CN109556658A - 一种能源桩群桩效应试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种能源桩群桩效应试验装置，采用桩土模型箱来模拟真实土壤对能源桩的作用，通过螺旋水循环***控制能源桩的温度模拟能源桩热交换过程中的升温和降温过程，而且用水作为循环液体，比热容大，便于取材，且经济实惠，水循环管与桩体接触面积大，温度传递速度极快，不仅能对单一能源桩进行加载状态下和不加载状态下的试验，还能够突破性的对温度变化的能源桩的群桩效应进行模拟，伺服液压***能较灵敏的控制加载过程，稳定性好；其结构简单，操作方便安全，试验数据精确，能真实模拟制冷或供暖工程中多个能源桩在土体内的情况，应用广泛。

Description

一种能源桩群桩效应试验装置

技术领域：

本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种能源桩群桩效应试验装置。

背景技术：

近年来，随着城乡快速发展化石能源不断减少，新型能源的开发利用已是社会可持续发展的必然要求。地下浅层地热资源是一种可实现节能减排的可持续绿色能源，而且其储量大、分布广、稳定性强。但是传统的地源热泵***多是以钻孔埋管作为地下换热器，造价高、占地面积大，限制了地热资源的推广应用，而能源桩技术将热交换器直接埋设于建筑物桩基中，在节约地下空间、保证施工质量的同时，桩体混凝土热交换率高，具有更好的经济效益。

能源桩除了承担上部结构荷载外，还要承受因热交换所带来的温度附加应力，桩与土的相互作用机理更加复杂。在热循环作用下，能源桩体积的热胀冷缩影响了其荷载传递等特征，因此对能源桩的承载力和变形有较大影响。

目前，能源桩的研究仍存在诸多障碍尚未扫除，现场测试手段不足，理论模型的建立尚未统一，试验装置的匮乏等，均严重阻碍着能源桩的发展。因此，有必要开发和研制一种能源桩群桩效应试验装置，开展室内模型试验研究能源桩与周围土体的荷载传递机理，对能源桩技术的推广，促进建筑节能减排，具有重要理论意义和工程指导价值。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种能源桩群桩效应试验装置，考虑能源桩在温度变化条件下的群桩效应，模拟制冷或供暖工程中多个能源桩在土体内的情况，为热循环作用下能源桩的群桩效应的研究提供理论基础。

为了实现上述目的，本发明所述能源桩群桩效应试验装置的主体结构包括模型箱、能源桩、水循环温控***、法向加载***和数据采集控制***，其中水循环温控***包括多分路水箱、加热器、制冷器、循环水泵、螺旋循环水管、阀门；法向加载***包括液压力器、可移动钢块、控制箱、反力架；数据采集控制***包括流量计、温度计、阀门、制冷器、制热器、液压力器、控制箱、应力传感器；模型箱内放置放置试验所需土样并为法向加载***提供反力支撑点，法向加载***能够前后上下移动，在模型箱内任何位置打下能源桩，或为单一能源桩进行持续加载；能源桩内置螺旋循环水管，水由能源桩上部进水口注入，在能源桩内部由上部螺旋到底部再螺旋上来，由能源桩上部的出水口排出；进水口与循环水泵管道连接，出水口与多分路水箱管道连通，进水口与循环水泵之间的管道、出水口与多分路水箱之间的管道上均设有流量计和温度计，其中进水口与循环水泵之间管道上的流量计和温度计之间设有阀门；多分路水箱采用分隔板分隔成四个小水箱，分隔板采用温度隔绝板，每个小水箱带有温度表，小水箱左侧壁的上部和下部分别设有制冷器和加热器，根据实际需要对多分路水箱中的水温进行加热或制冷，小水箱的底部与水龙头连接，循环水泵与最左侧小水箱底部的水龙头连接；能源桩沿桩身每隔10cm贴一个应力传感器，能源桩温度变化时桩身压力的变化实时反应到外部采集数据的电脑上；应力传感器与外部电脑连接；模型箱上设有反力架，反力架上安装液压力器，上部可移动钢块与液压力器通过螺栓连接，即保证反力完全作用在反力架上，又使液压力器的移动比较轻便；钢轮设置在可移动钢块的底部两端，控制箱与外部电脑连接。

本发明采用能源桩群桩效应试验装置进行能量桩温度变化时单桩荷载下应力应变试验，或多个能源桩温度变化下的群桩效应试验，具体试验过程如下：

(1)准备工作：在模型箱内装入试验所需土样，将模型箱的液压力器移动到指定位置，同时将能源桩放在指定位置，并与多分路水箱连接，调整能源桩的垂直度使其与试验所需土样垂直，与液压力器完美贴合，打开液压力器进行试压，若桩身不歪，垂直于土面，且各项数据均可正常采集，则进行正式压桩，将能源桩压到指定高度后，打开多分路水箱，根据试验要求调整水温及水的流速，待水温及流速稳定后，按照上述操作再进行下一个能源桩的打桩工作，能源桩全部打下并与多分路水箱连接，调试过后，则准备工作完成；

(2)能源桩群桩效应试验：调节加热器或制冷器使水温达预设温度(例如升温至35℃或降温至15℃)，启动循环水泵，控制流速，实时观测流量计和水循环管进出、口附近温度计的数据；数据采集***实时记录能源桩桩壁的应力、应变、温度传感器的数据；也可根据试验需要多次进行其他温度的附加温度应力监测；

(3)单能源桩荷载下应力变化试验：准备工作完成后，加载***减小压力，使能源桩承受荷载减小，模拟单一能源桩在承受荷载时的工作状态，打开多分路水箱，对水循环进行温度调控，并实时观测并记录桩身的应力、应变数据，进而对单能源桩荷载下的应力变化进行研究。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是采用桩土模型箱来模拟真实土壤对能源桩的作用，与真实工况成为接近；二是通过螺旋水循环***控制能源桩的温度，来模拟能源桩热交换过程中的升温和降温过程，与真实工况成为接近；而且用水作为循环液体，比热容大，便于取材，且经济实惠，水循环管与桩体接触面积大，温度传递速度极快；三是不仅能对单一能源桩进行加载状态下和不加载状态下的试验，还能够突破性的对温度变化的能源桩的群桩效应进行模拟，与真实工况成为接近；四是伺服液压***能较灵敏的控制加载过程，稳定性好；其结构简单，操作方便安全，试验数据精确，能真实模拟制冷或供暖工程中多个能源桩在土体内的情况，应用广泛。

附图说明：

图1为本发明所述多分路水箱与能源桩连接结构示意图。

图2为本发明所述模型箱结构示意图。

图3为本发明所述模型箱中的能源桩群桩效应示意图。

具体实施方式：

实施例：

本实施例所述能源桩群桩效应试验装置的主体结构包括模型箱12、能源桩6、水循环温控***、法向加载***和数据采集控制***，其中水循环温控***包括多分路水箱7、加热器10、制冷器8、循环水泵4、螺旋循环水管5、阀门3；法向加载***包括液压力器13、可移动钢块14、控制箱16、反力架19；数据采集控制***包括流量计1、温度计2、阀门3、制冷器8、制热器10、液压力器13、控制箱16、应力传感器18；模型箱12内放置放置试验所需土样并为法向加载***提供反力支撑点，法向加载***能够前后上下移动，在模型箱12内任何位置打下能源桩6，或为单一能源桩6进行持续加载；能源桩6内置螺旋循环水管5，水由能源桩6上部进水口注入，在能源桩内部由上部螺旋到底部再螺旋上来，由能源桩6上部的出水口排出；进水口与循环水泵4管道连接，出水口与多分路水箱7管道连通，进水口与循环水泵4之间的管道、出水口与多分路水箱7之间的管道上均设有流量计1和温度计2，其中进水口与循环水泵4之间管道上的流量计1和温度计2之间设有阀门3；多分路水箱7采用分隔板9分隔成四个小水箱，分隔板9采用温度隔绝板，每个小水箱带有温度表，小水箱左侧壁的上部和下部分别设有制冷器8和加热器10，根据实际需要对多分路水箱7中的水温进行加热或制冷，小水箱的底部与水龙头11连接，循环水泵4与最左侧小水箱底部的水龙头连接；能源桩6沿桩身每隔10cm贴一个应力传感器18，能源桩6温度变化时桩身压力的变化实时反应到外部采集数据的电脑上；应力传感器18与外部电脑连接；模型箱12上设有反力架19，反力架上安装液压力器13，上部可移动钢块14与液压力器13通过螺栓17连接，即保证反力完全作用在反力架上，又使液压力器13的移动比较轻便；钢轮15设置在可移动钢块14的底部两端，控制箱16与外部电脑连接。

本实施例采用能源桩群桩效应试验装置进行能量桩温度变化时单桩荷载下应力应变试验，或多个能源桩温度变化下的群桩效应试验，具体试验过程如下：

(1)准备工作：在模型箱12内装入试验所需土样，将模型箱12的液压力器13移动到指定位置，同时将能源桩6放在指定位置，并与多分路水箱7连接，调整能源桩6的垂直度使其与试验所需土样垂直，与液压力器13完美贴合，打开液压力器13进行试压，若试压运行良好(桩身不歪，垂直于土面，且各项数据均可正常采集)，则进行正式压桩，将能源桩6压到指定高度后，打开多分路水箱7，根据试验要求调整水温及水的流速，待水温及流速稳定后，按照上述操作再进行下一个能源桩的打桩工作，能源桩全部打下并与多分路水箱连接，调试过后，则准备工作完成；

(2)能源桩群桩效应试验：调节加热器10或制冷器8使水温达指定温度(例如升温至35℃或降温至15℃)，启动循环水泵4，控制流速，实时观测流量计1和水循环管进出、口附近温度计2的数据；数据采集***实时记录能源桩桩壁的应力、应变、温度传感器的数据；也可根据试验需要多进行几次其他温度的附加温度应力监测；

(3)单能源桩荷载下应力变化试验：准备工作完成后，加载***减小压力，使能源桩6承受荷载减小，模拟单一能源桩6在承受荷载时的工作状态，打开多分路水箱7，对水循环进行温度调控，并实时观测并记录桩身的应力、应变数据，进而对单能源桩荷载下的应力变化进行研究。

Claims (2)

1.一种能源桩群桩效应试验装置，其特征在于主体结构包括模型箱、能源桩、水循环温控***、法向加载***和数据采集控制***，其中水循环温控***包括多分路水箱、加热器、制冷器、循环水泵、螺旋循环水管、阀门；法向加载***包括液压力器、可移动钢块、控制箱、反力架；数据采集控制***包括流量计、温度计、阀门、制冷器、制热器、液压力器、控制箱、应力传感器；模型箱内放置放置试验所需土样并为法向加载***提供反力支撑点，法向加载***能够前后上下移动，在模型箱内任何位置打下能源桩，或为单一能源桩进行持续加载；能源桩内置螺旋循环水管，水由能源桩上部进水口注入，在能源桩内部由上部螺旋到底部再螺旋上来，由能源桩上部的出水口排出；进水口与循环水泵管道连接，出水口与多分路水箱管道连通，进水口与循环水泵之间的管道、出水口与多分路水箱之间的管道上均设有流量计和温度计，其中进水口与循环水泵之间管道上的流量计和温度计之间设有阀门；多分路水箱采用分隔板分隔成四个小水箱，分隔板采用温度隔绝板，每个小水箱带有温度表，小水箱左侧壁的上部和下部分别设有制冷器和加热器，根据实际需要对多分路水箱中的水温进行加热或制冷，小水箱的底部与水龙头连接，循环水泵与最左侧小水箱底部的水龙头连接；能源桩沿桩身每隔10cm贴一个应力传感器，能源桩温度变化时桩身压力的变化实时反应到外部采集数据的电脑上；应力传感器与外部电脑连接；模型箱上设有反力架，反力架上安装液压力器，上部可移动钢块与液压力器通过螺栓连接，即保证反力完全作用在反力架上，又使液压力器的移动比较轻便；钢轮设置在可移动钢块的底部两端，控制箱与外部电脑连接。

2.根据权利要求1所述能源桩群桩效应试验装置，其特征在于采用该装置能进行能量桩温度变化时单桩荷载下应力应变试验，或多个能源桩温度变化下的群桩效应试验，具体试验过程如下：

(1)准备工作：在模型箱内装入试验所需土样，将模型箱的液压力器移动到指定位置，同时将能源桩放在指定位置，并与多分路水箱连接，调整能源桩的垂直度使其与试验所需土样垂直，与液压力器完美贴合，打开液压力器进行试压，若桩身不歪，垂直于土面，且各项数据均可正常采集，则进行正式压桩，将能源桩压到指定高度后，打开多分路水箱，根据试验要求调整水温及水的流速，待水温及流速稳定后，按照上述操作再进行下一个能源桩的打桩工作，能源桩全部打下并与多分路水箱连接，调试过后，则准备工作完成；

(2)能源桩群桩效应试验：调节加热器或制冷器使水温达预设温度，启动循环水泵，控制流速，实时观测流量计和水循环管进出、口附近温度计的数据；数据采集***实时记录能源桩桩壁的应力、应变、温度传感器的数据；也可根据试验需要多次进行其他温度的附加温度应力监测；

(3)单能源桩荷载下应力变化试验：准备工作完成后，加载***减小压力，使能源桩承受荷载减小，模拟单一能源桩在承受荷载时的工作状态，打开多分路水箱，对水循环进行温度调控，并实时观测并记录桩身的应力、应变数据，进而对单能源桩荷载下的应力变化进行研究。