CN110453676A - 一种预制能源桩构造设计及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种预制能源桩构造设计及施工方法，属于岩土工程地基基础工程领域。所述预制能源桩主要特征是在预制桩的钢筋笼采用中空的纵向钢筋和螺旋箍筋，载热防腐流体从钢筋笼系统中流动。钢筋笼系统不仅与桩身混凝土共同承担上部荷载，也可实现上部结构与地下岩土体的热量交换，实现了一桩两用，也有利于降低能源桩的造价。预制能源桩采用工厂化生产，便于质量控制。同时本专利将水泥搅拌桩技术和静压桩技术相结合，应用于能源桩的施工，一方面保证了能源桩打设与插入质量，减少桩基打入过程中的损伤，提高了能源桩的承载力。同时也使得能源桩与周边土体的紧密接触，保证了能源桩与岩土的热交换的效率，本专利提出的预制能源桩构造设计及施工方法有利于能源桩的推广与应用。

Description

一种预制能源桩构造设计及施工方法
技术领域
本发明属于岩土工程地基基础工程领域，具体为一种预制能源桩构造设计及施工方法。
背景技术
我国建筑总能耗约占社会终端能耗的25％以上，其中供暖空调能耗占建筑总能耗的50％以上，因此，建筑节能是我国经济社会可持续发展的一项紧迫任务。地源热泵技术利用可再生的浅层热能，通过热泵机组实现对建筑物的供暖、制冷并能提供生活用水，可广泛的应用于公共建筑、住宅、学校、医院等建筑物。地源热泵技术的原理为：冬季，地源热泵提取地下低位热能向建筑物供热，而夏季，将建筑物的热量转移到地下实现供冷。大地的热容量很大，一般10m以下的岩土温度可保持常年恒定，气候的变化对地源热泵的运行影响几何可以忽略不计，使得地源热泵的能效相对较高。地源热泵系统一般由三个部分组成，分别为建筑物室内的末端系统、热泵机房系统和地埋管换热器系统。地埋管换热系统有竖直埋管换热器和水平埋管换热器两种形式，由于竖向埋管换热器占地面积小，因此在实际工程中应用较多。竖直埋管换热器一般采用单U形或双U形高密度聚录乙烯管埋设于钻孔中，并采用回填介质灌浆回填。
传统的地源热泵需单独钻孔埋设换热管，而能源桩(亦称为“能量桩”或“桩基埋管换热器”)是传统的地源热泵技术与建筑桩基的结合，实现了“一桩两用”，一方面承担结构正常使用荷载，另一方面作为中央空调的换热载体。能源桩在建造建筑物的桩基础时，将换热管道埋入建筑桩基中，使换热管道与建筑桩基相结合，替代传统的钻孔埋管换热器。这样可以省去钻孔工序，施工相对便捷，节约施工费用，有效利用了建筑物地下面积。同时由于建筑物桩基础与土体接触紧密，增强了载热流体与岩土之间的传热效果。因此，能源桩地源热泵技术将为地源热泵空调技术的应用开辟更为广阔的前景。
在工程实践中，常用的换热器形式有单U形管、W形管、并联双U形管、并联三U形管以及螺旋管五种形式。能量桩的桩型主要有现浇钢筋混凝土桩、预制桩、钢管桩以及搅拌桩等形式。研究结果表明，钢筋混凝土桩具有较大的热量存储能力和较好的热传输性能，在全世界范围内应用最广，但同时也存在着施工工序复杂，质量控制难度较大以及造价相对较高的等问题；预制桩由于在桩运输、打入过程中可能会对传热系统造成损坏，因此应用较少。上述问题在一定程度上制约了能源桩的推广与应用，本专利设计出一种预制能源桩构造设计及施工方法，该专利将能源桩与热交换系统进一步整合，拟在预制桩中的钢筋笼中采用中空的纵向钢筋和螺旋箍筋，载热防腐流体从钢筋笼系统中流动，从而实现热量交换。同时本专利将水泥搅拌桩技术应用于能源桩的施工，一方面保证了能源桩打设与插入质量，提高了能源桩的承载力，减少桩基打入过程中的损伤。同时也使得能源桩与周边土体的接触紧密，保证了能源桩与岩土的热交换的效率，本专利提出的预制能源桩构造设计及施工方法有利于能源桩的推广与应用。
发明内容
本发明的目的在于将预制桩的钢筋笼与热交换系统进一步整合，提供一种预制能源桩构造设计及施工方法，所述预制能源桩不仅可实现桩基承载和热量交换功能，而且能大幅度降低能源桩的成本造价以及施工难度，便于能源桩的进一步推广与应用。
为了实现上述目标，本发明提供了如下的技术方案：
如图1～图4所示，本发明提出的一种预制能源桩构造设计主要包括：预制桩桩帽1、桩身2、桩尖3、进液管4、桩顶汇流环5、纵向受力钢筋6、螺旋箍筋7、桩端集流环8、连接导管9、中心导管10和出液管11。本发明所述的预制能源桩桩帽1为钢制结构，主要作用为连接上部结构，同时加强桩顶的整体性。本发明中能源桩桩身2的混凝土强度等级不低于C30，桩直径不小于600mm，桩长在15～20m之间。桩尖3为圆锥形，便于能源桩施工插入地层。本发明的核心部件为该能源桩的钢筋笼系统，区别于传统的实心钢筋，本发明中钢筋笼系统的纵向受力钢筋6及螺旋箍筋7采用中空结构设计。纵向主筋6的的横截面外径(直径)为40mm，内径(直径)为10mm，空心面积为78.5mm2，占比为6.25％。螺旋箍筋7横截面外径(直径)为20mm，内径(直径)为8mm，空心面积为50.2mm2，占比为16.0％。预制能源桩纵向受力钢筋6及螺旋箍筋7配筋依据实心面积等效替换成等面积的实心钢筋进行分析计算。桩顶汇流环5和桩端集流环8为空腔结构的圆环，圆环壁厚10mm，桩顶汇流环5侧壁联通进液管4，底部连通纵向受力钢筋6和螺旋箍筋7。桩端集流环8上侧联通纵向受力钢筋6，内侧连接连接导管9。中心导管10壁厚10mm，外部直径50mm，上下端分别连接连接导管9和出液管11。本发明中的进液管4、桩顶汇流环5、纵向受力钢筋6、螺旋箍筋7、桩端集流环8、连接导管9、中心导管10和出液管11等中空导管内部均采用镀锌防腐处理，同时上述中空结构中的液体采用载热防腐流体，从而最大限度减少或避免纵向受力钢筋6、螺旋箍筋7等钢筋的腐蚀，影响桩基的承载力能力。
如图5所示，预制能源桩的热能交换原理如下：夏季时，地面温度高于地下，上部建筑物空调及热泵系统将在高温载热流体通过进液管4导入到桩顶汇流环5中，桩顶汇流环5的高温载热体液在自重和热泵动力作用下，分别沿着纵向受力钢筋6和螺旋箍筋7流进桩端集流环8，在此过程中与周边岩土体进行热交换，高温载热流体温度下降形成低温流体。低温流体通过连接导管9、中心导管10和出液管11，在热泵系统动力作用下进入上部建筑物空调及热泵系统，吸收上部建筑的热量，携带热量循环进入能量桩中，从而实现了夏季将建筑物的热量转移到地下实现供冷的功能。与此相反，冬季时，地面温度低于地下，上部建筑物空调及热泵系统将在低温流体通过进液管4导入到桩顶汇流环5中，桩顶汇流环5的低温流体在自重和热泵动力作用下，分别沿着纵向受力钢筋6和螺旋箍筋7流进桩端集流环8，在此过程中与周边岩土体进行热交换，高温载热流体温度上升形成高温载热流体。高温载热流体通过连接导管9、中心导管10和出液管11，在热泵系统动力作用下进入上部建筑物空调及热泵系统，释放热量后循环进入能量桩中，从而实现了冬季将地下岩土体的热量转移到上部结构实现供热的功能。
如图6所示，本发明也提供了一种预制能源桩的施工方法，施工过程如下：首先在设计桩位进行水泥土搅拌桩施工，场地平整后进行桩位放线，采用深层搅拌机械钻孔，通过砂浆发送器将水泥砂浆喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和，土体被充分粉碎，水泥粉被均匀地分散在钻孔中；从而形成桩径为能源桩的1.5倍的搅拌桩。搅拌桩完成后，在搅拌桩水泥初凝前进行预制能源桩施工，采用压桩机械将能源桩压入混凝土搅拌桩内，从而完成单根能源桩的施工。能源桩施工完成后，合理布置并保护进液管4和出液管11，待上部结构完成后，即可将能源桩与空调、热泵系统连接，此处不再赘述。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明提出了一种预制能源桩的构造设计，该设计将预制桩的钢筋笼与热交换系统进一步整合，钢筋笼不仅与桩身混凝土共同承担上部荷载，同时也可实现上部结构与地下岩土体的热量交换，实现了一桩两用，有利于降低能源桩的造价。
2.目前能源桩主要桩型为混凝土灌注桩，现场钻孔、埋管并灌注混凝土形成的能源桩施工技术要求高、效率低同时质量控制难度大。而预制能源桩采用工厂化生产，便于质量控制。同时钢筋笼系统密集，能够提高热交换的效率。
3.将能源桩与水泥土搅拌技术相结合，不仅有利于提供预制能源桩的承载力，避免打入预制桩时桩身破损，同时也保证了能源桩与周边岩土的接触，有利于提高能源桩与岩土体的热交换效率。
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为本发明所述能源桩的示意图。
图2为本发明所述能源桩钢筋笼系统构造设计的示意图。
图3为本发明所述能源桩钢筋笼系统构造设计的侧视图。
图4为本发明所述能源桩钢筋笼系统构造设计的俯视图。
图5为本发明所述能源桩钢筋笼系统构造设计的原理图。
图6为本发明所述能源桩施工方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的一种预制能源桩构造设计及施工方法作进一步说明。结合下面实例说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
所述能源桩的核心部件主要为钢筋笼系统，该系统包括进液管4、桩顶汇流环5、纵向受力钢筋6、螺旋箍筋7、桩端集流环8、连接导管9、中心导管10和出液管11。区别于传统的实心钢筋，本发明中钢筋笼系统的纵向受力钢筋6及螺旋箍筋7采用中空结构设计。本实例中能源桩桩长16m，其中纵向主筋6的的横截面外径(直径)为40mm，内径(直径)为10mm，空心面积为78.5mm2，占比为6.25％。螺旋箍筋7横截面外径(直径)为20mm，内径(直径)为8mm，空心面积为50.2mm2，占比为16.0％。预制能源桩纵向受力钢筋6及螺旋箍筋7配筋依据实心面积等效替换成等面积的实心钢筋进行分析计算。桩顶汇流环5和桩端集流环8为空腔结构的圆环，圆环壁厚10mm，桩顶汇流环5侧壁联通进液管4，底部连通纵向受力钢筋6和螺旋箍筋7。桩端集流环8上侧联通纵向受力钢筋6，内侧连接连接导管9。中心导管10壁厚10mm，外部直径50mm，上下端分别连接连接导管9和出液管11。本发明中的进液管4、桩顶汇流环5、纵向受力钢筋6、螺旋箍筋7、桩端集流环8、连接导管9、中心导管10和出液管11等中空导管内部均采用镀锌防腐处理，同时上述中空结构中的液体采用载热防腐流体，从而最大限度减少或避免纵向受力钢筋6、螺旋箍筋7等钢筋的腐蚀。
所述能源桩核心部件钢筋笼制作完成后，采用离心成型技术进行能源桩的制造，本实施例中采用C42.5高强度混凝土的制备桩身，粗骨料在5～20mm间且要求岩石强度在150MPa以上，细骨料砂的细度模数在2.6～3.3，砂石必须筛洗洁净，混凝土水灰比0.3左右，水泥用量500kg/m3左右，砂率控制在32％～36％，掺入高效减水剂，混凝土的坍落度约在3～5cm。当钢筋笼绑扎完成后，使用桁架吊车将其吊入预制模中，并向预制模中灌注混凝土。将能源桩钢筋笼张拉端送入特定的机器进行张拉，张拉的具体量根据不同的要求确定。将张拉好的管桩放入离心槽中进行离心，离心作用按慢速、低速、中速、高速四个阶段进行，以保证混凝土密实。经离心成型的能源桩采用高压蒸养，当达到蒸压时间后即可将模型拆开，制成的能源桩混凝土管桩成堆堆放，并根据工程需要运输至工地堆放。能源桩在浇筑、养护及存放过程中，需在钢筋笼系统中注入载热防腐流体并临时密闭进液管和出液管，以防止接触空气腐蚀及杂质进入钢筋笼系统。
预制桩的施工方法一般有锤击法沉桩和静力压桩法。锤击法沉桩打桩振动噪声大，有打桩挤土效应对周边环境影响大，桩顶易打碎。而静压法遇到硬夹层则沉桩困难，为保证能源桩能同时正常发挥基础与热交换的双重性能，本实施例中采用将深层搅拌桩与静压桩工艺相结合的能源桩施工方法，具体方法如下，首先进行测量定位和桩机就位；随后进行高压旋喷水泥土桩施工：包括有湿喷下沉、提升钻头、反转喷灰，在提升过程喷水泥浆搅拌，通过砂浆发送器将水泥砂浆喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和；提升结束进行复拌，边提升边反向旋转钻头并喷灰，使土体和粉体充分拌和，土体被充分粉碎，水泥粉被均匀地分散在钻孔中；复拌是保证成桩均匀和提高桩体强度的有效措施；搅拌桩的桩径设计为能源桩的1.5倍。能源桩在水泥土初凝前植入外围水泥土桩中，从而完成单根能源桩的施工。能源桩施工完成后，合理布置并保护进液管4和出液管11，待上部结构完成后，即可将能源桩与空调、热泵系统连接，此处不再赘述。能源桩施工方法采用大将水泥土搅拌桩与静压桩技术相结合，一方面可大大提高单桩承载力，另一方面，也可以确保能源桩顺利进入植入土体至设计深度，保证能源桩的热效率，从而实现能源桩作为建筑物承载基础及热交换媒介的双重功能。

Claims (4)

1.一种预制能源桩，包括预制桩桩帽(1)、桩身(2)、桩尖(3)、进液管(4)、桩顶汇流环(5)、纵向受力钢筋(6)、螺旋箍筋(7)、桩端集流环(8)、连接导管(9)、中心导管(10)和出液管(11)；所述预制桩桩帽(1)为钢制结构；所述桩身(2)的混凝土强度等级不低于C30，桩直径不小于600mm，桩长在15～20m之间；所述桩尖(3)为圆锥形。
2.根据权利要求1所述的预制能源桩，其特征是所述纵向受力钢筋(6)及螺旋箍筋(7)采用中空结构设计；所述纵向受力钢筋(6)的横截面外径为40mm，内径为10mm，空心面积为78.5mm2，占比为6.25％；所述螺旋箍筋(7)横截面外径为20mm，内径为8mm，空心面积为50.2mm2，占比为16.0％；所述纵向受力钢筋(6)及螺旋箍筋(7)配筋依据实心面积等效替换成等面积的实心钢筋进行分析计算；所述桩顶汇流环(5)和所述桩端集流环(8)为空腔结构的圆环，所述圆环壁厚10mm，所述桩顶汇流环(5)侧壁联通所述进液管(4)，底部连通所述纵向受力钢筋(6)和所述螺旋箍筋(7)；所述桩端集流环(8)上侧联通所述纵向受力钢筋(6)，内侧连接所述连接导管(9)；所述中心导管(10)壁厚10mm，外部直径50mm，上下端分别连接所述连接导管(9)和出液管(11)；所述进液管(4)、桩顶汇流环(5)、纵向受力钢筋(6)、螺旋箍筋(7)、桩端集流环(8)、连接导管(9)、中心导管(10)和出液管(11)内部采用镀锌防腐处理，其中的液体采用载热防腐流体。
3.如权利要求1所述的预制能源桩的使用方法，其特征是，当地面与地下存在温差时，上部建筑物空调及热泵系统将载热流体通过进液管(4)导入到桩顶汇流环(5)中，桩顶汇流环(5)的载热流体液在自重和热泵动力作用下，分别沿着纵向受力钢筋(6)和螺旋箍筋(7)流进桩端集流环(8)，在此过程中与周边岩土体进行热交换；热交换后的载热流体通过连接导管(9)、中心导管(10)和出液管(11)，在热泵系统动力作用下进入上部建筑物空调及热泵系统，与周边上部建筑进行热交换，再次循环进入预制能源桩中。
4.采用如权利要求1所述的预制能源桩的施工方法，其特征是，桩位定位和桩机就位后进行高压旋喷水泥土桩施工，包括湿喷下沉；提升钻头、反转喷灰，在提升过程喷水泥浆搅拌，通过砂浆发送器将水泥砂浆喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和，形成搅为所述预制能源桩直径1.5倍的搅拌桩；预制能源桩在搅拌桩水泥土初凝前植入水泥土桩中，完成单根预制能源桩的施工；预制能源桩施工完成后，合理布置并保护进液管(4)和出液管(11)，待上部结构完成后，即可将预制能源桩与空调、热泵系统连接。
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