CN209555936U - 现浇钢筋混凝土水平围护能量桩 - Google Patents

Abstract

现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，桩体内还设有U形换热管，且U形换热管固定在钢筋笼上；U形换热管的管底位于桩体内，U形换热管的两个管口沿轴向向上延伸并贯穿桩体的顶面；U形换热管的第一半管位于桩体内的背土侧，U形换热管的第二半管位于桩体内的迎土侧；桩体内还设有用于隔绝第一半管和第二半管交换热量的隔热板；U形换热管的两个管口分别与水箱的第一进口和第一出口相连通；水箱上还开设有用于向水箱内注入导热流体的注入口和用于排出水箱内的导热流体的排出口；水箱的第二进口和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；且第二进口和第二出口上分别设有第三开关。

Description

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CN 105350522 A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CN 105113486 A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，所述桩体内还设有U形换热管，且所述U形换热管固定在所述钢筋笼上；所述U形换热管的管底位于所述桩体内，所述U形换热管的两个管口沿所述轴向向上延伸并贯穿所述桩体的顶面；

所述U形换热管包括关于所述轴向对称的第一半管和第二半管，其中，所述第一半管位于所述桩体内的背土侧，所述第二半管位于所述桩体内的迎土侧；

所述桩体内还设有用于隔绝所述第一半管和所述第二半管交换热量的隔热板，所述隔热板插设在所述第一半管和所述第二半管之间，且所述隔热板固定在所述钢筋笼上；

所述U形换热管的两个管口分别与水箱的第一进口和第一出口相连通，且所述U形换热管与所述水箱组成一个循环回路；所述第一半管的管口通过第一管道与所述水箱的第一进口相连通，且所述第一管道上设有第一水泵和第一开关，所述第二半管的管口通过第二管道与所述水箱的第一出口相连通，且所述第二管道上设有第二水泵和第二开关；

所述水箱上还开设有用于向所述水箱内注入导热流体的注入口和用于排出所述水箱内的导热流体的排出口；

所述水箱的第二进口和所述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；且所述第二进口和第二出口上分别设有第三开关。

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，所述隔热板的长度为所述桩体长度的三分之二，且所述隔热板的顶端与所述桩体的顶端平齐。

进一步的，所述第一半管和所述第二半管关于所述隔热板对称。

进一步的，所述导热流体为水。

本实施例还提供所述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U形换热管固定在所述钢筋笼上，且所述U形换热管的两个管口分别外露于所述钢筋笼的上端；所述U形换热管包括关于所述轴向对称的第一半管和第二半管，其中，所述第一半管位于所述桩体内的背土侧，所述第二半管位于所述桩体内的迎土侧；

在所述钢筋笼上安装隔热板，所述隔热板固定在所述第一半管和所述第二半管之间的钢筋笼上，所述第一半管和所述第二半管关于所述隔热板对称；

(2)向钢筋笼上浇灌混凝土，以形成桩体，且所述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水箱，将所述U形换热管的两个管口分别与水箱的第一进口和第一出口相连通，且所述U形换热管与所述水箱组成一个循环回路；

(4)基坑开挖时，在夏天，关闭第二开关、第三开关，打开第一开关，并向所述水箱内注入热的导热流体，且所述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；

导热流体进入第一半管，由于导热流体水温高于桩体及桩体周围地层的温度，会使桩体的背土侧产生膨胀，产生温度应力抵抗基坑开挖产生的桩体变形；

由于5m以下的地层温度接近恒温，U形换热管内的导热流体与土体不断发生热交换，温度不断降低；当导热流体到达第二半管4的管口时，温度会低于桩体迎土侧的温度，使桩体的迎土侧产生收缩，产生温度应力抵抗基坑开挖产生的桩体变形。

在冬天，关闭第一开关、第三开关，打开第二开关，并向所述水箱内注入冷的导热流体，且所述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；

导热流体进入第二半管，由于导热流体水温低于桩体及桩体周围地层的温度，会使桩体的迎土侧产生收缩，产生温度应力抵抗基坑开挖产生的桩体变形；

由于5m以下的地层温度接近恒温，U形换热管内的导热流体与土体发生热交换，温度不升高，当导热流体到达第一半管的管口时，温度会高于桩体的背土侧，使桩体的背土侧产生膨胀，产生温度应力，抵抗基坑开挖产生的桩体变形；

(5)在基坑开挖结束后，向所述水箱注入常温水，且打开第一开关、第二开关和第三开关；

夏天，当所述供冷暖管道给所述建筑供冷时，所述水箱内的常温水经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，所述水箱内的常温水经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：

本实用新型所述能量桩作为基坑水平围护桩，只承受水平土压力，不受竖向荷载的影响，热交换过程在基坑开挖阶段产生温度应力不仅不会减小桩的荷载承受能力，还可以用来抵抗桩体的水平变形，增强了桩的稳定。本实用新型所述能量桩在基坑施工结束后变成能源桩，可进行浅层低温地热能转换，为周边建筑供冷供热，充分实现了变废为宝，具有良好的经济效益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U形换热管的结构示意图。

图4是一实施例中本实用新型所述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内还设有U形换热管，且所述U形换热管固定在所述钢筋笼5上；所述U形换热管的管底位于所述桩体2内，所述U形换热管的两个管口沿所述轴向向上延伸并贯穿所述桩体2的顶面；

所述U形换热管3包括关于所述轴向对称的第一半管3和第二半管4，其中，所述第一半管3位于所述桩体2内的背土侧，所述第二半管4位于所述桩体2内的迎土侧；

所述桩体2内还设有用于隔绝所述第一半管3和所述第二半管4交换热量的隔热板6，所述隔热板6插设在所述第一半管3和所述第二半管4之间，且所述隔热板6固定在所述钢筋笼5上；

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，所述第一半管3和所述第二半管4关于所述隔热板6对称。

所述U形换热管的两个管口分别与水箱9的第一进口和第一出口相连通，且所述U形换热管与所述水箱9组成一个循环回路；所述第一半管3的管口通过第一管道与所述水箱9的第一进口相连通，且所述第一管道上设有第一水泵8和第一开关，所述第二半管4的管口通过第二管道与所述水箱9的第一出口相连通，且所述第二管道上设有第二水泵7和第二开关；

具体的，所述第一水泵8和所述第二水泵7均位于所述桩体2外。

所述水箱9上还开设有用于向所述水箱9内注入导热流体的注入口和用于排出所述水箱9内的导热流体的排出口；

所述水箱9的第二进口和所述水箱9的第二出口分别与给建筑12供冷暖的供冷暖管道的入口和出口相连通；且所述第二进口和第二出口上分别设有第三开关。

具体的，所述水箱9的第二进口和所述水箱的第二出口分别通过换热管道11与给建筑12供冷暖的供冷暖管道的入口和出口相连通。

进一步的，所述导热流体为水。

具体的，所述U形换热管的管径为5～15cm。

本实施例所述的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U形换热管固定在所述钢筋笼5上，且所述U形换热管的两个管口分别外露于所述钢筋笼5的上端；所述U形换热管包括关于所述轴向对称的第一半管3和第二半管4，其中，所述第一半管3位于所述桩体2内的背土侧，所述第二半管4位于所述桩体2内的迎土侧；

在所述钢筋笼5上安装隔热板6，所述隔热板6固定在所述第一半管3和所述第二半管4之间的钢筋笼上，所述第一半管3和所述第二半管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U形换热管的两个管口分别外露于所述桩体2的上端；

(3)在所述桩体2外布置所述水箱9，将所述U形换热管的两个管口分别与水箱9的第一进口和第一出口相连通，且所述U形换热管与所述水箱9组成一个循环回路；

(4)基坑1开挖时，在夏天，关闭第二开关、第三开关，打开第一开关，并向所述水箱9内注入热的导热流体，且所述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；

导热流体进入第一半管3，由于导热流体水温高于桩体2及桩体2周围地层的温度，会使桩体2的背土侧产生膨胀，产生温度应力抵抗基坑1开挖产生的桩体2变形；由于5m以下的地层温度接近恒温，U形换热管内的导热流体与土体不断发生热交换，温度不断降低；当导热流体到达第二半管4的管口时，温度会低于桩体2迎土侧(受拉侧)的温度，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2变形。在冬天，关闭第一开关、第三开关，打开第二开关，并向所述水箱内注入冷的导热流体，且所述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；

导热流体进入第二半管4，由于导热流体水温低于桩体2及桩体2周围地层的温度，会使桩体2的迎土侧产生收缩，产生温度应力抵抗基坑1开挖产生的桩体2变形；由于5m以下的地层温度接近恒温，U形换热管内的导热流体与土体发生热交换，温度不升高，当导热流体到达第一半管3的管口时，温度会高于桩体2的背土侧(受压侧)，使桩体的背土侧产生膨胀，产生温度应力，抵抗基坑1开挖产生的桩体2变形；

具体的，如图4所示，土压力引起的土压力力矩引起桩体2变形，而温度引起的弯矩抵抗基坑1开挖产生的桩体2变形。

(5)在基坑1开挖结束后，向所述水箱9注入常温水，且打开第一开关、第二开关和第三开关；

夏天，当所述供冷暖管道给所述建筑12供冷时，所述水箱9内的常温水经循环回路被桩体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供冷；

冬天，当所述供冷暖管道给所述建筑12供暖时，所述水箱9内的常温水经循环回路被桩体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供暖。

具体的，在第一半管3的管口和第二半管4的管口之间设置了隔热板6，防止了第一半管3＝和第二半管4在桩体内部产生径向换热。

具体的，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12供冷和供热的功能，实现了建筑节能。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。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 (5)

1.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，所述桩体内还设有U形换热管，且所述U形换热管固定在所述钢筋笼上；所述U形换热管的管底位于所述桩体内，所述U形换热管的两个管口沿所述轴向向上延伸并贯穿所述桩体的顶面；

所述U形换热管包括关于所述轴向对称的第一半管和第二半管，其中，所述第一半管位于所述桩体内的背土侧，所述第二半管位于所述桩体内的迎土侧；

所述桩体内还设有用于隔绝所述第一半管和所述第二半管交换热量的隔热板，所述隔热板插设在所述第一半管和所述第二半管之间，且所述隔热板固定在所述钢筋笼上；

所述U形换热管的两个管口分别与水箱的第一进口和第一出口相连通，且所述U形换热管与所述水箱组成一个循环回路；所述第一半管的管口通过第一管道与所述水箱的第一进口相连通，且所述第一管道上设有第一水泵和第一开关，所述第二半管的管口通过第二管道与所述水箱的第一出口相连通，且所述第二管道上设有第二水泵和第二开关；

所述水箱上还开设有用于向所述水箱内注入导热流体的注入口和用于排出所述水箱内的导热流体的排出口；

所述水箱的第二进口和所述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；且所述第二进口和第二出口上分别设有第三开关。

2.如权利要求1所述的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。

3.如权利要求1所述的现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：所述隔热板的长度为所述桩体长度的三分之二，且所述隔热板的顶端与所述桩体的顶端平齐。

4.如权利要求1所述的现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：所述第一半管和所述第二半管关于所述隔热板对称。

5.如权利要求1所述的现浇钢筋混凝土水平围护能量桩，其特征在于：所述导热流体为水。