建筑物的荷载，还要承受因换热所带来的温度荷载，对桩基极限承载力和位移沉降有一定影响，从而上部建筑物的强度和稳定性也会受到影响。目前现场能源桩试验热力学参数的测试装置和测试方法还不够完善，缺少对能源桩的热力学参数做更完善的测试与分析的系统及测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能源桩试验监测系统及测试方法，解决现有技术缺少对能源桩的热力学参数做更完善的测试与分析的系统及测试方法的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种能源桩试验监测系统，包括能源桩桩体、加载装置、桩顶位移测试装置、循环温控装置、数据采集装置和岩土热响应测试装置；

所述能源桩桩体顶部为桩帽，所述加载装置包括千斤顶和反力架，所述反力架包括顶盘和锚桩，所述千斤顶的底部与所述桩帽顶部接触，所述千斤顶顶部顶在所述顶盘下表面，所述桩帽上设置有所述桩顶位移测试装置；

所述岩土热响应测试装置包含循环管路，所述循环管路上具有进液口和出液口；

所述循环温控装置包括保温箱、升降温器、换热管和节流阀，所述升降温器设置在所述保温箱内，所述换热管包括换热内管和换热外管，所述换热内管和所述换热外管相互连通，所述换热内管设置于所述能源桩桩体内，所述换热外管一端从所述能源桩桩体向外延伸，与所述进液口连接，所述换热外管另一端从所述能源桩桩体向外延伸进入所述保温箱内，所述出液口与所述保温箱由所述换热外管连通，所述节流阀设置在所述换热管上；

所述数据采集装置包括光纤传感器、温度传感器、压力传感器和土压力盒传感器，所述光纤传感器设置在所述能源桩桩体内侧，所述温度传感器设置于所述进液口和所述出液口处，所述压力传感器设置在所述加载装置顶部，所述土压力盒传感器设置在所述能源桩桩体底部。

相比于现有技术，本发明具有的有益效果是：利用循环水通过循环温控系统调控保温水箱中水的温度，真实模拟能源桩热交换过程中的制冷制热工况。利用热响应测试仪进行现场测试可以获得地下岩土体的热响应曲线。通过数据采集系统采集的数据分析，为冷、热循环作用下桩体的力学性能及其演化过程提供试验数据。采用本发明的测试装置能够对能源桩的热力学参数做更完善的测试与分析，同时提高研究的准确可靠性。

优选的，所述能源桩试验监测系统还包括换热管转换装置，所述换热管转换装置设置在所述换热内管分别与所述进液口和所述保温箱连接的所述换热外管上，所述能源桩桩体内设置有至少两组换热管。所述换热管通过所述换热管转换装置控制来转换不同连通方式，实现在一根桩体内多种换热管连通方式测试，比较所述换热管各连通方式的换热效率。

优选的，所述能源桩桩体内设置有三组换热管，所述能源桩桩体外径为800mm，所述换热管直径为25mm。

优选的，所述千斤顶设置在所述桩帽顶部中心。

优选的，所述所述反力架还包括底座，所述能源桩桩体底部放置在所述底座上，所述锚桩连接所述底座和所述顶盘。

优选的，所述桩顶位移测试装置包括至少一个千分表，所述千分表分别设置在所述桩帽四角位置。

优选的，所述岩土热响应测试装置还包含泵、加热器、流量计、膨胀液箱、排气管、阀门和压力表，所述泵、加热器、流量计、阀门和压力表分别设置在所述循环管路上，所述膨胀液箱和所述排气管分别与所述循环管路连通。所述加热器以恒定的加热功率对所述循环管路内的循环液进行加热，测试岩土体的综合导热系数，从而利用所述岩土热响应测试装置进行模拟实验或现场测试可以获得岩土体的热响应曲线，对采集的数据进行分析。

本发明还提供一种利用所述岩土热响应测试装置进行岩土导热系数测试实验的方法，包括以下步骤：

步骤1，向所述岩土热响应测试装置中通入循环液，将所述岩土热响应测试装置中的气体排出，通过调节所述阀门将所述泵流量调至最大；

步骤2，关闭所述加热器，打开所述泵，控制所述流量计和所述节流阀来调节循环液的流速为固定值，当所述温度传感器显示的温度稳定后，将所述岩土热响应测试装置进液口和出液口温度的平均值作为初始平均温度；

步骤3，开启所述加热器，调节所述阀门到实验所需值，所述数据采集装置每隔1分钟采集一次数据，根据所采集的数据计算岩土导热系数。

本发明还提供一种利用所述能源桩试验监测系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，向保温箱中通入循环液，通过所述升降温器调控所述保温箱中循环液的温度；

步骤2，关闭所述加热器，打开所述泵，控制所述流量计和所述节流阀来调节循环液的流速为固定值；

步骤3，比较固定流速下不同温度荷载对所述能源桩桩体的影响；

步骤4，改变流速数值，重复步骤3，比较不同流速下所述换热管的换热效率以及温度荷载对所述能源桩桩体的影响。

优选的，步骤2还包括控制所述换热管转换装置转换所述换热管的连通型式的步骤；在步骤3中，比较所述固定流速下不同连通型式和不同温度荷载对所述能源桩桩体的影响；在步骤4中，选择所述换热管的换热效率最高的连通型式，改变循环液流速，比较不同流速下所述换热管的换热效率以及不同温度荷载对所述能源桩桩体的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明能源桩试验监测系统的整体示意图；

图2a和图2b分别为保温箱内换热外管两种结构示意图；

图3包含底座的反力架结构示意图；

图4为换热管转换装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种能源桩试验监测系统，包括能源桩桩体1、加载装置2、桩顶位移测试装置3、循环温控装置4、数据采集装置5和岩土热响应测试装置6。

所述循环温控装置4包括保温箱41、升降温器42、换热管43和节流阀44，所述升降温器42设置在所述保温箱41内，所述保温箱41内有循环液，所述循环温控装置4通过调控所述升降温器42来控制循环液的温度，从而真实模拟所述能源桩热交换过程中的制冷制热工况，所述循环液优选采用水。所述岩土热响应测试装置6包含循环管路61，所述循环管路61上具有进液口611和出液口612，所述换热管43包括换热内管431和换热外管432，换热内管431和换热外管432相互连通，所述换热内管431设置于所述能源桩桩体1内，所述换热外管432一端从所述能源桩桩体1向外延伸，与所述进液口611连接，所述换热外管432另一端从所述能源桩桩体1向外延伸进入所述保温箱41内，所述出液口612与所述保温箱41有换热外管432连通。如图2a所示，一些实施例中，在所述保温箱41内的所述换热外管432上具有孔45，连通所述所述保温箱41内部和所述换热外管432管腔；如图2b所示，另一些实施例中，所述换热外管432在所述保温箱41内断开为不相连的两段，每一段所述换热外管432管腔均与所述保温箱41内部连通。所述节流阀44设置在所述换热管43上，用于调节所述换热管43中循环液的流速。所述换热管43的材料为聚乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯中的一种或多种组合。

本发明利用循环水通过循环温控系统调控保温水箱中水的温度，真实模拟能源桩热交换过程中的制冷制热工况。利用热响应测试仪进行现场测试可以获得地下岩土体的热响应曲线。通过数据采集系统采集的数据分析，为冷、热循环作用下桩体的力学性能及其演化过程提供试验数据。采用本发明的测试装置能够对能源桩的热力学参数做更完善的测试与分析，同时提高研究的准确可靠性。

所述能源桩桩体1采用垂直埋管热泵系统与桩基础结合的技术，即在桩基里布设换热管43形成所述能源桩桩体1，所述桩基可采用灌注型桩基，所述换热管43采用单“U”型埋管布置方式，将每根单“U”型换热管43的进、出液口均外露在所述能源桩桩体1外部。根据所述能源桩桩体1的桩径选择换热管43数量和直径大小，在本发明的一些实施例中，所述能源桩桩体1外径为800mm，所述能源桩桩体1内设置有三组换热管43，所述换热管43直径为25mm。

所述数据采集装置5包括光纤传感器51、温度传感器52、压力传感器53和土压力盒传感器54，所述光纤传感器51设置在所述能源桩桩体1内侧，所述光纤传感器51既可测应变又可测温度，采集所述能源桩桩体1应变及温度数据；所述温度传感器52分别设置于靠近所述进液口611处和靠近所述出液口612处，采集所述进液口611和出液口612的温度数据；所述压力传感器53设置在所述加载装置2顶部，测量所述加载装置2竖向施加到所述能源桩桩体1的荷载；所述能源桩桩体1底部埋置于土中，所述土压力盒传感器54设置在所述能源桩桩体1底部，用于监测桩-土界面的摩擦力。

所述能源桩桩体1顶部为桩帽11，所述加载装置2包括千斤顶21和反力架22，所述千斤顶21的底部与所述桩帽11顶部接触，所述加载装置2通过所述千斤顶21竖向施加荷载在所述桩帽11上，进而对所述能源桩桩体1施加竖向荷载，所述千斤顶21优选设置在所述桩帽11顶部中心，所述桩帽11上设置有所述桩顶位移测试装置3，用于测试所述能源桩桩体1顶部位移变化情况。一些实施例中，所述桩顶位移测试装置3包括至少一个千分表，所述千分表优选分别设置在所述桩帽11四角位置。

一些实施例中，所述反力架22包括顶盘221和锚桩222，所述千斤顶21顶部顶在所述顶盘221下表面，所述锚桩222优选设置4根，分别插在土中锚固固定所述反力架22，在所述加载装置2对所述能源桩桩体1施加竖向荷载时提供反力。如图3所示，另一些实施例中，所述反力架22还包括底座223，所述能源桩桩体1底部放置在所述底座223上，所述锚桩222连接所述底座223和所述顶盘221，在所述加载装置2对所述能源桩桩体1施加竖向荷载时提供反力。

在本发明的一些实施例中，所述岩土热响应测试装置6还包含泵62、加热器63、流量计64、膨胀液箱65、排气管66、阀门67和压力表68。所述泵62、加热器63、流量计64、阀门67和压力表68分别设置在所述循环管路61上，所述泵62提供循环液在所述循环管路61中流动的动力，所述加热器63以恒定的加热功率对所述循环管路61内的循环液进行加热，测试岩土体的综合导热系数，从而利用所述岩土热响应测试装置6进行模拟实验或现场测试可以获得岩土体的热响应曲线，对采集的数据进行分析。所述流量计64显示循环液通过所述岩土热响应测试装置6中的所述循环管路61的流量，所述阀门67控制所述循环管路61内循环液流量，所述压力表68显示所述循环管路61内的压力，所述膨胀液箱65和所述排气管66分别与所述循环管路61连通，所述膨胀液箱65为所述循环管路61定压和补水，所述排气管66用于排出所述循环管路61内空气。所述循环管路61与所述换热管43连通，循环液流经所述换热内管431后进入所述换热外管432，经所述进液口611进入所述循环管路61，再经所述出液口612离开所述岩土热响应测试装置6通过所述换热外管432进入所述保温箱41，再通过所述换热外管432重新进入所述换热内管431，所述岩土热响应测试装置6与循环温控装置4连接形成循环整体。

在本发明优选的实施例中，所述能源桩试验监测系统还包括换热管转换装置7，所述换热管转换装置7设置在所述换热内管431分别与所述进液口611和所述保温箱41连接的所述换热外管432上，所述能源桩桩体1内设置有至少两组换热管43，所述换热管43通过所述换热管转换装置7控制来转换不同连通方式，实现在一根桩体内多种换热管43连通方式测试，比较所述换热管43各连通方式的换热效率。

如图4所示，所述换热管转换装置7包括总阀门71、并联阀门72和串联阀门73，利用所述总阀门71、并联阀门72和串联阀门73的开关实现所述换热管43埋管形式的改变。以所述能源桩桩体1内设置三组换热管43为例，所述换热管43的换热内管431包括第一换热内管4311、第二换热内管4312和第三换热内管4313，所述总阀门71包括第一总阀门711、第二总阀门712和第三总阀门713，所述并联阀门72包括第一并联阀门721和第二并联阀门722，所述串联阀门73包括第一串联阀门731和第二串联阀门732。最初所有阀门均处于关闭状态，所述换热管转换装置7具体控制形式如下：

(1)当仅打开第一总阀门711时，所述第一换热内管4311单独工作；当仅打开第一并联阀门721和第二总阀门712时，所述第二换热内管4312单独工作；当仅打开第一并联阀门721、第二并联阀门722和第三总阀门713时，所述第三换热内管4313单独工作。

(2)当仅打开第一串联阀门731和第二总阀门712时，所述第一换热内管4311和第二换热内管4312串联工作；当仅打开第一串联阀门731、第二串联阀门732和第三总阀门713时，所述第一换热内管4311、第二换热内管4312和第三换热内管4313串联工作。

(3)当仅打开第一并联阀门721、第一总阀门711和第二总阀门712时，第一换热内管4311和第二换热内管4312并联工作；当仅打开第一并联阀门721、第二并联阀门722、第一总阀门711、第二总阀门712和第三总阀门713时，第一换热内管4311、第二换热内管4312和第三换热内管4313并联工作。

由于所述能源桩桩体1内所述换热管43埋管形式是固定的，要进行两种以上不同埋管形式的比较需要在不同的桩基里进行比较，而采用所述换热管转换装置7可实现在同一根能源桩桩体1内比较所述换热管43多种不同连通形式，从而模拟多种不同埋管形式来进行研究。

本发明还提供一种利用所述岩土热响应测试装置6进行岩土导热系数测试实验的方法，包括以下步骤：

步骤1，向所述岩土热响应测试装置6中通入循环液，将所述岩土热响应测试装置6中的气体排出，通过调节所述阀门67将所述泵62流量调至最大；

步骤2，关闭所述加热器63，打开所述泵62，控制所述流量计64和所述节流阀44来调节循环液的流速为固定值，当所述温度传感器52显示的温度稳定后，将所述进液口611和出液口612温度的平均值作为初始平均温度；

步骤3，开启所述加热器63，调节所述阀门67到实验所需值，所述数据采集装置5每隔1分钟采集一次数据，根据所采集的数据计算岩土导热系数。

本发明还提供一种利用所述能源桩试验监测系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，向保温箱41中通入循环液，通过所述升降温器42调控所述保温箱41中循环液的温度，模拟不同季节能源桩的热交换环境温度；

步骤2，关闭所述加热器63，打开所述泵62，控制所述流量计64和所述节流阀44来调节循环液的流速为固定值；

步骤3，比较固定流速下不同温度荷载对所述能源桩桩体1的影响；

步骤4，改变流速数值，重复步骤3，比较不同流速下所述换热管43的换热效率以及温度荷载对所述能源桩桩体1的影响。

在本发明优选实施例中，步骤2还包括控制所述换热管转换装置7转换所述换热管43的连通型式的步骤；在步骤3中，比较所述固定流速下不同连通型式和不同温度荷载对所述能源桩桩体1的影响；在步骤4中，选择所述换热管43的换热效率最高的连通型式，改变循环液流速，比较不同流速下所述换热管43的换热效率以及不同温度荷载对所述能源桩桩体1的影响。

上面对本发明的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本发明的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本发明旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

虽然通过实施方式描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (10)

1.能源桩试验监测系统，其特征在于，包括能源桩桩体、加载装置、桩顶位移测试装置、循环温控装置、数据采集装置和岩土热响应测试装置；

所述能源桩桩体顶部为桩帽，所述加载装置包括千斤顶和反力架，所述反力架包括顶盘和锚桩，所述千斤顶的底部与所述桩帽顶部接触，所述千斤顶顶部顶在所述顶盘下表面，所述桩帽上设置有所述桩顶位移测试装置；

所述岩土热响应测试装置包含循环管路，所述循环管路上具有进液口和出液口；

所述循环温控装置包括保温箱、升降温器、换热管和节流阀，所述升降温器设置在所述保温箱内，所述换热管包括换热内管和换热外管，所述换热内管和所述换热外管相互连通，所述换热内管设置于所述能源桩桩体内，所述换热外管一端从所述能源桩桩体向外延伸与所述进液口连接，所述换热外管另一端从所述能源桩桩体向外延伸进入所述保温箱内，所述出液口与所述保温箱由所述换热外管连通，所述节流阀设置在所述换热管上；

所述数据采集装置包括光纤传感器、温度传感器、压力传感器和土压力盒传感器，所述光纤传感器设置在所述能源桩桩体内侧，所述温度传感器设置于所述进液口和所述出液口处，所述压力传感器设置在所述加载装置顶部，所述土压力盒传感器设置在所述能源桩桩体底部。

2.如权利要求1所述能源桩试验监测系统，其特征在于，所述能源桩试验监测系统还包括换热管转换装置，所述换热管转换装置设置在所述换热内管分别与所述进液口和所述保温箱连接的所述换热外管上，所述能源桩桩体内设置有至少两组换热管。

3.如权利要求2所述能源桩试验监测系统，其特征在于，所述能源桩桩体内设置有三组换热管，所述能源桩桩体外径为800mm，所述换热管直径为25mm。

4.如权利要求1所述能源桩试验监测系统，其特征在于，所述千斤顶设置在所述桩帽顶部中心。

5.如权利要求1所述能源桩试验监测系统，其特征在于，所述所述反力架还包括底座，所述能源桩桩体底部放置在所述底座上，所述锚桩连接所述底座和所述顶盘。

6.如权利要求1所述能源桩试验监测系统，其特征在于，所述桩顶位移测试装置包括至少一个千分表，所述千分表分别设置在所述桩帽四角位置。

7.如权利要求1所述能源桩试验监测系统，其特征在于，所述岩土热响应测试装置还包含泵、加热器、流量计、膨胀液箱、排气管、阀门和压力表，所述泵、加热器、流量计、阀门和压力表分别设置在所述循环管路上，所述膨胀液箱和所述排气管分别与所述循环管路连通。

8.利用如权利要求7所述岩土热响应测试装置进行岩土导热系数测试实验的方法，包括以下步骤：

步骤1，向所述岩土热响应测试装置中通入循环液，将所述岩土热响应测试装置中的气体排出，通过调节所述阀门将所述泵流量调至最大；

步骤2，关闭所述加热器，打开所述泵，控制所述流量计和所述节流阀来调节循环液的流速为固定值，当所述温度传感器显示的温度稳定后，将所述岩土热响应测试装置进液口和出液口温度的平均值作为初始平均温度；

步骤3，开启所述加热器，调节所述阀门到实验所需值，所述数据采集装置每隔1分钟采集一次数据，根据所采集的数据计算岩土导热系数。

9.利用如权利要求1所述能源桩试验监测系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，向保温箱中通入循环液，通过所述升降温器调控所述保温箱中循环液的温度；

步骤2，关闭所述加热器，打开所述泵，控制所述流量计和所述节流阀来调节循环液的流速为固定值；

步骤3，比较固定流速下不同温度荷载对所述能源桩桩体的影响；

步骤4，改变流速数值，重复步骤3，比较不同流速下所述换热管的换热效率以及温度荷载对所述能源桩桩体的影响。

10.如权利要求9所述测试方法，其特征在于，步骤2还包括控制所述换热管转换装置转换所述换热管的连通型式的步骤；在步骤3中，比较所述固定流速下不同连通型式和不同温度荷载对所述能源桩桩体的影响；在步骤4中，选择所述换热管的换热效率最高的连通型式，改变循环液流速，比较不同流速下所述换热管的换热效率以及不同温度荷载对所述能源桩桩体的影响。