CN209555935U - 一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩 - Google Patents

Abstract

一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，桩体内的背土侧间隔设有若干个背土侧U形换热管，桩体内的迎土侧间隔设有若干个迎土侧U形换热管；桩体内设有用于隔绝背土侧U形换热管和迎土侧U形换热管交换热量的隔热板；背土侧U形换热管的两个管口分别与热水箱的第一进口和热水箱的第一出口相连通；迎土侧U形换热管的两个管口分别与冷水箱的第一进口和冷水箱的第一出口相连通；热水箱的第二进口和热水箱的第二出口分别与给建筑供冷暖的供冷暖管道的入口和出口相连通；冷水箱的第二进口和冷水箱的第二出口分别与给建筑供冷暖的管道的入口和出口相连通。

Description

一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩

技术领域

本实用新型属于桩基工程领域，具体涉及一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩。

背景技术

基于对地下空间利用的考虑，工程技术人员将地源热泵与建筑桩基础结合起来，提出一种能量桩(energy piles)的技术方案。通过在桩基础中埋设的换热管，进行浅层低温地热能转换，在满足常规桩基力学功能的同时还能通过桩体实现与浅层地能的热交换。

而把能量桩作为基坑水平围护桩，由于能源桩系统在基坑开挖阶段能提供温度应力，可以用来抵抗桩体的水平变形。在结构使用阶段又可作为普通能量桩进行浅层地热能的转换，实现一桩多用。

出于安全考虑，相比一般用于竖向承载的能源桩，不仅不会产生对承载力不利的温度应力，还能产生抵抗桩体水平变形的有利的温度应力，增加了结构的可靠性。出于施工考虑，相比普通钻孔灌注桩，只多了绑扎换热管和绝热板这一步，施工简单，使用方便。出于对经济的考虑，围护桩在基坑完成后就废弃了，而把其变成能源桩，对周边建筑供冷供暖，实现了变废为宝，具有良好的经济效益，并且基坑开挖阶段水平围护能量桩能产生温度应力抵抗变形，所以能从一定程度上减少桩长，节约费用。

中国专利CN105350522A公开了一种预制钢筋混凝土能量桩系统的制作及使用方法，能进行浅层低温地热能转换，为周边建筑供热，但这类桩多作为竖向承载桩，受竖向承载力，而能源桩在运行时桩，产生对承载力不利的温度应力，不利于桩的稳定性。并且此类桩没有对换热管位置进行合理布置，不能用来减小桩体的水平变形。

中国专利CN105113486A公开了一种用于基坑围护以及边坡支护领域的钻孔灌注桩。在施工阶段，没有用来减小桩体水平位移的温度应力。并且在基坑施工完成后，桩就失去了作用，会被废弃，造成较大浪费。

发明内容

为了解决现有的能量桩不能抵抗桩体水平变形的缺点，本实用新型提供一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，不仅能够在基坑开挖阶段抵抗桩体水平变形，而且基坑完成后可对废弃的桩进行再利用，进行浅层低温地热能转换，为周围建筑供冷供热。

本实用新型采用的技术方案是：

本申请实施例提供一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，包括插设在基坑内的桩体，所述桩体沿轴向的底端固定嵌设在所述基坑的土体内，所述桩体沿轴向的顶端竖直向上延伸；

所述桩体内埋设有钢筋笼，所述桩体内的背土侧间隔设有若干个背土侧U形换热管，所述桩体内的迎土侧间隔设有若干个迎土侧U形换热管；且所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管均固定设置在所述钢筋笼上；

所述桩体内设有用于隔绝所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管交换热量的隔热板，且所述隔热板插设在所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管之间；

所述背土侧U形换热管的管底和所述迎土侧U形换热管的管底均位于所述桩体内，所述背土侧U形换热管的两个管口和所述迎土侧U形换热管的两个管口均沿所述轴向贯穿所述桩体的顶面；

所述背土侧U形换热管的两个管口分别与热水箱的第一进口和所述热水箱的第一出口相连通，且每个所述背土侧U形换热管分别与所述热水箱组成一个第一循环回路；所述第一循环回路上串联有第一水泵，且所述第一水泵位于所述桩体外；

所述迎土侧U形换热管的两个管口分别与冷水箱的第一进口和所述冷水箱的第一出口相连通；且每个迎土侧U形换热管分别与所述冷水箱组成一个第二循环回路；所述第二循环回路上串联有第二水泵，且所述第二水泵位于所述桩体外；

所述热水箱上开设有用于向热水箱内注入第一导热流体的第一注入口和用于排出第一导热流体的第一排出口；所述冷水箱上开设有用于向所述冷水箱内注入第二导热流体的第二注入口和用于排出所述冷水箱内的第二导热流体的第二排出口；

所述热水箱的第二进口和所述热水箱的第二出口分别与给建筑供冷暖的供冷暖管道的入口和出口相连通；

所述冷水箱的第二进口和所述冷水箱的第二出口分别与给建筑供冷暖的管道的入口和出口相连通；

且所述热水箱的第二进口、所述热水箱的第二出口、所述冷水箱的第二进口和所述冷水箱的第二出口上分别设有开关。

进一步的，所述第一导热流体和所述第二导热流体均为水。

进一步的，所述隔热板沿所述轴向设置在所述桩体的中间。

进一步的，所述桩体内的背土侧间隔设有两个背土侧U形换热管，所述桩体内的迎土侧间隔设有两个迎土侧U形换热管；且所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管分别对称设置在所述隔热板的两侧。

本申请实施例还提供所述一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)在基坑中安装钢筋笼，将若干个背土侧U形换热管固定在所述钢筋笼的背土侧上，且所述背土侧U形换热管的两个管口分别外露于所述钢筋笼的上端；将若干个迎土侧U形换热管分别固定在所述钢筋笼的迎土侧上，且所述迎土侧U形换热管的两个管口分别外露于所述钢筋笼的上端；

在所述钢筋笼上安装隔热板，所述隔热板固定在所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管之间的钢筋笼上；

(2)向所述钢筋笼上浇灌混凝土，以形成桩体，且所述背土侧U形换热管的两个管口、所述迎土侧U形换热管的两个管口分别外露于所述桩体的上端；

(3)在所述桩体外布置所述热水箱和所述冷水箱；

将所述背土侧U形换热管的两个管口分别与所述热水箱的第一进口和所述热水箱的第一出口相连通，且每个所述背土侧U形换热管分别与所述热水箱组成一个第一循环回路；

将所述迎土侧U形换热管的两个管口分别与所述冷水箱的第一进口和所述冷水箱的第一出口相连通，且每个所述迎土侧U形换热管分别与所述冷水箱组成一个第二循环回路；

(4)在基坑开挖阶段，向所述热水箱内注入热的第一导热流体，且所述第一导热流体的温度高于基坑中的桩体及桩体周围地层的温度；向所述冷水箱内注入冷的所述第二导热流体，且所述第二导热流体的温度低于基坑中的桩体及桩体周围地层的温度；

由于所述第一导热流体的温度高于基坑中的桩体及桩体周围地层的温度，所述第一导热流体会使所述桩体的背土侧产生膨胀，产生温度应力，从而抵抗在所述基坑开挖过程中的桩体变形；

由于所述第二导热流体温度低于基坑中的桩体及桩体周围地层的温度，所述第二导热流体会使桩体的迎土侧产生收缩，产生温度应力，从而抵抗基坑开挖过程中的桩体变形；

(5)在所述基坑开挖结束后，向所述热水箱和所述冷水箱内均注入常温水，且打开所述热水箱的第二进口、所述热水箱的第二出口、所述冷水箱的第二进口和所述冷水箱的第二出口上的开关；

夏天，当所述供冷暖管道给所述建筑供冷时，所述热水箱和所述冷水箱内的常温水分别经第一循环回路和第二循环回路被桩体及桩体周围地层中的地温能冷却，且冷却后的常温水流入供冷暖管道内给建筑供冷；

冬天，当所述供冷暖管道给所述建筑供暖时，所述热水箱和所述冷水箱内的常温水分别经第一循环回路和第二循环回路被桩体及桩体周围地层中的地温能加热，且加热后的常温水流入供冷暖管道内给建筑供暖。

本实用新型的有益效果体现在：

1、在基坑开挖阶段，迎土面(受拉侧)采用冷水循环，使桩体产生收缩，背土侧(受压侧)采用热水循环，使桩体产生膨胀，通过温度产生的温度应力，用来抵抗基坑开挖时水平围护桩受到的水平应力，减小围护桩的变形。

2、在施工完成后，废弃的桩体又可做普通能量桩，从而将地下恒温层的温度传递到上层结构，充分利用地热资源，使上层结构达到“冬暖夏凉”的效果。

3、本实用新型一桩多用，既能在基坑开挖阶段减小桩体水平变形，又能在施工完后把废弃的围护桩作为能源桩使用，从而达到变废为宝的目的，并且材料简单，安装方便，易于控制，节约能源，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是一实施例中本实用新型的整体结构示意图。

图2是一实施例中桩体的俯视图。

图3是一实施例中背土侧U形换热管或迎土侧U形换热管的结构示意图。

图4是一实施例中本实用新型能量桩在基坑开挖阶段的工作原理示意图，其中桩体中的箭头表示水流方向。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型专利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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照附图，本实施例提供一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，包括插设在基坑1内的桩体2，所述桩体2沿轴向的底端固定嵌设在所述基坑1的土体内，所述桩体2沿轴向的顶端竖直向上延伸；

具体的，所述桩体2是现浇钢筋混凝土桩，所述桩体2的长度为25～35cm，所述桩体2的桩径为40～100cm。所述桩体是圆柱体状。本实施例中的轴向指的是所述桩体2的中心轴方向。

所述桩体2内埋设有钢筋笼5，所述桩体2内的背土侧间隔设有若干个背土侧U形换热管3，所述桩体2内的迎土侧间隔设有若干个迎土侧U形换热管4；且所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4均固定设置在所述钢筋笼5上；

所述桩体内设有用于隔绝所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4交换热量的隔热板6，且所述隔热板6插设在所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4之间；

进一步的，所述隔热板6沿所述轴向设置在所述桩体2的中间。

进一步的，所述隔热板6的长度为所述桩体2长度的三分之二，且所述隔热板6的顶端与所述桩体2的顶端平齐。

进一步的，所述桩体2内的背土侧间隔设有两个背土侧U形换热管3，所述桩体2内的迎土侧间隔设有两个迎土侧U形换热管4；且所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4分别对称设置在所述隔热板6的两侧。

所述背土侧U形换热管3的管底和所述迎土侧U形换热管4的管底均位于所述桩体2内，所述背土侧U形换热管3的两个管口和所述迎土侧U形换热管4的两个管口均沿所述轴向贯穿所述桩体2的顶面；

所述背土侧U形换热管3的两个管口分别与热水箱11的第一进口和所述热水箱11的第一出口相连通，且每个所述背土侧U形换热管3分别与所述热水箱11组成一个第一循环回路；所述第一循环回路上串联有第一水泵8，且所述第一水泵8位于所述桩体2外；

所述迎土侧U形换热管4的两个管口分别与冷水箱12的第一进口和所述冷水箱的第一出口相连通；且每个迎土侧U形换热管4分别与所述冷水箱12组成一个第二循环回路；所述第二循环回路上串联有第二水泵7，且所述第二水泵7位于所述桩体2外；

进一步的，所述背土侧U形换热管3的一个管口通过第一水管与所述热水箱11的进口连通，且第一水泵串联设置在所述第一水管上。

进一步的，所述迎土侧U形换热管4的一个管口通过第二水管与所述冷水箱12的进口连通，且第二水泵串联设置在所述第二水管上。

所述热水箱11上开设有用于向所述热水箱11内注入第一导热流体的第一注入口和用于排出所述热水箱11内的第一导热流体的第一排出口；所述冷水箱12上开设有用于向所述冷水箱12内注入第二导热流体的第二注入口和用于排出所述冷水箱12内的第二导热流体的第二排出口；

进一步的，所述热水箱11内设有加热所述热水箱内的第一导热流体的加热器，所述冷水箱内设有冷却所述冷水箱内的第二导热流体的冷却器。

所述热水箱11的第二进口和所述热水箱的第二出口分别与给建筑14供冷暖的供冷暖管道的入口和出口相连通；

所述冷水箱12的第二进口和所述冷水箱12的第二出口分别与给建筑14供冷暖的管道的入口和出口相连通；

具体的，所述热水箱11和所述冷水箱12通过管道13与建筑14供冷暖的管道相连通。

且所述热水箱11的第二进口、所述热水箱11的第二出口、所述冷水箱12的第二进口和所述冷水箱12的第二出口上分别设有开关。

进一步的，所述第一导热流体和所述第二导热流体均为水。

具体的，所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4的管径为5～15cm。

本实施例所述的一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩的施工方法，包括以下步骤：

(1)在基坑1中安装钢筋笼5，将若干个背土侧U形换热管3固定在所述钢筋笼5的背土侧上，且所述背土侧U形换热管3的两个管口分别外露于所述钢筋笼5的上端；将若干个迎土侧U形换热管4分别固定在所述钢筋笼5的迎土侧上，且所述迎土侧U形换热管4的两个管口分别外露于所述钢筋笼5的上端；

在所述钢筋笼5上安装隔热板6，所述隔热板6固定在所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4之间的钢筋笼上；所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4关于所述隔热板6对称；

(2)向钢筋笼5上浇灌混凝土，以形成桩体2，且所述背土侧U形换热管的两个管口、所述迎土侧U形换热管的两个管口分别外露于所述桩体的上端；

(3)在所述桩体2外布置所述热水箱11和所述冷水箱12；

将所述背土侧U形换热管3的两个管口分别与热水箱11的第一进口和所述热水箱11的第一出口相连通，且每个所述背土侧U形换热管3分别与所述热水箱11组成一个第一循环回路；

将所述迎土侧U形换热管4的两个管口分别与冷水箱12的第一进口和所述冷水箱12的第一出口相连通，且每个所述迎土侧U形换热管4分别与所述冷水箱12组成一个第二循环回路。

(4)在基坑开挖阶段，向所述热水箱11内注入热的第一导热流体，且所述第一导热流体的温度高于基坑中1的桩体2及桩体2周围地层的温度；向所述冷水箱12内注入冷的所述第二导热流体，且所述第二导热流体的温度低于基坑1中的桩体2及桩体2周围地层的温度；

由于所述第一导热流体的温度高于基坑中1的桩体2及桩体2周围地层的温度，所述第一导热流体会使所述桩体2的背土侧产生膨胀，产生温度应力，从而抵抗在所述基坑1开挖过程中的桩体2变形；

由于所述第二导热流体温度低于基坑中的桩体2及桩体2周围地层的温度，所述第二导热流体会使桩体2的迎土侧产生收缩，产生温度应力，从而抵抗在所述基坑1开挖过程中的桩体2变形；

(5)在基坑1开挖结束后，向所述热水箱11和所述冷水箱12内均注入常温水，且打开所述热水箱11的第二进口、所述热水箱11的第二出口、所述冷水箱12的第二进口和所述冷水箱12的第二出口上的开关；

夏天，当所述供冷暖管道给所述建筑14供冷时，所述热水箱11和所述冷水箱12内的常温水分别经第一循环回路和第二循环回路被桩体2及桩体2周围地层中的地温能冷却，且冷却后的常温水流入供冷暖管道内给建筑14供冷；

冬天，当所述供冷暖管道给所述建筑14供暖时，所述热水箱11和所述冷水箱12内的常温水分别经第一循环回路和第二循环回路被桩体2及桩体2周围地层中的地温能加热，且加热后的常温水流入供冷暖管道内给建筑14供暖。

背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4以桩体的圆心为对称点绑扎在钢筋笼5上，隔热板6绑扎于两换热管3、4对称轴线上，所述迎土侧U形换热管4位于迎土面，背土侧U形换热管3位于背土面。

在基坑开挖阶段使用时：如图2所示，背土侧(受压侧)U形换热管3通热水，且热水水温高于桩体2和周围地层的温度，在热量传递的过程中，会使桩体2的背土侧产生膨胀，产生温度应力，抵抗基坑开挖产生的桩体变形。

将桩体的迎土侧(受拉侧)U型换热管4内通冷水，且冷水水温低于所述桩体2和周围地层的温度，在热量传递的过程中，会使桩体2的迎土侧产生收缩，产生温度应力，抵抗基坑开挖产生的桩体变形。

桩体中间设置的隔热板6，阻止了所述背土侧U形换热管3和所述迎土侧U形换热管4在桩体内部产生径向换热。

基坑1施工完成后，热水箱和冷水箱中均采用常温水，水经换热管管流过地下恒温层，水温发生变化，从而达到给建筑14供冷和供热的功能。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的例举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：包括插设在基坑内的桩体，所述桩体沿轴向的底端固定嵌设在所述基坑的土体内，所述桩体沿轴向的顶端竖直向上延伸；

所述桩体内埋设有钢筋笼，所述桩体内的背土侧间隔设有若干个背土侧U形换热管，所述桩体内的迎土侧间隔设有若干个迎土侧U形换热管；且所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管均固定设置在所述钢筋笼上；

所述桩体内设有用于隔绝所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管交换热量的隔热板，且所述隔热板插设在所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管之间；

所述背土侧U形换热管的管底和所述迎土侧U形换热管的管底均位于所述桩体内，所述背土侧U形换热管的两个管口和所述迎土侧U形换热管的两个管口均沿所述轴向贯穿所述桩体的顶面；

所述背土侧U形换热管的两个管口分别与热水箱的第一进口和所述热水箱的第一出口相连通，且每个所述背土侧U形换热管分别与所述热水箱组成一个第一循环回路；所述第一循环回路上串联有第一水泵，且所述第一水泵位于所述桩体外；

所述迎土侧U形换热管的两个管口分别与冷水箱的第一进口和所述冷水箱的第一出口相连通；且每个迎土侧U形换热管分别与所述冷水箱组成一个第二循环回路；所述第二循环回路上串联有第二水泵，且所述第二水泵位于所述桩体外；

所述热水箱上开设有用于向热水箱内注入第一导热流体的第一注入口和用于排出第一导热流体的第一排出口；所述冷水箱上开设有用于向所述冷水箱内注入第二导热流体的第二注入口和用于排出所述冷水箱内的第二导热流体的第二排出口；

所述热水箱的第二进口和所述热水箱的第二出口分别与给建筑供冷暖的供冷暖管道的入口和出口相连通；

所述冷水箱的第二进口和所述冷水箱的第二出口分别与给建筑供冷暖的管道的入口和出口相连通；

且所述热水箱的第二进口、所述热水箱的第二出口、所述冷水箱的第二进口和所述冷水箱的第二出口上分别设有开关。

2.如权利要求1所述的一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：所述第一导热流体和所述第二导热流体均为水。

3.如权利要求1所述的一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：所述隔热板沿所述轴向设置在所述桩体的中间。

4.如权利要求1所述的一种现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：所述桩体内的背土侧间隔设有两个背土侧U形换热管，所述桩体内的迎土侧间隔设有两个迎土侧U形换热管；且所述背土侧U形换热管和所述迎土侧U形换热管分别对称设置在所述隔热板的两侧。