CN103485332B - 一种预制能量桩的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种预制能量桩的施工方法，其特征在于：传热管埋设在空心钢管内，空心钢管替代传统实心钢筋作为预制桩主筋；为了连接预制桩中的传热管，在预制桩靴和预制桩帽内预埋传热弯管和传热管接头。本发明技术将传热管埋设在空心钢管内，有效解决了传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、以及影响桩基整体承载力等技术问题；而且埋管存活率更高，便于桩体大量堆放和运输安全，施工工期短、地下空间和工程造价节省。

Description

一种预制能量桩的施工方法

技术领域

本发明涉及地源热泵***桩埋管的技术领域，尤其涉及一种预制能量桩的施工方法。主要适用于建筑桩基础和地源热泵技术领域。

背景技术

地源热泵技术，是一种有效利用地下可再生能源的新技术，对国家节能减排战略具有重要意义。该技术利用地下的土壤、地表水、地下水等温度相对稳定的特性，通过以大地为储能体进行热量交换(冬季将地下热量传递到上部建筑内；夏季将上部热量储存于地下)的能源的空调***，从而可以替代传统空调技术。地下埋设换热器，是地源热泵空调***的施工难点和投资重点。相关研究表明，下管是安装地源热泵***的一个非常关键的步骤，下管的成功与否决定了***是否能够顺利安装和运行的关键环节。将换热器埋管与建筑桩基础相结合的模式，可以有效解决专门埋管的施工步骤和地埋管占用地下空间问题，从而大大节省工程造价，近年来逐渐得到工程技术人员的关注。桩埋管地源热泵技术，根据桩基施工工艺的不同，主要分为灌注桩内埋设和预制管桩中埋设两种。

在本发明之前，中国发明专利“桩埋螺旋管式地源热泵***的地热换热器的传热方法”(专利号：ZL200810159583.7)公开了一种在建筑物基础钻孔灌注桩钢筋笼上绑扎埋设螺旋管式传热管，地源热泵传热管埋设与建筑物桩基础打设同时进行的技术方案。该技术方案同时施工传热管埋设和钻孔灌注桩，将地源热泵施工与常规建筑桩基础施工结合在一起，省去了专门的钻孔埋设传热管，降低了地源热泵***的初始投资，提高了施工效率、且施工方便便捷。但是，该技术方案将传热管绑扎在钢筋笼侧壁，占用了原本钢筋笼周围混凝土的体积，若传热管体积较大，将降低灌注桩中混凝土体积，从而影响桩基础的整体承载力；绑扎式的螺旋管式埋设对钢筋笼周边混凝土的振捣密实控制影响较大，容易引起钢筋笼附近区域空隙，在传热管冷热循环作用下，导致钢筋笼的腐蚀机会增加，最终导致灌注桩承载力的降低；同时钢筋笼侧壁绑扎的传热管容易在混凝土振捣密实过程中损坏，从而降低传热管埋设的存活率。此外，灌注桩中埋设传热管，灌注混凝土后不易更换，即一旦损坏之后，不容易更换。

先张法预应力混凝土(或高强混凝土)管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成；该桩型具有桩身强度高、沉桩能力强、单桩承载力高、施工周期短、造价低等优点且易于批量生产，因而在实际工程中得到了广泛的应用；针对预应力管桩的原材料选择，管节制造、管桩拼接、质量控制、产品检验、储存、运输等相关细节制定了相应的技术规范(如：产品国家标准《先张法预应力混凝土管桩》GB13476-1999，《先张法预应力混凝土薄壁管桩》JC888-2001，《先张法预应力管桩生产工艺技术规程》(FS/QW01-2002)，预应力混凝土管桩(图集)03SG409，广东标准《预应力管桩基础技术规程》DBJ15-22-98等)，属于相对成熟的技术。在本发明之前，中国发明专利“一种先张法预应力混凝土多边形桩及其生产方法”(专利号：ZL201010214287.X)公开了一种利用先张法，在钢筋笼架内外灌注混凝土，形成内部圆形、外部为五边以上的预应力混凝土多边形桩。该技术方案通过将预应力管桩的外圆形边变化为五边以上的多边形，多边形的外形有利于桩体的堆放和运输安全，同时多边形也有利于提高单位材料桩侧表面积，从而提高桩侧摩阻力。

桩埋管地源热泵技术，是一种有效利用地热能源、降低专门钻孔埋管施工费用、以及合理布置和利用地下空间的技术方法。但是，预制预应力桩中在预应力构造钢筋笼上绑扎传热管的埋设方式，不仅影响预制桩中混凝土体积，而且传热管易在离心法制作过程中损坏，且增大了钢筋笼被腐蚀的风险，从而影响桩基承载力和耐久性。预应力管桩外边形状为圆形，不利于桩体的整体堆放和运输安全。正是这些技术不足和问题，影响了桩基础设计工程师们对桩埋管地源热泵技术使用的疑虑，最终影响桩埋管地源热泵技术的推广应用。因此，结合工程建设实际情况，开发技术合理、经济高效的预制桩内埋设传热管技术成了一项迫在眉睫的任务。

发明内容

本发明的目的就在于克服预制桩钢筋笼侧壁绑扎传热管影响混凝土的密实度，预应力主筋在张拉的时候容易引起传热管破坏，传热管与钢筋笼之间容易留空隙而引起钢筋腐蚀，绑扎在钢筋笼侧壁的传热管在离心法制作预应力桩过程中存活率低，普通预应力管桩外侧圆滑不利于桩体大量堆放和运输安全等技术问题，开发一种施工干扰小、技术合理的基于地源热泵的预制能量桩的施工方法，由空心钢管替代传统的实心钢筋作为预制桩主筋，传热管埋设在空心钢管内；桩埋管形式可采用单U形埋管、双U形埋管、三U形埋管、单W形埋管和双W形埋管形式；预制桩靴和预制桩帽中预埋传热弯管和传热管接头，预埋传热管的桩身外边形状为多边形、内边形状为多边形或圆形。从而有效解决传热管与钢筋笼之间的互相影响，避免传热管的埋设导致桩基整体承载力下降等技术难题。

一种预制能量桩的施工方法，其特征在于：传热管埋设在空心钢管内，空心钢管替代传统实心钢筋作为预制桩主筋；为了连接预制桩中的传热管，在预制桩靴和预制桩帽内预埋传热弯管和传热管接头；桩埋管形式采用单U形埋管、双U形埋管、三U形埋管、单W形埋管和双W形埋管形式，当桩埋管形式为单U形、双U形和单W形时，联合空心钢管和实心钢筋作为主筋；当桩埋管形式为三U形和双W形时，全部用空心钢管替代实心钢筋。

本发明一种预制能量桩的施工方法，包括以下技术步骤：

(1)根据设计要求，确定桩身长度、桩径和钢筋笼参数，制作预制能量桩桩身，桩身为多边形先张预应力桩，当桩埋管形式为单U形、双U形和单W形时，联合空心钢管和实心钢筋作为预应力主筋；当桩埋管形式为三U形和双W形时，全部用空心钢管替代实心钢筋作为预应力主筋，传热管埋设在空心钢管内，且穿出空心钢管并预留一定长度；对空心钢管和实心钢筋主筋施加先张预应力，并确保空心钢管内部的传热管不受力；

(2)制作多边形锥体的预制能量桩桩靴，并在桩靴内预埋布置形式与桩身埋管形式相对应的传热管弯管和传热管接头；

(3)制作多边形体的预制能量桩桩帽，并在桩帽内预埋布置形式与桩身埋管形式相对应的传热管弯管和传热管接头；

(4)桩机就位，将预制能量桩桩靴与预制能量桩桩身连接，并检查传热管接头的密封性；

(5)静压沉桩，将带预制能量桩桩靴的预制能量桩桩身沉入土体至设计深度；

(6)在预制能量桩桩身顶部连接预制能量桩桩帽，通水检测传热管环路的有效性，完成整体预制能量桩的施工。

本发明所述的预制能量桩桩身，由先张预应力法制作而成的外侧面多边形、内侧面多边形或圆形的预应力桩，其桩身外侧形状为多边形，边长为700-1200mm；桩身内侧形状为多边形或圆形，边长或直径为400-600mm；桩身长度为20-40m；桩身内预应力主筋为空心钢管或空心钢管与实心钢筋的组合，桩埋管形式可采用单U形埋管、双U形埋管、三U形埋管、单W形埋管和双W形埋管形式，当桩埋管形式为单U形、双U形和单W形时，联合空心钢管和实心钢筋作为主筋，当桩埋管形式为三U形和双W形时，全部用空心钢管替代实心钢筋；空心钢管内埋设传热管。空心钢管的外径为30-60mm，壁厚为5-10mm，长度根据预制桩的桩长确定，一般为20-40m；实心钢筋直径为15-25mm，长度根据预制桩的桩长确定，一般为20-40m；箍筋直径为6-10mm，箍筋间距为200-500mm。当桩埋管采用单U形埋管形式时，预制桩主筋由2根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管和4根直径为15-25mm的实心钢筋组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用双U形埋管形式时，预制桩主筋由4根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管和2根直径为15-25mm的实心钢筋组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用三U形埋管形式时，预制桩钢筋笼由6根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用单W形埋管形式时，预制桩主筋由4根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管和2根直径为15-25mm的实心钢筋组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用双W形埋管形式时，预制桩主筋由6根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm。

本发明所述的预制能量桩桩靴，为预制混凝土桩靴，预制桩靴内预埋传热管弯管和传热管接头，预埋的传热弯管和传热管接头布置形式与相应的桩身埋管形式相对应。

本发明所述的预制能量桩桩帽，为预制混凝土桩帽，预制桩帽内预埋传热管弯管和传热管接头，预埋的传热弯管和传热管接头布置形式与相应的桩身埋管形式相对应。

本发明所述的传热管，为聚乙烯管，其外径与空心钢管内径相切，为25-50mm，壁厚为5-8mm，长度为40-100m。

本发明的优点和效果在于：利用空心钢管替代实心钢筋作为预制桩主筋，将传热管埋设在空心钢管内，从而解决了传热管与主筋绑扎埋设造成的相互干扰、混凝土密实度下降、钢筋腐蚀、以及桩基整体承载力下降等技术问题。与传统传热管与主筋绑扎埋管方式相比，本发明技术埋管存活率更高，钢筋笼周围混凝土密实度高，同时可以确保传热管埋设不降低桩基整体承载力；与传统普通预应力管桩相比，本发明技术的多边形外边形状，有利于解决桩体大量堆放和运输安全等；与传统钻孔埋管方式相比，本发明技术使预制桩制作工艺和传热管埋设施工有机结合在一起，大大缩短了施工工期、节约了地下空间和工程造价。该方法施工工艺简单、可操作性强，便于质量控制，经济效益明显，传热效果显著。

本发明的优点和效果还将在具体实施方式中进一步描述。

附图说明：

图1——本发明单U形埋管结构布置平面示意图。

图2——本发明双U形埋管结构布置平面示意图。

图3——本发明三U形埋管结构布置平面示意图。

图4——本发明单W形埋管结构布置平面示意图。

图5——本发明双W形埋管结构布置平面示意图。

图6——本发明双U形埋管结构布置桩身纵向示意图。

图7——本发明双W形埋管结构布置桩身纵向示意图。

图8——本发明单U形、双U形和三U形埋管桩靴结构纵向示意图。

图9——本发明单W形和双W形埋管桩靴结构纵向示意图。

图10——本发明单W形和双W形埋管桩帽结构纵向示意图。

图中：1为预制桩外侧多边形，2为预制桩内侧多边形，3为空心钢管，4为实心钢筋，5为箍筋，6为传热管，7为传热弯管，8为预制桩桩身，9为预制桩靴，10为传热管接头，11为预制桩帽。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

如图1-图10所示，一种预制能量桩，由预制桩桩身8、预制桩靴9和预制桩帽11三部分组成。预制桩桩身8的外侧面为多边形、内侧面为多边形或圆形，预制桩桩身8内的钢筋笼由空心钢管3、实心钢筋4和箍筋5组成，传热管6布置在空心钢管3内；传热弯管7和传热管接头10预埋在预制桩靴9内；作为W形传热管埋管形式的预制桩帽11内预埋传热弯管7和传热管接头10。本实施方式的优点在于将传热管6预埋在作为预应力主筋的空心钢管3内，将传热弯管7和传热管接头10预埋在预制桩靴9和预制桩帽11内，传热管6、传热弯管7和传热管接头10埋设与预制桩桩身8、预制桩靴9和预制桩帽11制作同步进行，且传热管6的埋设不影响预制桩桩身8混凝土的密实度，不降低桩基整体承载力，且埋管存活率高。

制作预制能量桩之前，首先探明拟打设桩基础和埋设地源热泵地下传热管6的地层情况，包括施工范围内土层分布及力学特性、土层热能储存量等地层热特性等，设计桩埋管形式、桩埋管深度以及空心钢管3直径、传热管6直径等参数；一般情况下，桩埋管形式有单U形、双U形、三U形、单W形和双W形五种形式，主要根据地层热能储存量和传热效率来确定，当预制桩桩身边长在600-800mm之间时，主要考虑选用单U形或单W形桩埋管形式；当预制桩桩身边长在800-1200mm之间时，主要考虑选用双U形、三U形或双W形桩埋管形式；桩埋管深度，与桩长一致，也可根据实际地层热能情况确定；空心钢管3的外径为30-60mm，壁厚为5-10mm，长度根据预制桩桩身8的长度确定；实心钢筋4直径为15-25mm，长度根据预制桩桩身8的长度确定；箍筋5直径为6-10mm，箍筋5间距为200-500mm。接着，确定钢筋笼：当采用单U形桩埋管形式时，预制桩桩身8主筋由2根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管3和4根直径为15-25mm的实心钢筋4组成，箍筋5直径为6-10mm、箍筋5间距为200-500mm；当采用双U形桩埋管形式时，预制桩桩身8主筋由4根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管3和2根直径为15-25mm的实心钢筋4组成，箍筋5直径为6-10mm、箍筋5间距为200-500mm；当采用三U形桩埋管形式时，预制桩桩身8钢筋笼由6根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管3组成，箍筋5直径为6-10mm、箍筋5间距为200-500mm；当采用单W形桩埋管形式时，预制桩桩身8主筋由4根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管3和2根直径为15-25mm的实心钢筋4组成，箍筋5直径为6-10mm、箍筋5间距为200-500mm；当采用双W形桩埋管形式时，预制桩桩身8主筋由6根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管3组成，箍筋5直径为6-10mm、箍筋5间距为200-500mm。空心钢管3内的传热管6为聚乙烯管，其外径与空心钢管3内径相切，为25-50mm，壁厚为5-8mm，长度根据桩长确定，一般为40-100m。

制作预制能量桩时，预制桩桩身8的制作方法如下：首先，按照设计的埋管形式，在外侧面多边形1、内侧面多边形2的桩模中装配钢筋笼，包括空心钢管3的根数、布置位置及长度，实心钢筋4的根数、布置位置及长度，箍筋5的个数和布置位置。接着，在装配完成的空心钢管3中，布置传热管6，传热管6穿出空心钢管3并预留一定长度。然后，对空心钢管3和实心钢筋4主筋施加先张预应力，并确保空心钢管3内部的传热管6不受力。其次，对外侧面多边形1、内侧面多边形2的桩模中泵送混凝土。在混凝土泵送完成之后，对含预应力钢筋笼和混凝土的桩模进行离心，密实混凝土。最后，对利用离心法完成的桩身进行常压蒸养，然后脱模，再进行二次高压蒸养，完成含传热管的预制桩桩身8的制作。

预制桩靴9的制作方法如下：首先，确定与桩身传热管6埋管形式一致的预制桩靴9内传热弯管7和传热管接头10的布置形式。其次，在桩靴模型中的设计位置，布置传热弯管7和传热管接头10，桩靴模型外侧面为多边形锥形体。接着，在预埋好传热弯管7和传热管接头10的桩靴模型中，浇筑混凝土。最后，常压蒸养后，拆模，完成预制桩靴9的制作。

预制桩帽11的制作方法如下：首先，确定与桩身传热管6埋管形式一致的预制桩帽11内传热弯管7和传热管接头10的布置形式。其次，在桩帽模型中的设计位置，布置传热弯管7和传热管接头10，桩帽模型外侧面为多边形柱体。接着，在预埋好传热弯管7和传热管接头10的桩帽模型中，浇筑混凝土。最后，常压蒸养后，拆模，完成预制桩帽11的制作。

预制能量桩施工时，先将预制桩靴9安装在预制桩桩身8的端部，并通过传热管接头10连接传热管6和传热弯管7，静压或捶击打入桩体，然后在预制桩桩身8顶部安装预制桩帽11，并通过传热管接头10连接传热管6和传热弯管7。施工完成后，通水调试传热***的可行性；若存在问题，可以适时考虑重打；若运行通畅，完成整体预制能量桩的施工。

Claims (5)

1.一种预制能量桩的施工方法，包括以下技术步骤：

(1)根据设计要求，确定桩身长度、桩径和钢筋笼参数，制作预制能量桩桩身，桩身为多边形先张预应力桩，当桩埋管形式为单U形、双U形和单W形时，联合空心钢管和实心钢筋作为预应力主筋；当桩埋管形式为三U形和双W形时，全部用空心钢管替代实心钢筋作为预应力主筋，传热管埋设在空心钢管内，且穿出空心钢管并预留一定长度；对空心钢管和实心钢筋主筋施加先张预应力，并确保空心钢管内部的传热管不受力；

(2)制作多边形锥体的预制能量桩桩靴，并在桩靴内预埋布置形式与桩身埋管形式相对应的传热管弯管和传热管接头；

(3)制作多边形体的预制能量桩桩帽，并在桩帽内预埋布置形式与桩身埋管形式相对应的传热管弯管和传热管接头；

(4)桩机就位，将预制能量桩桩靴与预制能量桩桩身连接，并检查传热管接头的密封性；

(5)静压沉桩，将带预制能量桩桩靴的预制能量桩桩身沉入土体至设计深度；

(6)在预制能量桩桩身顶部连接预制能量桩桩帽，通水检测传热管环路的有效性，完成整体预制能量桩的施工。

2.根据权利要求1所述的一种预制能量桩的施工方法，其特征在于：所述的预制能量桩桩身，由先张预应力法制作而成的外侧面多边形、内侧面多边形或圆形的预应力桩，其桩身外侧形状为多边形，边长为700-1200mm；桩身内侧形状为多边形或圆形，边长或直径为400-600mm；桩身长度为20-40m；桩身内预应力主筋为空心钢管或空心钢管与实心钢筋的组合，桩埋管形式采用单U形埋管、双U形埋管、三U形埋管、单W形埋管和双W形埋管形式，当桩埋管形式为单U形、双U形和单W形时，联合空心钢管和实心钢筋作为主筋，当桩埋管形式为三U形和双W形时，全部用空心钢管替代实心钢筋；空心钢管内埋设传热管，空心钢管的外径为30-60mm，壁厚为5-10mm，长度为20-40m；实心钢筋直径为15-25mm，长度为20-40m；箍筋直径为6-10mm，箍筋间距为200-500mm，当桩埋管采用单U形埋管形式时，预制桩主筋由2根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管和4根直径为15-25mm的实心钢筋组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用双U形埋管形式时，预制桩主筋由4根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管和2根直径为15-25mm的实心钢筋组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用三U形埋管形式时，预制桩钢筋笼由6根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用单W形埋管形式时，预制桩主筋由4根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管和2根直径为15-25mm的实心钢筋组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm；当桩埋管采用双W形埋管形式时，预制桩主筋由6根外径为30-60mm、壁厚为5-10mm的空心钢管组成，箍筋直径为6-10mm、箍筋间距为200-500mm。

3.根据权利要求1所述的一种预制能量桩的施工方法，其特征在于：所述的预制能量桩桩靴，为预制混凝土桩靴，预制桩靴内预埋传热管弯管和传热管接头，预埋的传热弯管和传热管接头布置形式与相应的桩身埋管形式相对应。

4.根据权利要求1所述的一种预制能量桩的施工方法，其特征在于：所述的预制能量桩桩帽，为预制混凝土桩帽，预制桩帽内预埋传热管弯管和传热管接头，预埋的传热弯管和传热管接头布置形式与相应的桩身埋管形式相对应。

5.根据权利要求1所述的一种预制能量桩的施工方法，其特征在于：所述的传热管，为聚乙烯管，其外径与空心钢管内径相切，为25-50mm，壁厚为5-8mm，长度为40-100m。