CN115059065B - 一种传热增强型现浇变径能量桩及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新型地源热泵系统的埋管的技术领域，具体地说是一种传热增强型现浇变径能量桩及其施工方法。为了解决传统能量桩与土体接触面积小导致换热效率低的问题，本发明通过利用变径桩换热叶片沿桩长方向布置，令桩体和周围土体咬合，使得桩身与周边土体接触面积增大，实现提高承载性能和换热效率的目的。本发明的方法施工简单，可实现桩基现场浇筑，避免了预制桩的生产运输等复杂环节，有利于降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及新型地源热泵系统的埋管的技术领域，尤其涉及适用于建筑供暖供冷的地源热泵技术领域，具体地说是一种传热增强型现浇变径能量桩及其施工方法。
背景技术
桩基础通常用于承担建筑荷载。能量桩是一种新型桩基础，通过将桩基础与地源热泵地埋管相结合，可以起到地下浅层地热提取和承担建筑荷载的双重作用，同时还能避免地埋管换热器钻孔成本高、占地空间大的问题，具有良好的经济效益。
中国实用新型专利号为202111310202.2，名称为一种桩基预埋换热管及能量桩的专利，公开了一种桩基预埋换热管及能量桩，桩基预埋换热管具有下行管、连接管和上行管，上行换热管段和下行换热管段分别呈螺旋管。利用螺旋布置的换热管，可以有效地提高换热效率；但是，螺旋管段的设置一定程度上影响了桩身与周围土体之间的摩擦作用，影响了桩身承载力。中国发明专利申请号为201710221108.7，名称为一种用于处理软土地基的预制扩底变径桩及其施工方法的专利申请，公开了一种用于处理软土地基的预制扩底变径桩及其施工方法，预制扩底变径桩侧面包裹着碳纤维布，预制扩底变径桩扩径处呈形，预制扩底变径桩缩径处用钢套筒套住，预制扩底变径桩扩径处插有两根超强PVC管。将该预制扩底变径桩打入设计深度，进行电渗固结，在电渗过程中通过超强PVC管灌注0.25％的NaC1溶液。中国发明专利申请号为201310441978.7，名称为一种预制能量桩的施工方法的专利申请，公开了一种预制能量桩的施工方法。该技术方案解决了换热管与主筋绑扎埋设造成的相互干扰、混凝土密实度、钢筋腐蚀等技术问题，具有埋管存活率高、施工周期短、地下空间及工程造价节省的优点。但是，其埋管布置形式为垂直U型，换热流体与土体的接触面积较小，换热量及换热效率不及变径能量桩。
换热器的换热效率与换热面(即换热器与周围环境的接触面)的大小成正比。然而现有技术中，能量桩大多采用圆柱形的几何结构形式，导致能量桩与周围土体的换热面有限，从而限制能量桩的换热效率。因此，有必要提出一种新型能量桩，使其可有效增加能量桩与土体的换热面，从而大大提高能量桩的换热效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述不足和缺陷，解决传统能量桩与土体接触面积小导致换热效率低的问题；本发明提出一种传热增强型现浇变径能量桩及其施工方法。通过利用变径桩换热叶片沿桩长方向布置，令桩体和周围土体咬合，使得桩身与周边土体接触面积增大，实现提高承载性能和换热效率的目的。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种传热增强型现浇变径能量桩，包括桩身、换热叶片和换热管；换热叶片为环状、沿桩长方向等距布置在桩身外壁上，各换热叶片尺寸相同；换热管在桩身的钢筋笼外侧呈U型绑扎。
进一步，所述的换热叶片的间距为200mm～400mm，换热叶片厚度为30mm～40mm，宽度为不小于桩径的0.1倍。
进一步，所述的换热管采用导热性高和等温性良好的HDPE换热管，换热管外径为19mm～38mm，壁厚为2mm～2.5mm。
上述传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，包括以下步骤：
1)调查分析地质条件，进行工程地质勘探和设计，确定设计钻孔深度和钻孔直径；
2)根据设计部门提供的地质勘探资料，根据地质情况的不同，确定泥浆比重、泥浆粘度和不同的钻进速度；
3)按照设计资料要求，对施工现场进行整平和压实，布设满足施工要求的供水、排水、供电、道路以及临时建筑等基础设施；
4)根据设计深度和桩身直径制作钢筋笼，将钢筋笼和换热管进行绑扎；
5)根据设计资料，施工钻头通过旋转钻入土层，在变径刀片上沿和设计变径桩段上沿齐平时，施工钻头停止继续钻进，保持深度旋转，在旋转的过程中控制箱控制电动机令液压杆工作使变径刀片伸出，当变径刀片伸出长度达到设计变径桩径时，施工钻头继续旋转完成变径桩段的施工；
6)待变径桩段施工完毕后控制箱控制电动机令液压杆工作使变径刀片收缩，变径刀片收缩完毕后钻头继续钻进，继续施工；
7)将带有换热管的钢筋放置到设计深度；
8)浇筑混凝土完成桩身施工。
所述施工钻头包括钻头、钻杆、钻齿、液压系统和变径刀片；钻头焊接在钻杆的前端，钻头前端安装有钻齿；钻杆表面上沿轴向设有线槽；钻头下端装有钻齿，上端设有液压系统和变径刀头；所述液压系统包括多个金属外壳以及位于金属外壳内部的液压杆和电动机，金属外壳对称固定在钻杆的外壁表面上，金属外壳的前端上设有开孔，用于液压杆的缸筒伸出金属外壳，且在缸筒和金属外壳缝隙处布置防水圈；金属外壳的侧面设有开孔，导线穿过各个开孔使各个电机相连接，且其中一个金属外壳与钻杆上的线槽相连通，导向经过线槽后并通过滑环与控制箱相连接，滑环设置位置高于钻杆顶端；变径刀片水平安装在液压杆的前端，变径刀片与液压杆连接处设有活塞杆伸缩保护套并通过卡箍接头实现连接；变径刀片与钻头上表面之间设有垫块。
进一步，所述的金属外壳，材质为耐腐蚀性能良好的不锈钢或合金金属，壁厚2-5mm。
进一步，所述的缸筒伸出金属外壳长度为30mm～50mm，液压杆伸缩长度为100mm～300mm。
进一步，所述的线槽，宽为50mm～100mm，高为50mm～100mm。
进一步，所述的变径刀片，材质为钢材，形状为L型，宽度为200mm～400mm，厚度为60mm～80mm。
进一步，所述钻孔深度为10m～20m，桩身直径为600mm～1000mm。
本发明的有益效果：
与传统能量桩相比，本发明存在如下技术优势：
(1)将桩基础和换热系统施工统一在一起，不仅起到对上层荷载起到支撑作用，还能起到换热系统提取浅层地热的作用。
(2)通过增加换热叶片，增大了桩体和土体的接触面积，从而增加了能量桩与周边土体传热的能力，使得能量桩的换热效率得到大幅度提高。
(3)施工简单，可实现桩基现场浇筑，避免了预制桩的生产运输等复杂环节，有利于降低成本。
附图说明
图1为本发明的传热增强型现浇变径能量桩的结构示意图；
图2为图1的桩顶平面图；
图3为本发明的传热增强型现浇变径能量桩的施工示意图；
图4为施工钻头的剖面图。
图中：1钻头，2钻齿，3钻杆，4线槽，5变径刀片，6金属外壳，7液压杆，8电动机，9活塞杆伸缩保护套，10卡箍接头，11导线，12滑环，13控制箱，14垫块，15桩身，16换热叶片，17换热管。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本发明的一种传热增强型现浇变径能量桩，包括桩身15、换热叶片16和换热管17；换热叶片16为环状、沿桩长方向等距布置，各换热叶片16尺寸相同；换热管17在钢筋笼外侧呈U型绑扎，换热管17可以是一根或者多根。
上述传热增强型现浇变径能量桩的施工方法如图3所示，所使用的施工钻头如图4所示，包括钻头1、钻杆3、钻齿2、液压系统和变径刀片5；液压系统包括多个金属外壳6以及位于金属外壳6内部的液压杆7和电动机8。具体结构如下：
钻头1下端装带有硬合金的钻齿2，上端设置液压系统和变径刀头5。
所述钻杆3与钻头1尖端刀片通过焊接连接，钻杆3外部垂直方向设置线槽4。
所述的线槽4，为镀锌线槽，宽为50mm～100mm，高为50mm～100mm，与液压系统的一个金属外壳6相通，线槽4内部布置导线连接电动机8。
所述的变径刀片5，材质为钢材，形状为L型，宽度为200mm～400mm，厚度为60mm～80mm，变径刀片5与液压杆7采用螺栓连接，变径刀片5与钻头1上表面之间设有垫块14。
变径刀片5与液压杆7连接处包裹有活塞杆伸缩保护套9，并设置卡箍接头10。
所述的液压系统中的金属外壳6，布置在液压杆7和电动机8的外部，侧边设两个洞口，一个供液压杆7伸缩，另外一个供导线11连接其他金属外壳6内的电动机8，材质为耐腐蚀性能良好的不锈钢或合金金属，壁厚2-5mm。
所述的液压系统中的液压杆7和电动机8，通过螺栓将液压杆7和电动机8固定在金属外壳6上，液压杆7的缸筒伸出金属外壳6长度为30mm～50mm，在缸筒和金属外壳6缝隙处布置防水圈，液压杆7伸缩长度为100mm～300mm。
所述的导线11，地面以上通过滑环12与现场的控制箱13连接，地面以下沿线槽4穿过金属外壳6与电动机8连接。
所述的滑环12，设置位置高于钻杆3顶端，防止施工钻头工作时导线11缠绕。
所述的控制箱13，设定程序控制液压杆7的伸长和收缩以及伸出时间。
相较于传统能量桩，传热增强型现浇变径能量桩布置换热叶片，通过现场现浇的方式一次成型，既保证导热介质的导热系数保持一致，并减少传统施工变径桩基时更换设备的成本。换热叶片的布置，增大了传热面积和摩擦面积，传热面积的增大使传热效率得到有效提高，摩擦面积的增大有效减少热应变的产生。控制箱和液压系统的一线连接，既能保证施工效率，又能减少施工成本。液压系统的设置使施工过程中桩身直径不必保持一致，对于特殊条件下的施工，有一定的效果。
实施例1：
一种传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，包括以下步骤：
1)调查分析地质条件，进行工程地质勘探和设计，确定设计钻孔深度和钻孔直径。本实施例中，所述桩身1直径为600mm，设计深度为15m，换热叶片宽度为100mm。
2)根据设计部门提供的地质勘探资料，根据地质情况的不同，选用适宜的泥浆比重、泥浆粘度和不同的钻进速度。本实施例中，所述泥浆比重为1.1，粘度为18Pa.s，钻进速度为1.4m/min。
3)按照设计资料要求，对施工现场进行整平和压实，布设满足施工要求的供水、排水、供电、道路以及临时建筑等基础设施；
4)根据设计深度和桩身直径制作钢筋笼，将钢筋笼和换热管3进行绑扎。本实施例中，换热管3采用导热性高和等温性良好的HDPE换热管3，在钢筋笼外侧呈U型绑扎，换热管外径为25mm，壁厚为3mm。
5)根据设计资料，施工钻头1通过旋转钻入土层，在变径刀片5上沿和设计变径桩段上沿齐平时，钻头1停止继续钻进，保持深度旋转，在旋转的过程中控制箱13控制电动机8令液压杆7工作使变径刀片5伸出，当变径刀片5伸出长度达到设计变径桩径时，钻头1继续旋转完成变径桩段的施工；
6)待变径桩段施工完毕后控制箱13控制电动机8令液压杆7工作使变径刀片5收缩，变径刀片5收缩完毕后钻头1继续钻进，继续施工；
7)将带有换热管3的钢筋笼放置设计深度。本实施例中，设计深度为15m。
8)浇筑混凝土完成桩身施工。
实施例2
一种传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，包括以下步骤：
1)调查分析地质条件，进行工程地质勘探和设计，确定设计钻孔深度和钻孔直径。本实施例中，所述桩身1直径为800mm，设计深度为15m，换热叶片宽度为150mm。
2)根据设计部门提供的地质勘探资料，根据地质情况的不同，选用适宜的泥浆比重、泥浆粘度和不同的钻进速度。本实施例中，所述泥浆比重为1.2，粘度为17Pa.s，钻进速度为1.2m/min。
3)按照设计资料要求，对施工现场进行整平和压实，布设满足施工要求的供水、排水、供电、道路以及临时建筑等基础设施；
4)根据设计深度和桩身直径制作钢筋笼，将钢筋笼和换热管3进行绑扎。本实施例中，换热管3采用导热性高和等温性良好的HDPE换热管3，在钢筋笼外侧呈U型绑扎，换热管外径为30mm，壁厚为3mm。
5)根据设计资料，施工钻头1通过旋转钻入土层，在变径刀片5上沿和设计变径桩段上沿齐平时，钻头1停止继续钻进，保持深度旋转，在旋转的过程中控制箱13控制电动机8令液压杆7工作使变径刀片5伸出，当变径刀片5伸出长度达到设计变径桩径时，钻头1继续旋转完成变径桩段的施工；
6)待变径桩段施工完毕后控制箱13控制电动机8令液压杆7工作使变径刀片5收缩，变径刀片5收缩完毕后钻头1继续钻进，继续施工；
7)将带有换热管3的钢筋笼放置设计深度。本实施例中，设计深度为15m。
8)浇筑混凝土完成桩身施工。
Claims (6)
1.一种传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，其特征在于，所述的传热增强型现浇变径能量桩包括桩身、换热叶片和换热管；换热叶片为环状、沿桩长方向等距布置在桩身外壁上，各换热叶片尺寸相同；换热管在桩身的钢筋笼外侧呈U型绑扎；
所述的换热叶片的间距为200mm～400mm，换热叶片厚度为30mm～40mm，宽度为不小于桩径的0.1倍；
包括以下步骤：
1)调查分析地质条件，进行工程地质勘探和设计，确定设计钻孔深度和钻孔直径；
2)根据设计部门提供的地质勘探资料，根据地质情况的不同，确定泥浆比重、泥浆粘度和不同的钻进速度；
3)按照设计资料要求，对施工现场进行整平和压实，布设满足施工要求的供水、排水、供电、道路以及临时建筑等基础设施；
4)根据设计深度和桩身直径制作钢筋笼，将钢筋笼和换热管进行绑扎；
5)根据设计资料，施工钻头通过旋转钻入土层，在变径刀片上沿和设计变径桩段上沿齐平时，施工钻头停止继续钻进，保持深度旋转，在旋转的过程中控制箱控制电动机令液压杆工作使变径刀片伸出，当变径刀片伸出长度达到设计变径桩径时，施工钻头继续旋转完成变径桩段的施工；
6)待变径桩段施工完毕后控制箱控制电动机令液压杆工作使变径刀片收缩，变径刀片收缩完毕后钻头继续钻进，继续施工；
7)将带有换热管的钢筋放置到设计深度；
8)浇筑混凝土完成桩身施工；
其中，所述施工钻头包括钻头、钻杆、钻齿、液压系统和变径刀片；钻头焊接在钻杆的前端，钻头前端安装有钻齿；钻杆表面上沿轴向设有线槽；钻头下端装有钻齿，上端设有液压系统和变径刀头；所述液压系统包括多个金属外壳以及位于金属外壳内部的液压杆和电动机，金属外壳对称固定在钻杆的外壁表面上，金属外壳的前端上设有开孔，用于液压杆的缸筒伸出金属外壳，且在缸筒和金属外壳缝隙处布置防水圈；金属外壳的侧面设有开孔，导线穿过各个开孔使各个电机相连接，且其中一个金属外壳与钻杆上的线槽相连通，导向经过线槽后并通过滑环与控制箱相连接，滑环设置位置高于钻杆顶端；变径刀片水平安装在液压杆的前端，变径刀片与液压杆连接处设有活塞杆伸缩保护套并通过卡箍接头实现连接；变径刀片与钻头上表面之间设有垫块；
所述的变径刀片，材质为钢材，形状为L型，宽度为200mm～400mm，厚度为60mm～80mm。
2.根据权利要求1所述的传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，其特征在于，所述的换热管采用HDPE换热管，换热管外径为19mm～38mm，壁厚为2mm～2.5mm。
3.根据权利要求1所述的传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，其特征在于，所述的金属外壳，材质为耐腐蚀性能良好的不锈钢或合金金属，壁厚2～5mm。
4.根据权利要求1或3所述的传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，其特征在于，所述的缸筒伸出金属外壳长度为30mm～50mm，液压杆伸缩长度为100mm～300mm；所述的线槽，宽为50mm～100mm，高为50mm～100mm。
5.根据权利要求1或3所述的传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，其特征在于，所述钻孔深度为10m～20m，桩身直径为600mm～1000mm。
6.根据权利要求4所述的传热增强型现浇变径能量桩的施工方法，其特征在于，所述钻孔深度为10m～20m，桩身直径为600mm～1000mm。
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