一种室内相似模拟能源桩及其实验监测系统技术方案

本发明专利技术提供一种室内相似模拟能源桩及其实验监测系统，属于室内大型相似模拟桩基工程领域。该能源桩包括桩体、支架和换热管，桩体埋设于室内土箱中，换热管位于桩体内部，换热管环绕在支架上，实验监测系统由能源桩与保温水箱连接，热敏电阻设置在支架上，在能源桩上设置应变片，换热管与水箱内部的抽水循环泵形成导热回路。利用应力应变监测以及温度监测可统计温度应力，以及桩侧摩阻力与桩端阻力。本发明专利技术实验周期短，成本低，环境因素可控制，可以研究能源桩温度‑荷载下的结构效应，判别能源桩的承载力，可更好的研究能源桩换热效率，可观察和研究桩身由于温度变化产生的温度应力的影响。

An indoor similar simulated energy pile and its experimental monitoring system

The invention provides an indoor similar simulated energy pile and an experimental monitoring system thereof, which belong to the field of large-scale analogue pile foundation engineering in an indoor environment. The energy pile comprises a pile body and a bracket and a heat exchange tube, the pile body is buried in the indoor soil box, heat pipe in the pile body, heat exchange tube around the stent, the monitoring system is composed of energy pile and the insulation water tank is connected, the thermistor is arranged on the bracket, strain energy plate is arranged on the post. For internal heat pipe and water tank water circulating pump to form conducting loop. Stress, strain monitoring and temperature monitoring can be used to calculate temperature stress, pile side friction and pile tip resistance. The experimental short cycle, low cost, environmental factors can control the effect of energy structure, pile temperature under load can be, discrimination of bearing capacity of energy pile, can better study the energy pile heat transfer efficiency, can observe and study the pile due to the influence of temperature change of the temperature stress.

【技术实现步骤摘要】
一种室内相似模拟能源桩及其实验监测系统
本专利技术涉及室内大型相似模拟桩基工程领域，特别是指一种室内相似模拟能源桩及其实验监测系统。
技术介绍
桩是深入土层柱型构件，桩与连接桩顶承台组成深基础，简称桩基，其作用是把上部结构的荷载传递到深部较坚硬压、压缩性较小的土层或岩层。桩按材料的分类混凝土桩、钢桩、组合桩等。能源桩是一种新型的地下热交换器地源热泵系统，利用其与周围岩土体的热量交换。利用混凝土良好的导热性能，与周围大地形成热交换元件。国内外对能源桩的研究主要关注桩与周围岩土体的换热效率。然而，大直径的钢筋混凝土桩基造价成本较高，岩土体条件复杂，施工周期慢，而进行相似模拟实验，实验周期短、成本低，优化复杂环境问题，从而更好的研究能源桩导热效率问题。能源桩兼具结构构件和换热器双重功能，除了承受常规的结构荷载外，还要承受因换热所带来的温度作用，即桩体温度变形受到桩侧、桩尖岩土体以及桩顶结构的约束而产生的附加温度应力。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种室内相似模拟能源桩及其实验监测系统。该能源桩包括桩体、支架和换热管，桩体埋设于室内土箱中，换热管位于桩体内部，换热管环绕在支架上，支架上捆绑热敏电阻，桩体外部贴有应变片，桩体下部设置压力盒。其中，桩体为水泥、粉煤灰、矿渣粉组成的复合体，桩体长1.5m，桩体直径为0.06m。换热管为单U型、螺旋型或双螺旋型，换热管包括一个主体管、一个进口接头和一个出口接头。支架为一根以上钢筋圆柱和一个以上箍筋相互编织形成的骨架。采用该能源桩进行实验监测的系统，由能源桩与保温水箱连接而成，能源桩中的换热管与保温水箱中的抽水循环泵形成导热回路；当模拟冬季时，保温水箱中水的温度低于土箱中土体的温度，用于模拟能源桩吸热，当模拟夏季时，保温水箱中水的温度高于土箱中土体的温度，用于模拟能源桩放热。保温水箱中设置抽水循环泵和温度加热器。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：本专利技术基于能源桩室内大型相似模拟实验、监测系统，完全模拟能源桩热交换中的过程，并通过一小型抽水循环泵代替地源热泵，实验周期短，成本低，环境因素可控制，可以研究能源桩温度-荷载下的结构效应，判别能源桩的承载力，可观察与研究桩侧摩阻力与桩端阻力在桩基承载力的比例分布，可更好的研究能源桩换热效率，可观察和研究桩身由于温度变化产生的温度应力的影响。附图说明图1为本专利技术的室内相似模拟能源桩结构示意图；图2为本专利技术的室内相似模拟能源桩换热管结构示意图一；图3为本专利技术的室内相似模拟能源桩换热管结构示意图二；图4为本专利技术的室内相似模拟能源桩支架结构示意图；图5为本专利技术的内相似模拟能源桩实验监测系统结构示意图。其中：11-桩体；12-换热管；13-支架；14-钢筋圆柱；15-箍筋；20-抽水循环泵；30-保温水箱；40-温度加热器；50-土箱；60-热敏电阻；70-应变片；80-压力盒。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术提供一种室内相似模拟能源桩及其实验监测系统。如图1和图5所示，能源桩包括桩体11、支架13和换热管12，桩体11埋设于室内土箱50中，换热管12位于桩体11内部，换热管12环绕在支架13上，支架13上捆绑热敏电阻60，桩体11外部贴有应变片70，桩体11下部设置压力盒80。桩体11为由水泥、粉煤灰、矿渣粉组成的复合体，桩体11的形状根据模拟具体工程，可为方柱、圆柱或其他几何形体。本实施例中，桩体11为圆柱。如图1至图3，换热管12可为单螺旋型、双螺旋型、单U型，换热管12在桩体11内部形成一导热通路，本实施例中，换热管12为螺旋型。能源桩换热管12的材料为聚乙烯(PE80或PE100)、高密度聚乙烯、聚氯乙烯等。本实施例中，换热管12采用聚氯乙烯，换热管12的直径为3mm。其所得直径按照具体工程缩小10倍。换热管12以螺旋形状缠绕到支架13上，并同支架13一起放置于桩体11内，且螺旋距为0.03m其所得值按照具体工程缩小10倍，如图4，支架13由4根钢筋圆柱14以及多个箍筋15相互编成一网架，钢筋圆柱14被箍筋15围成一柱体。换热管12与支架13可通过捆绑设置。通过支架13将换热管12固定，以起到保护螺旋型换热管12不变型的作用。为保证换热管12不被破坏，换热管12以螺旋型绑在支架13时需注意务必不要绑到支架12底部。另外，支架13可进一步提高桩体11的力学强度。为保证相似模拟能源桩的换热效率和研究能源桩在换热过程中产生的温度应力。热敏电阻60应以3组的形式依次绑在支架13上。在相似模拟能源桩外热敏电阻以环形分层埋设于土箱50中，如图4、图5。为判别能源桩在温度-荷载下的结构响应，压力盒80应埋放在桩底如图5，应变片70应贴在能源桩上如图1。相似模拟能源桩的具体施工步骤如下:首先将换热管12固定于支架13，绑扎时注意不要绑到支架12底部，换热管12绑扎完毕后多个热敏电阻60分3组的形式依次绑在支架13的两端和中心，其3者在一条直线上。如图5所示，本专利技术能源桩室内大型相似模拟热循环系统，由能源桩与保温水箱30连接而成，能源桩中的换热管12与保温水箱30中的抽水循环泵20形成导热回路，抽水循环泵20与换热管12相连接共同放置在保温水箱30中，从而实现相似模拟能源桩的热交换。换热管12中应填充一交换液，交换液包括水、盐水以及防冻液。本实验中，交换液为水。保温水箱30中还设置温度加热器40。能源桩在夏季时通过放热，与周围岩土体进行热交换。冬季时是吸收岩土体的热量来实现给建筑物供暖。本室内实验通过相似模拟能源桩系统可以模拟冬、夏季能源桩工作原理，当模拟冬季时，只需要保证保温水箱30中水的温度低于土箱50中土体的温度即可模拟能源桩的吸热，当模拟夏季时，需要保温水箱30中水的温度高于土箱50中土体的温度即可模拟能源桩的放热。本专利技术通过在相似模拟能源桩桩中设置换热管，模拟了能源桩与岩土体的热交换，并通过一小型抽水循环泵代替地源热泵，实验周期短，成本低，环境因素可控制，可更好的研究能源桩换热效率，同时可观察与研究桩身由于温度变化产生的温度应力的影响。以上所述是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种室内相似模拟能源桩，其特征在于：包括桩体(11)、支架(13)和换热管(12)，桩体(11)埋设于室内土箱(50)中，换热管(12)位于桩体(11)内部，换热管(12)环绕在支架(13)上，支架(13)上捆绑热敏电阻(60)，桩体(11)外部贴有应变片(70)，桩体(11)下部设置压力盒(80)。

【技术特征摘要】
1.一种室内相似模拟能源桩，其特征在于：包括桩体(11)、支架(13)和换热管(12)，桩体(11)埋设于室内土箱(50)中，换热管(12)位于桩体(11)内部，换热管(12)环绕在支架(13)上，支架(13)上捆绑热敏电阻(60)，桩体(11)外部贴有应变片(70)，桩体(11)下部设置压力盒(80)。2.根据权利要求1所述的室内相似模拟能源桩，其特征在于：所述桩体(11)为水泥、粉煤灰、矿渣粉组成的复合体，桩体(11)长1.5m，桩体(11)直径为0.06m。3.根据权利要求1所述的室内相似模拟能源桩，其特征在于：所述换热管(12)为单U型、螺旋型或双螺旋型，换热管(12)包括一个主体管、一个进口接头和一个出口接头。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔兰，马浩添，李远，李庆文，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11