塑料套管能源桩结构论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及塑料套管能源桩结构，包括塑料套管桩、热交换管、总供水管、总出水管、供水支管、出水支管、泵机和地源热泵机组；塑料套管桩顶部设置盖板，塑料套管桩底部设置预制桩尖，塑料套管桩桩身外圈为塑料套管，塑料套管内部设置钢筋笼并灌注有混凝土，塑料套管外部固定有热交换管；热交换管均匀分布在塑料套管桩桩身表面，热交换管顶部穿过盖板内预留小孔后分别与供水支管或出水支管同程连接；供水支管和出水支管横向设置在路基内部。本实用新型的有益效果是：利用塑料套管与沉管之间的环向空隙进行热交换管的铺设，对热交换管形成保护，避免沉管过程或灌注混凝土过程中碰撞热交换管，对其形成变形、弯折或渗漏破坏。

主设计要求

1.一种塑料套管能源桩结构，其特征在于：包括塑料套管桩(1)、热交换管(2)、总供水管(3)、总出水管(4)、供水支管(5)、出水支管(6)、泵机(7)和地源热泵机组(8)；塑料套管桩(1)顶部设置盖板(9)，塑料套管桩(1)底部设置预制桩尖(12)，塑料套管桩(1)桩身外圈为塑料套管(11)，塑料套管(11)内部设置钢筋笼并灌注有混凝土，塑料套管(11)外部固定有热交换管(2)；热交换管(2)均匀分布在塑料套管桩(1)桩身表面，热交换管(2)顶部穿过盖板(9)内预留小孔后分别与供水支管(5)或出水支管(6)同程连接；供水支管(5)和出水支管(6)横向设置在路基内部，供水支管(5)一端对应连接总供水管(3)，出水支管(6)一端对应连接总出水管(4)；总供水管(3)和总出水管(4)沿道路方向平行设置在路基两侧，最后与泵机(7)和地源热泵机组(8)串联形成回路。

设计方案

2.根据权利要求1所述的塑料套管能源桩结构，其特征在于：热交换管(2)缠绕在塑料套管(11)表面为螺旋形、U形或W形。

3.根据权利要求1所述的塑料套管能源桩结构，其特征在于：热交换管(2)直径为5-15cm，固定方式为热熔连接。

4.根据权利要求1所述的塑料套管能源桩结构，其特征在于：供水支管(5)和出水支管(6)分别设置在塑料套管桩(1)两侧，沿道路方向横向布置；供水支管(5)一端封闭，另一端连接在总供水管(3)上；出水支管(6)一端封闭，另一端连接在总出水管(4)上。

5.根据权利要求1所述的塑料套管能源桩结构，其特征在于：塑料套管桩(1)包括塑料套管(11)、预制桩尖(12)、盖板(9)及沉管(10)，热交换管(2)设置在沉管(10)与塑料套管(11)之间的环向空隙内。

6.根据权利要求1所述的塑料套管能源桩结构，其特征在于：热交换管(2)、供水支管(5)、出水支管(6)、总供水管(3)和总出水管(4)均采用PE管，连接部位通过热熔连接，且供水支管(5)、出水支管(6)、总供水管(3)和总出水管(4)表面包裹保温材料。

7.根据权利要求1所述的塑料套管能源桩结构，其特征在于：塑料套管(11)采用PVC管，直径为160-200mm；沉管(10)采用钢管，直径为200-250cm。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于桩基工程领域，特别涉及一种塑料套管能源桩结构，适用于在路堤软基加固工程中应用，尤其是在城市市政软基道路中尤为适用。

背景技术

随着环境污染问题的日趋严重，地热能作为一种绿色清洁能源正逐渐为人们所研究和利用。地源热泵技术通过埋置在恒温土层中的热交换管实现与土体的热量交换，在供热模式下从恒温土层中吸收热量，提供给地表或附近房屋的供暖；在制冷模式下将外界的热量吸收排放到地层中，起到冬暖夏凉的温度调节作用。

传统的地热能利用需要大面积的土体开挖来铺设热交换管路，费用昂贵，较难大面积推广。而由桩体与热交换管路共同组成的能源桩则解决了额外钻孔的浪费，节约了成本。其中，能源桩中热交换管路的铺设种类较多，一种是采用现浇的方式，将热交换管直接绑扎在钢筋笼上，待沉入孔洞后直接进行混凝土的浇筑；另外一种是将热交换管缠绕在预制桩表面进行静钻根植。两者均存在不足，前者在灌注桩内部进行热交换管路的埋设，绑扎操作复杂，灌注混凝土的过程中容易弯折或堵塞管道，而灌注的混凝土随着桩体深度的增大不易密实，影响桩体受力以及导热效率；后者热交换管路直接缠绕在桩身表面，需要额外锁扣固定，且随桩体下沉过程中可能会损坏热交换管道。另一方面，塑料套管桩作为一种复合地基处理法施工机械轻便、操作及质量检测简单，成桩质量可靠且对环境影响小，能够有效治理路堤软基的沉降问题。

综上所述，能源桩和塑料套管桩的应用前景都非常巨大，但现有能源桩技术存在着热交换管预埋困难、易破坏、导热效率低等问题，亟需通过改进技术来进行解决。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种塑料套管能源桩结构。

塑料套管能源桩结构，包括塑料套管桩、热交换管、总供水管、总出水管、供水支管、出水支管、泵机和地源热泵机组；塑料套管桩顶部设置盖板，塑料套管桩底部设置预制桩尖，塑料套管桩桩身外圈为塑料套管，塑料套管内部设置钢筋笼并灌注有混凝土，塑料套管外部固定有热交换管；热交换管均匀分布在塑料套管桩桩身表面，热交换管顶部穿过盖板内预留小孔后分别与供水支管或出水支管同程连接；供水支管和出水支管横向设置在路基内部，在其中一端对应连接总供水管或总出水管；总供水管和总出水管沿道路方向平行设置在路基两侧，最后与泵机和地源热泵机组串联形成回路。

作为优选：缠绕在塑料套管表面的形式可选用螺旋形、U形、W形或者其他组合形式，直径为5-15cm，固定方式为热熔连接。

作为优选：供水支管和出水支管分别设置在塑料套管桩两侧，沿道路方向横向布置；供水支管一端封闭，另一端连接在总供水管上；出水支管一端封闭，另一端连接在总出水管上。

作为优选：塑料套管桩包括塑料套管、预制桩尖、盖板及沉管，热交换管设置在沉管与塑料套管之间的环向空隙内。

作为优选：热交换管、供水支管、出水支管、总供水管和总出水管均采用PE管，连接部位通过热熔连接，且供水支管、出水支管、总供水管和总出水管表面包裹保温材料。

作为优选：塑料套管采用PVC管，直径为160-200mm；沉管采用钢管，直径为200-250cm。

本实用新型的有益效果是:

1)利用塑料套管与沉管之间的环向空隙进行热交换管的铺设，对热交换管形成保护，避免沉管过程或灌注混凝土过程中碰撞热交换管，对其形成变形、弯折或渗漏破坏；

2)热交换管与塑料套管之间可通过热熔的方式固定，避免了额外固定锁扣的使用，且固定形式多样，可采用U型、W型、螺旋型及其他组合形式；

3)结构设计合理，既是受力结构又是能源结构，充分吸收了能源桩和塑料套管桩的优点，桩体浇筑质量易控制，能有效治理路堤软基沉降问题，且铺设的热交换管路可为公路两边或周围建筑物提供制冷或供热服务，节能环保。而在常年冻雪天气地区，该系统还可以对路面进行融雪解冻；

4)沉管到指定位置后，外套沉管可进行回收再利用，节省施工成本，且在沉管拔出后，桩体周围土体在外侧土压力作用下会自动填满空隙，增大热交换管与土体的接触面积，提高热交换效率；

5)塑料套管能源桩施工简便，热交换管路为预先固定，沉桩速度快，抑制了灌注混凝土径向向外的渗透，减少了灌注混凝土的浪费，避免了环境污染；

6)克服了传统地热能利用的设备占用空间大，成本高的缺点，该系统大部分管路均埋设在路堤及土体中，不占用额外地上空间，符合城市建设规划要求。

附图说明

图1是成桩后塑料套管能源桩桩体结构示意图；

图2是沉管下沉施工过程桩体结构示意图；

图3是塑料套管能源桩系统整体平面布置图；

图4是供水支管横截面管道连接示意图；

图5是出水支管横截面管道连接示意图。

附图标记说明：塑料套管桩1；热交换管2；总供水管3；总出水管4；供水支管5；出水支管6；泵机7；地源热泵机组8；盖板9；沉管10；塑料套管11；预制桩尖12。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

这种塑料套管能源桩结构，包括塑料套管桩1、热交换管2、总供水管3、总出水管4、供水支管5、出水支管6、泵机7、地源热泵机组8；塑料套管桩1顶部设置盖板9，底部设置预制桩尖12，桩身外圈为塑料套管11，塑料套管11内部设置钢筋笼，灌注混凝土，塑料套管11外部固定热交换管2；热交换管2均匀分布在桩身表面，顶部穿过盖板9内预留小孔，并在进水口和出水口预留一定长度的热交换管2，分别与供水支管5或出水支管6同程连接；供水支管5和出水支管6横向设置在路基内部，在其中一端对应连接总供水管3或总出水管4；总供水管3和总出水管4沿道路方向平行设置在路基两侧，与泵机7、地源热泵机组8等串联形成回路，构成总的管路系统。

热交换管2缠绕在塑料套管11表面的形式可选用螺旋形、U形、W形或者其他组合形式，直径一般为5-15cm，固定方式为热熔连接；供水支管5和出水支管6分别设置在塑料套管桩1两侧，沿道路方向横向布置，其一端封闭，另一端连接在总供水管3或总出水管4上；热交换管2、供水支管5、出水支管6、总供水管3、总出水管4均采用PE管，连接部位通过热熔连接，且供水支管5、出水支管6、总供水管3、总出水管4表面包裹一定保温材料；塑料套管桩1包括塑料套管11、预制桩尖12、盖板9及沉管10，热交换管2设置在沉管10与塑料套管11之间的环向空隙内；塑料套管11采用PVC管，直径为160mm-200mm，长度上可以采用单根PVC管，也可根据桩深长度将PVC管进行拼接；沉管10采用钢管，直径为200-250cm。

如图1所示，塑料套管桩1桩体为塑料套管11，内部浇筑钢筋笼及混凝土，表面设置双螺旋状热交换管2，热交换管进水口和出水口穿过顶部盖板9上的预留孔洞内，超过桩顶一段距离；塑料套管11底部与预制桩尖12连接固定。

如图2所示，塑料套管11在下沉过程中外侧套有沉管10，热交换管2设置在塑料套管11和沉管10之间的环向空隙内，塑料套管11底部与预制桩尖12紧密连接。

如图3所示，沿着与公路垂直方向横向设置供水支管5和出水支管6，其分别位于一排塑料套管桩1两侧，供水支管5和出水支管6分别与公路两边的总供水管3或总出水管4连接；塑料套管桩1顶部预留热交换管2的进水口与供水支管5同程连接，出水口与出水支管6同程连接；公路两边埋设的总供水管3、总出水管4与外部的泵机7、地源热泵机组8等串联形成整体管路系统。

如图4所示，供水支管5设置在路基内部，一端封闭，一端连接总供水管3；塑料套管桩1设置在路基底部，顶部预留的热交换管2的进水口与上部的供水支管5同程连接；

如图5所示，出水支管6设置在路基内部，一端封闭，一端连接总出水管3；塑料套管桩1设置在路基底部，顶部预留的热交换管2的出水口与上部的出水支管5同程连接；

所述的塑料套管能源桩结构的施工方法，包括以下步骤：

1)施工准备：首先平整场地，铺设20cm厚的砂、砂砾或碎石垫层，提前准备塑料套管11，如有加长需要提前将PVC管进行连接处理，施工现场放线布置好桩位；

2)预制桩尖12制作：预制桩尖12采用钢筋混凝土进行浇筑制作，直径约为30cm，顶部预留能和塑料套管11紧密连接的接头；

3)热交换管2的铺设：根据设计的铺设方案在塑料套管11表面布置热交换管2，布置过程中轻拿轻放，防止热交换管2碰撞或者弯折渗漏，铺设完成后采用热熔的方式将热交换管2与塑料套管11相互连接固定，注意不要熔透塑料套管11管壁，最后将铺设完成的塑料套管11与预制桩尖12连接牢固；

4)塑料套管11的打设：将打设设备移机就位，利用吊绳将塑料套管11吊起，并缓慢牵入沉管10内部，待沉管10底部到达预制桩尖12后开始静压下沉，下沉桩位要对准，开动机器将沉管10打到设计深度；

5)沉管10拔出：待塑料套管11打设到位后将沉管10拔出，拔出过程中注意垂直缓慢拔出，防止损坏热交换管2，之后移机进行下一个桩位的打设，直至完成所有桩的埋设工作；

6)截桩和检查套管的深度：将顶部露出多余的塑料套管11进行截桩和整理后检查其深度，并随时做好塑料套管11内部的清洁，避免杂物入内；

7)放入钢筋笼：在塑料套管11顶部放置一定长度的钢筋笼。钢筋均匀插设，顶部超出桩顶25cm，与盖板9顶层配筋连接，钢筋笼主筋与盖板9底层配筋绑扎连接；

8)混凝土的浇筑：集中对塑料套管11内浇筑混凝土，采用小型加长振捣棒振捣，并完成桩和盖板9施工；

9)桩体检测：待桩体强度到一定要求后可对成桩进行检测，方法与其它现浇桩类同。

10)管道埋设：采用分层铺设的方式填筑路堤，待铺设至预定高度后，进行总供水管3、总出水管4、供水支管5、出水支管6的铺设和连接，将塑料套管桩1顶部预留的热交换管2的进水口和出水口分别与供水支管5、出水支管6同程连接，各接头采用热熔连接，同时在管道表面包裹保温材料进行防护和保温，并对铺设在道路中心受压区的管道进行外套钢管的抗压保护；

11)水压试验及路堤填筑：待管路铺设完成后进行水压试验，确保管道畅通且不存在漏水情况，之后在管路上分层缓慢覆盖路堤，道路两边的总供水管3和总出水管4未处于路面主要受压范围内，上方覆土分层填筑的过程中建议采用人工压实的方式，避免损坏下部铺设管道，如有必要，可采取一定防护措施防止破坏，而道路中心主要受压区需在铺设一定厚度的路堤填土后方可进行大型压路机的使用；

12)投入使用：待路堤、路面施工完毕后，将管路系统与外部的泵机7和地源热泵机组8串联，开启泵机7，管路内导热液开始循环使用，为公路两边及附近的建筑提供制冷和供暖服务。

设计图

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主设计要求

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