能量桩测量装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种能量桩测量装置和方法，堆载装置堆覆于加载板上表面，加载板放置于桩顶；位移传感器固定在加载板上方；钢筋应力计贴覆于桩体钢筋笼上，钢筋应力计与频率仪相连接；循环导管同样绑扎于桩体钢筋笼上，并从桩侧壁引出，与控温控流量油压水泵连接；温度传感器贴覆于桩体表面以及土体中，与温度采集仪相连接。通过循环导管内的循环导热液体和桩发生热交换，获得温度场。采用本发明可对能量桩实际应用过程中的热力学特性进行测量，包括桩体应力应变及桩体和桩周土体温度场的分布，从而获得能量桩的温度场作用下的承载力特性及换热效率等，且设备造价低廉，易于维护及更换。
【专利说明】能量粧测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及能量桩承载力与计算应用领域，尤其涉及一种能量桩测量装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 地源热泵技术，是一种利用地下一定深度以下土体温度相对稳定的特性，通过以 大地为储能体进行热量交换，夏季将上部热量储存于地下，冬季将地下热量传递到上部建 筑内的可再生能源的空调系统。其替代传统空调技术，从而达到节能减排的目的。但是地 源热泵技术的埋管占用地下空间大，钻孔埋管施工成本高，很大程度上限制了其发展。
[0003] 现有技术中，能量桩则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。其中，PCC能量 桩技术则在传统能量桩的基础上利用PCC桩的大直径内腔，充分利用其与热交换管和桩周 土体接触，更有效的提高其换热效率。
[0004] 目前，国内外能量桩的试验性研究还比较少，而且现场试验所能进行的分析研究 内容有限，且成本高、实施困难，针对能量桩的热力学特性测量能更为详实的进行能量桩的 各种特性研究，尤其是PCC桩不同于常规实体桩，测量中如何进行PCC桩的温度场循环控制 还没有得到解决。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，针对现有技术的不足，本发明提供一种能量桩的测量装置和方法，其通 过控温控速油泵给PCC能量桩施加温度场，并可针对能量桩进行各项热力学测量。
[0006] 本发明提供一种能量桩测量装置，其包括：能量桩4,具有桩体钢筋笼16,置于土 体3内；控温控流速循环油泵15,置于该能量桩4桩周该土体3外；多个传感器插入槽7， 均匀布置于该能量桩4桩周该土体3内；多个温度传感器8,散布于该传感器插入槽7内以 及均匀分布在桩体钢筋笼16上；温度采集仪14,通过导线与该温度传感器8连接；循环导 管9,设于该桩体钢筋笼16上，该循环导管9内设循环导热液体12 ;其中，该循环导管9与 该控温控流速循环油泵15连接。
[0007] 作为改进，还包括堆载装置1、加载板2、位移传感器10,其中，该位移传感器10 放置于该加载板2的上表面，且该位移传感器10通过位移传感器支座11固定在该能量桩 4桩周土体3的表面。
[0008] 作为改进，还包括频率仪13、钢筋应力计5,正弦式土压力盒6,其中，该钢筋应力 计5固定于该桩体钢筋笼16上，该正弦式土压力盒6固定在桩体底部，且该钢筋应力计5 和该正弦式土压力盒6通过导线与该频率仪13连接。
[0009] 作为改进，该温度传感器插入槽7在桩体周围呈几何形状布置，该温度传感器插 入槽7的相隔距离可根据需要调节。
[0010] 作为改进，该能量桩4为现浇大直径薄壁管桩管，该钢筋应力计5和该温度传感器 8贴覆于该能量桩4的该桩体钢筋笼16上，并在该桩体钢筋笼16表面涂玻璃硅胶防水，且 将该循环导管9绑扎于该钢筋笼16的纵向钢筋上，将该钢筋笼16放置于成桩模具内，将导 线和导管从靠近顶面侧壁预留的孔洞引出，导入混凝土浇筑成桩。
[0011] 作为改进，通过该控温控流速循环油泵15对该循环导热液体12控温控流，且在该 能量桩4的空腔内注水加速与该循环导管9的热交换。
[0012] 作为改进，该循环导热液体12为水或者防冻液，其温度范围控制在在-10°c到 90°C之间。
[0013] 本发明还提供了一种能量桩测量方法，其包括以下步骤：
[0014] (1)将温度传感器8均匀分布在桩体钢筋笼16上，将循环导管9通过埋管式设在 桩体钢筋笼16上，并将该循环导管9与控温控流速循环水泵15相连接；
[0015] (2)将能量桩4置于土体3中，在温度传感器插槽7的不同深度槽口内安置温度传 感器8,并将该温度传感器8通过导线与温度采集仪14连接，将温度传感器8插槽放置于土 体3中，且布置于该能量桩4桩体周围；
[0016] (3)启动控温控流速循环油泵15,使得循环导热液体进入循环导管9,通过该循环 导管9与该能量桩4桩内进行能量交换，通过温度采集仪14采集温度传感器8的数据。
[0017] 作为改进，还包括以下步骤：
[0018] 启动控温控流速循环油泵15的同时，施加堆载荷载，将加载板平稳的放置于该能 量桩4的桩顶上，并将位移传感器10放置于加载板2的上面，通过位移传感器支座11固定 在桩周该土体3上表面；
[0019] 其中，启动堆载装置1，在加载板2上放置堆载物，该该能量桩4发生压缩变形，由 该位移传感器10读出该能量桩4桩体沉降量。
[0020] 作为改进，还包括以下步骤：
[0021] 在所述步骤（1)中，将钢筋应力计5贴覆于桩体钢筋笼16上，并在钢筋应力计5 表面涂抹硅胶，将该钢筋应力计5与频率仪13相连接；
[0022] 在所述步骤（2)中，将正弦式土压力盒6固定在桩体底部，并将正弦式土压力盒6 与频率仪13相连接；
[0023] 通过频率仪13对钢筋应力计5和正弦式土压力盒6的数据进行采集，得到该能量 桩4的桩身及桩端应力。
[0024] 本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
[0025] (1)利用控温控流速油泵进行导热液体的循环，对PCC能量桩进行温度场的施加。 现有能量桩试验技术所采用的循环泵还没有充分考虑到温度和流量的控制。而在本发明 中，采用的控温控流速油泵，可以控制进入桩体的导热液体的温度及流速，并测量流出桩体 时的导热液体温度，从而达到调整PCC能量桩的温度场的效果，并获得在分析热量传导效 率时所需要的导热液体进出能量桩的温度及流速；
[0026] (2)该装置尺寸机动性较大。可以根据试验的需要调节油泵的功率大小，通过改变 堆载物的内容来调节试验荷载，针对不同的能量桩桩型、比例及试验方案进行调整；
[0027] (3)该测量装置利用传统的模型试验静力加载模式，堆载装置简便易于获得、加载 板采用廉价的钢板制成，其他测量装置都为常规测量仪器，造价低廉，且易于维护更换仪器 设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明能量桩测量装置的剖视示意图；
[0029] 图2为本发明图1中循环导管和控温控流速循环油泵之间的连接关系示意图；
[0030] 图3为本发明桩周土体中的温度传感器布置示意图；
[0031] 图4为本发明桩体钢筋笼上测量装置布置示意图。
[0032] 附图标记说明：
[0033] 1、堆载装置 2、加载板 3、桩周土体
[0034] 4、能量桩 5、钢筋应力计 6、正弦式土压力盒
[0035] 7、温度传感器插入槽 8、温度传感器 9、循环导管
[0036] 10、位移传感器 11、位移传感器支座 12、循环导热液体
[0037] 13、频率仪 14、温度采集仪 15,控温控流速循环油泵
[0038] 16、桩体钢筋笼
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
[0040] 图1为本发明能量桩测量装置的剖视示意图，如图1所示，本发明提供了一种能量 桩测量装置，本发明提供一种能量桩测量装置，其包括：能量桩4,具有桩体钢筋笼16,置于 土体3内；控温控流速循环油泵15,置于该能量桩4桩周该土体3外；多个传感器插入槽7， 均匀布置于该能量桩4桩周该土体3内；多个温度传感器8,散布于该传感器插入槽7内以 及均匀分布在桩体钢筋笼16上；温度采集仪14,通过导线与该温度传感器8连接；循环导 管9,设于该桩体钢筋笼16上，该循环导管9内设循环导热液体12 ;其中，该循环导管9与 该控温控流速循环油泵15连接，通过本发明实施例，该测量装置可用于测量能量桩的桩身 温度分布以及桩周温度分布特性。
[0041] 作为一实施例，本实施例除了上述实施例结构相同外，该能量桩测量装置还包括 堆载装置1、加载板2、位移传感器10,其中，该位移传感器10放置于该加载板2的上表面， 且该位移传感器10通过位移传感器支座11固定在该能量桩4桩周土体3的表面，通过本 发明该实施例，该测量装置还可用于测量在温度场作用下的桩体沉降量。
[0042] 作为一实施例，本实施例除了上述实施例结构相同外，该能量桩测量装置还包括 频率仪13、钢筋应力计5,正弦式土压力盒6,其中，该钢筋应力计5固定于该桩体钢筋笼16 上，该正弦式土压力盒6固定在桩体底部，且该钢筋应力计5和该正弦式土压力盒6通过导 线与该频率仪13连接，通过本发明该实施例，该测量装置还可通过对钢筋应力计和土压力 盒的数据进行采集，经换算可得到能量桩在温度场作用下的的桩身及桩端应力变化情况。
[0043] 图2为本发明图1中循环导管和控温控流速循环油泵之间的连接关系示意图。如 图2所示，所采用的循环导热液体（12)可以选择使用水或者防冻液，其温度控制范围可以 在-1(TC到90°C之间，通过内置温度传感器测量循环液体温度，根据温度通过控制加热棒 的工作，达到控温效果，其通过油泵出入水口的流量计测量流量，得到流量读数，根据需要 通过控制阀门控制水流，从而达到控制流速的效果，油泵的最大功率可以达到50L/min。
[0044] 图3为本发明桩周土体中的温度传感器布置示意图，如图3所示，温度传感器插入 槽7的每个槽口间距根据试验设计方案中温度传感器的布置距离进行制作，插入槽7的每 个槽口的大小根据温度传感器的大小进行制作，优选地，温度传感器插入槽7在桩体周围 呈几何形状分布，如正方形，可选地为数量为8个，温度传感器插入槽7的相隔距离根据试 验所需温度场测量范围决定。
[0045] 其中，为了保证能量桩4受力均匀，堆载装置的堆载物位于加载板2的几何中心， 且加载板板2的几何中心和能量桩4的桩横截面中心位于同一坚直线上。这样可以保证加 载板板3受力均匀，进而也可以保证能量桩4坚向受力均匀。
[0046] 其中，在能量桩4的内壁空腔内注水，给予能量桩内部一个水域，使得循环导热液 体10和模型桩4的能量热传导加速并且均匀的进行。
[0047] 图4为本发明桩体钢筋笼上测量装置布置示意图。如图4所示，所述模型桩4为 现浇大直径管桩，钢筋应力计5贴覆在能量桩的钢筋笼16上，温度传感器8贴覆于能量桩 的桩体钢筋笼16上，并在钢筋应力计5和温度传感器8的表面涂玻璃硅胶防水，涂抹玻璃 硅胶是为了防水，保护钢筋应力计的读数在有水域影响的情况下能正常工作，将循环导管9 绑扎于钢筋笼的纵向钢筋上，将钢筋笼放置于成桩模具内，将导线和导管从模板靠近顶面 侧壁预留的孔洞引出，而后导入混凝土浇筑成桩。
[0048] 本发明还提供了一种能量桩测量方法，其包括以下步骤：
[0049] (1)将温度传感器8均匀分布在桩体钢筋笼16上，将循环导管9通过埋管式设在 桩体钢筋笼16上，并将该循环导管9与控温控流速循环水泵15相连接；
[0050] (2)将能量桩4置于土体3中，在温度传感器插槽7的不同深度槽口内安置温度传 感器8,并将该温度传感器8通过导线与温度采集仪14连接，将温度传感器8插槽放置于土 体3中，且布置于该能量桩4桩体周围；
[0051] (3)启动控温控流速循环油泵15,使得循环导热液体进入循环导管9,通过该循环 导管9与该能量桩4桩内进行能量交换，通过温度采集仪14采集温度传感器8的数据。该 测量装置可用于测量能量桩的桩身温度分布以及桩周温度分布特性。
[0052] 作为一实施例，本发明除了包括上述实施例相同的方法步骤外，还包括以下步骤： 启动控温控流速循环油泵15的同时，施加堆载荷载，将加载板平稳的放置于该能量桩4的 桩顶上，并将位移传感器10放置于加载板2的上面，通过位移传感器支座11固定在桩周该 土体3上表面；
[0053] 其中，启动堆载装置1，在加载板2上放置堆载物，该该能量桩4发生压缩变形，由 该位移传感器10读出该能量桩4桩体沉降量。
[0054] 作为一实施例，本发明除了包括上述实施例相同的方法步骤外，还包括以下步 骤：
[0055] 在所述步骤（1)中，将钢筋应力计5贴覆于桩体钢筋笼16上，并在钢筋应力计5 表面涂抹硅胶，将该钢筋应力计5与频率仪13相连接；
[0056] 在所述步骤（2)中，将正弦式土压力盒6固定在桩体底部，并将正弦式土压力盒6 与频率仪13相连接；通过频率仪13对钢筋应力计的数据进行采集，得到该能量桩4的桩端 应力。
[0057] 具体地，该测量装置采用堆载装置1来进行能量桩体顶部的加载，采用控温控流 速循环油泵15将循环导体10压入循环导管9进行PCC能量桩温度循环的模拟，适用于PCC 能量桩的各种静载热力学室内试验。
[0058] 该测量装置的安装过程是：首先，浇筑PCC能量桩并布设测量元件：将正弦式土压 力盒6固定在能量桩4的底部，且土压力盒大小按照模型桩界面尺寸制作，并将正弦式土压 力盒6与频率仪13相连接；将钢筋应力计5和温度传感器8贴覆于能量桩钢筋笼16的上， 并将钢筋应力计5和频率仪13相连接，温度传感器8与温度采集仪相连接，将钢筋笼16放 置于PCC桩成桩模具中，浇筑混凝土成桩；将能量桩4置于桩周土体3中；按照试验方案在 钢筋笼16的不同深度位置布设温度传感器8,并将温度传感器8通过导线与温度采集仪14 相连接；在温度传感器插槽7的不同深度槽口内安置温度传感器8,并将温度传感器8通过 导线与温度采集仪14连接，将温度传感器插槽7放置于桩周土体4中，并距离能量桩4预 定距离；然后，将循环导管9按照预定的导管布置形式绑扎与钢筋笼16上，并通过能量桩4 距离桩顶一定距离的侧表面，并将循环导管9与控温控流速循环油压泵15相连接；接着，将 加载板2平稳的放置于能量桩4的桩顶上，并将位移传感器10放置于加载板2的上表面， 同时通过位移传感器支座11固定在桩周土体4的上表面；最后，启动堆载装置，按照试验方 案，将预先准备的堆载物平稳的于加载板的中心位置逐级放置。
[0059] 该测量装置的测量过程是：启动堆载装置1后，模型桩4发生压缩变形，通过频率 仪13对钢筋应力计5以及正弦式土压力盒6的数据进行采集，经换算可得到能量桩4的桩 身应力及桩端应力。
[0060] 启动堆载装置1施加荷载后，启动控温控流速循环油泵15,使得循环导体10进入 循环导管9,并在能量桩4内通过水域加速与之进行能量交换。通过温度采集仪14采集温 度传感器8的数据，从而可得到能量桩4的桩周土体3的温度场以及能量桩4的桩身温度 场分布情况。
[0061] 作为本发明一优选实施例，本发明提供的能量桩测量装置和方法适用于PCC能量 桩，除此之外，本发明的能量桩桩身温度分布测量装置和方法还可适用于预制管桩和灌注 桩，现浇桩类型能量桩等的测量。
[0062] 本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。应当指 出：对于本【技术领域】的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种能量桩测量装置，其包括： 能量桩（4)，具有桩体钢筋笼（16)，置于土体（3)内； 控温控流速循环油泵（15)，置于该能量桩（4)桩周该土体（3)外； 多个传感器插入槽（7)，均匀布置于该能量桩（4)桩周该土体（3)内； 多个温度传感器（8)，散布于该传感器插入槽（7)内以及均勻分布在桩体钢筋笼（16) 上； 温度采集仪（14)，通过导线与该温度传感器（8)连接； 循环导管（9)，设于该桩体钢筋笼（16)上，该循环导管（9)内设循环导热液体（12); 其中，该循环导管（9)与该控温控流速循环油泵（15)连接。
2. 如权利要求1所述的能量桩测量装置，其特征在于：还包括堆载装置（1)、加载板 (2)、位移传感器（10)，其中，该位移传感器（10)放置于该加载板（2)的上表面，且该位移 传感器（10)通过位移传感器支座（11)固定在该能量桩（4)桩周土体（3)的表面。
3. 如权利要求1或2所述的能量桩测量装置，其特征在于：还包括频率仪（13)、钢筋应 力计（5)，正弦式土压力盒（6)，其中，该钢筋应力计（5)固定于该桩体钢筋笼（16)上，该正 弦式土压力盒（6)固定在桩体底部，且该钢筋应力计（5)和该正弦式土压力盒（6)通过导 线与该频率仪（13)连接。
4. 如权利要求1或2所述的一种能量桩测量装置，其特征在于：该温度传感器插入槽 (7)在桩体周围呈几何图形布置，该温度传感器插入槽（7)的相隔距离可根据需要调节。
5. 如权利要求3所述的一种能量桩测量装置，其特征在于：该能量桩（4)为现浇大直 径薄壁管桩管，该钢筋应力计（5)和该温度传感器（8)贴覆于该能量桩（4)的该桩体钢筋 笼（16)上，并在该桩体钢筋笼（16)表面涂玻璃硅胶防水，且将该循环导管（9)绑扎于该钢 筋笼（16)的纵向钢筋上，将该钢筋笼（16)放置于成桩模具内，将导线和导管从靠近顶面侧 壁预留的孔洞引出，导入混凝土浇筑成桩。
6. 如权利要求5所述的一种能量桩测量装置，其特征在于：通过该控温控流速循环油 泵（15)对该循环导热液体（12)控温控流，且在该能量桩（4)的空腔内注水加速与该循环 导管（9)的热交换。
7. 如权利要求6所述的一种能量桩测量装置，其特征在于：该循环导热液体（12)为水 或者防冻液，其温度范围控制在在-l〇°C到90°C之间。
8. -种能量桩测量方法，其包括以下步骤： (1) 将温度传感器（8)均匀分布在桩体钢筋笼（16)上，将循环导管（9)通过埋管式设 在桩体钢筋笼（16)上，并将该循环导管（9)与控温控流速循环水泵（15)相连接； (2) 将能量桩（4)置于土体（3)中，在温度传感器插槽（7)的不同深度槽口内安置温 度传感器（8)，并将该温度传感器（8)通过导线与温度采集仪（14)连接，将温度传感器（8) 插槽放置于土体（3)中，且布置于该能量桩（4)桩体周围； (3) 启动控温控流速循环油泵（15)，使得循环导热液体进入循环导管（9)，通过该循环 导管（9)与该能量桩（4)桩内进行能量交换，通过温度采集仪（14)采集温度传感器（8)的 数据。
9. 如权利要求8所述的一种能量桩测量方法，其特征在于：还包括以下步骤： 启动控温控流速循环油泵（15)的同时，施加堆载荷载，将加载板平稳的放置于该能 量桩（4)的桩顶上，并将位移传感器（10)放置于加载板（2)的上面，通过位移传感器支座 (11)固定在桩周该土体（3)上表面；其中，启动堆载装置（1)，在加载板（2)上放置堆载物， 该该能量桩（4)发生压缩变形，由该位移传感器（10)读出该能量桩（4)桩体沉降量。
10.如权利要求8或9所述的一种能量桩测量方法，其特征在于：还包括以下步骤： 在所述步骤（1)中，将钢筋应力计（5)贴覆于桩体钢筋笼（16)上，并在钢筋应力计（5) 表面涂抹硅胶，将该钢筋应力计（5)与频率仪（13)相连接； 在所述步骤（2)中，将正弦式土压力盒（6)固定在桩体底部，并将正弦式土压力盒（6) 与频率仪（13)相连接； 通过频率仪（13)对钢筋应力计的数据进行采集，得到该能量桩（4)的应力。
【文档编号】G01N25/20GK104142357SQ201410385548
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】黄旭, 孔纲强, 刘汉龙, 王成龙, 高磊, 彭怀风 申请人:河海大学