低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩
专利汇可以提供低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种低温 地 热能 转换 水 泥土湿法搅拌桩，它通过在 水泥 土湿法搅拌桩插入各形状的管状换热器装置进行承载、挡土支护、地基加固的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到桩基和 地源 热 泵 预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。在水泥土湿法搅拌桩的桩身水泥土未 凝固 之前，通过人 力 或机械迅速插入竖直的U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器。搅拌桩桩身内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填交换 流体 ，通过管状换热器系统中的交换流体与水泥土桩身、桩周土－水系统进行热交换，形成封闭式 地源热泵 的地下低温地热能交换器。，下面是低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩专利的具体信息内容。
1.一种低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，在水泥土湿法搅拌桩的桩身中，直接下置U型管状换热器或 螺旋型盘管换热器或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管。水泥土湿法搅拌桩的桩身的各类管状换热 器与地表管路连接，换热器管路内充填交换流体，通过管状换热器系统中的交换流体与水泥土桩身、桩周 土-水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。
2.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：本技术中水泥土湿法搅拌桩的 桩身内插入U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管，其采用的水 泥土湿法搅拌桩与目前常规的水泥土湿法搅拌桩的桩型、尺寸、力学性能、原材料及构造要求、设计、选 型、生产验收、成桩完全一样，均按国家有关规范执行。
3.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：本技术采用的水泥土湿法搅拌 桩施工过程中，一定要在水泥土强度较低时插入管状换热器，最好在搅拌桩施工之后立刻进行。
4.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：水泥土湿法搅拌桩施工完成后， 在管内居中插入各类高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径为19mm-38mm，管状换热器 的竖向高度约等同于桩长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，管状换热器外壁距搅拌桩外壁在 50mm-100mm之间。
5.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：在管桩管内下置各类高强度聚 乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，其形状可以是U型管形状换热管、螺旋型盘管形状换热器或其它 形状的管状换热器，各类管状换热器下到搅拌桩桩身内，并成为地源热泵的地下循环换热系统。
6.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：下置的各类管状换热器采用的 插入方法可以是人力方法或机械方法。
7.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：安置在桩体中的各类型管状换 热器中需要充填热交换流体，该流体采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型循环系统。
8.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：管状换热器出口向上并绑扎一 定厚度的保温材料，绑扎的长度约为0.5m-2.0m，形成的管状换热器系统连接地表交换管路、水泵和满足 实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。
9.根据权利要求1所述的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，其特征是：安置在桩体中的U型管状换热 器系统或螺旋型盘管换热器系统或其它形状的管状换热器系统，其间隔距离是灵活可调节的，可以设置 1m、2m或调桩间隔。
所属技术领域：
本发明涉及地基加固、建筑物基坑支护技术与封闭式地源热泵技术相结合，是一种利用水泥土湿法搅 拌桩初始强度较低的桩身中插入管状换热器装置进行低温地热能转换的水泥土湿法搅拌桩，该装置既具有 传统桩基的承载又具备低温地热能循环换热能力的多功能水泥土湿法搅拌桩。
背景技术：
目前，公知的水泥土湿法搅拌桩主要是指利用水泥土湿法搅拌形成的水泥土加固体，可作为竖向承载 的复合地基；基坑工程围护档墙、被动区加固、防渗帷幕以及大体积水泥稳定土等。加固体形状可分为柱 状、壁状、格栅状或块状等。搅拌头可以是单头或双头，桩体成圆柱型或局部重叠双圆柱型，以水泥为主 作为加固料，桩径根据施工机械、设计要求而定，一般单桩径为700mm。不同型号水泥土湿法搅拌桩的直 径、力学性能、加固料及构造要求、设计、选用、生产验收、成桩等方面要求均符合中华人民共和国行业 标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)、《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)和《建筑基坑支护 技术规程》(JGJ120-99)中相应规定。在公开的已有公知技术，已有几种改进专利，ZL95117076.7， ZL97111925.2，ZL98125100.5的发明专利申请公开书公开的几种改进水泥土湿法搅拌桩是这样实现的，在水 泥土中插筋或挂网喷射混凝土等，另外20世纪80年代从日本引进的SMW(Soilmixing Wall)工法，即在搅 拌桩中插入H型钢，若是支护类临时工程，工程完成后可以抽出H型钢再利用(张璞，柳荣华，SMW工法在 深基坑工程中的应用，岩石力学与工程学报，2000(19)：1104-1107)，另外为降低成本，也有插入钢筋或 毛竹等物以增加桩体刚度。
各口径水泥土湿法搅拌桩的构造一般是由参入不同加固料、加固料的不同配和比、有(无)插入钢筋 (H型钢、毛竹等)等构成，横截面为圆形或局部重叠双圆形的介于刚性桩与柔性桩之间的桩基，起承载、 挡土支护、地基加固等作用。但尚无利用地热梯度的功用，这忽视了水泥土湿法搅拌桩的入土换热作用。 而在中纬度地带，地温与地面环境相比，5-10m以下全年地温基本可以稳定于年平均温度，可以分别在夏 冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度(高青，于鸣，效率高、环保效能好的供热制冷装置一 地源热泵的开发与利用，吉林工业大学自然科学学报，2001年4月，Vol.31(2)：96-102)，此为地 源热泵的工作原理。目前地源热泵技术的埋管方法主要是预钻孔直接埋设U型聚乙烯管，其费用很高，- 般可占总投资的一半以上，远大于相同条件下的电动热泵等的初投资(姜宝成，王永镖，李炳熙，地源热泵 的技术经济性评价，哈尔滨工业大学学报，2003年2月第35卷第2期，195-202)，这给该技术的发展造 成困难。另外，这种钻孔直埋式U型管状换热器施工工艺复杂，需要在U型管弯头部绑扎重物增加配重、 U型管内预充填热交换流体，用人力下管，费力且精度难以保证(庄迎春，孙友宏，地源热泵地下直埋式换 热器的施工，探矿工程(岩土钻掘工程)，2002，No.3：10-11)。关于桩内埋管，国内有人提出过U型桩 埋管换热器的概念，但该法本质上还是传统地源热泵的钻孔直接埋设U型换热管的改进，仅把钻孔中的填 料改为水泥浆，并没有考虑承载问题。(赵军，李新国等，地源热泵在实际工程中的应用与研究，建筑施 工技术(天津建筑科技)，2003，No.5：14-16)。虽然国外也有人提过桩埋换热器的概念，但都是基于 高强度聚乙烯U型盘管混凝土灌注实心截面桩(Laloui Lyesse，Moreni Matteo，Vulliet Laurent，Behavior of a bi-functional pile，foundation and heat exchanger，Canadian Geotechnical Journal，v 40，n 2，April，2003，p 388-402.)，这些基于钻孔或各种混凝土灌注桩中埋设管状换热器的缺点是：钻孔费用高，混凝土灌注桩 中的盘管换热器施工复杂，需要盘管绑扎钢筋笼等工序。而且在各类实心截面桩中盘管位置会出现局部材 料软化区和应力集中，影响桩身质量，对桩基的传统承载性能产生不利作用。另外各种聚乙烯材质的管状 换热器还有被挤压破坏的风险。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明采用的水泥土湿法搅拌桩与目前正常水泥土湿法 搅拌桩的桩型、尺寸、力学性能、原材料及构造要求、设计、选型、生产验收、成桩完全一样，均按国家 现行有关规范(中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)、《建筑地基基础设计 规范》(GB 50007)和《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99))执行。
水泥土湿法搅拌桩施工完成后，立即在搅拌桩身内通过人力或机械下置高强度聚乙烯或PVC或PPR材质 的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管垂直高度约等同于桩长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，其管 状换热器出口向上并绑扎一定厚度的保温材料，绑扎的长度约为0.5m-2.0m，管状换热器外壁距管桩内壁 在50mm-100mm之间，形状可以是U型换热管、螺旋型盘管、套管型换热管或“钻孔直埋式”方法中的其它 类型换热管。根据地源热泵的运行机理，这些管状换热器固定在搅拌桩桩身中，管状换热器中充填热交换 流体，该流体通常采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型低温地热能循环系统，安装地表交换管路、 水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。通过管状换热器内的交换介质与回填材料、桩身 和浅层土水系统的恒温层进行循环热交换，并通过地源热泵机组达到能量转化的目的，起到中央空调的作 用，若辅助以中央热水器等装置则可提供中央热水系统所需热量。
本发明的有益效果是，可以在发挥水泥土湿法搅拌桩传统的承载、挡土支护、地基加固的同时，在搅 拌桩身中压入的管状换热器即可以提高搅拌桩的刚度，又可以方便地进行浅部地热能的封闭循环转换，这 些搅拌桩身中的U型管、螺旋型盘管等管状换热器，可以起到传统封闭式地源热泵钻孔埋管的同样功效， 但节省了预钻孔的相关费用。而循环换热产生的温度荷载效应在水泥加固土的工作范围内，对桩基传统力 学能力无影响。
该桩基中采用的搅拌桩身中设置各类管状换热器技术可以消除埋管换热器实心截面灌注桩的各种缺 陷(实心截面灌注桩中由于聚乙烯交换管造成的桩身局部材料软化区)，完全可以达到垂直钻孔埋置换热 器的所有指标。另外，该技术还可以灵活设置管状换热器的间距，以U型换热管为例，可以根据热负荷要 求设置1m或2m间距的U型换热管，也可以隔一根桩设置一组U型换热管。管状换热器在搅拌桩身中，可以起 到钢筋、毛竹等传统插入物的作用，不影响搅拌桩的正常施工效率，仅仅是需要在常规搅拌桩施工结束后 迅速完成插入换热管，原因是一定要在水泥土强度提高之前完成插入管状换热器的工序，否则将难以插入。 由于这种施工工艺可以避免钻孔可能出现的缩径、流砂、塌孔等问题，同时搅拌桩身也起到钻孔套管的作 用，从而使在搅拌桩身中埋设换热器得以顺利施工，极大改进了钻孔埋设管状换热器的施工困难。
其次由于低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩桩身内的管状换热器本身具有很好的强度，可以节省常规 搅拌桩的插钢筋(H型钢、毛竹等)的材料费与人工费，同时也增强了搅拌桩桩的整体力学性能。最后由 于换热管管径、材质可以人工控制，可以根据不同的地区、不同的地质情况配置最优换热管，以增大热交 换效率和提高桩身强度。
该项技术首先是封闭性地源热泵的一种，具有封闭式地源热泵技术的先天优势。其可以消除开放式地 源热泵技术中的地下水污染问题，也可以避免开放式系统运行中的地下水资源使用费。其次针对传统封闭 式地源热泵技术预钻孔、直接埋设U型换热管等工序复杂、精度不高的施工缺点，以及整个埋置换热器的 高成本造成地源热泵技术初始投资过大的问题，本桩基技术可避免预钻孔及埋设换热管成本，仅此一项可 节约成本近一半且避免钻孔直埋换热管带来的施工问题。另外桩基内可灵活设置不同间距的各型换热管： U型换热管、螺旋型盘管或它们的组合，进一步减少施工成本。可见这些技术措施将减低整个地源热泵的 综合造价，地源热泵本身具有环保节能功用，而我国人工便宜，水泥土湿法搅拌桩市场巨大，若配合本技 术的推广使用，每年将带来数以亿计的经济效益和环境效益，又可以为国家节约大量的石油煤炭等不可再 生的战略资源。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的地源热泵原理图。
图2是低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩构造图。
图3是一组U型换热管的立体构造图。
图4是图2的横剖面图。
图5是低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩基坑围护挡墙构造图。
图6是基坑开挖的低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩基坑围护挡墙剖面图。
图7是低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩内置螺旋型换热盘管的构造图。
图8是低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩内置套管型换热器的构造图。
图中1.低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩，2.浅部土层，3.地表交换管路，4.地源热泵机组，5.建 筑物，6.交换流体流入，7.交换流体返回，8.U型管状换热管，9.管内交换流体，10.水泥土，11.桩 外壁，12.进水管，13.出水管，14.螺旋型换热盘管，15.套管型换热管
具体实施方式：
在图1中，地源热泵是利用地表浅层地热资源的低温位热能，冬季通过地热能转换水泥土湿法搅拌桩 (1)中的管状换热器中的热交换流体把浅部土层(2)中的热量提取出来，通过地表交换管路(3)和地源 热泵机组(4)供给建筑物(5)采暖；夏季把建筑物(5)热量取出来，通过地表交换管路(3)、地源热 泵机组(4)和水泥土湿法搅拌桩中的管状换热器(1)中的热交换流体释放到浅部土层(2)中去。
在图2所示实施例中，低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩(1)，其桩径有多种规定，整个桩身是水泥土 土(10)组成。桩身内居中下置一组如图3所示形状的聚乙烯或PVC或PPR材料的U型换热管(8)，U 型换热管(8)外沿距桩身外壁(11)的距离在50mm-100mm之间，长度比桩长短1m，换热器(8)最 终被安置在水泥土湿法搅拌桩桩身内。图4所展示的图2中的桩(1)横剖面图，在水泥搅拌桩(1)中U 型换热管(8)的位置，通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使U型管状换热器(8)中的管内 交换流体(9)与水泥土(10)、浅部土层(2)进行热交换。图5展示的是低温地热能转换水泥土湿法搅 拌桩(1)作为基坑围护挡墙时的构造图，图6是图5中当基坑开挖时，低温地热能转换水泥土湿法搅拌 桩(1)基坑围护挡墙剖面图。
在图7所示的另一个实施例中，低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩(1)内置螺旋盘管型换热管(14)。 螺旋盘管型换热管(14)由聚乙烯或PVC或PPR材料构成，螺旋型盘管(14)长度比桩长短1m-2m，居中直 接下置到水泥土搅拌桩身里，与桩外壁(11)的圆周距离在50mm-100mm之间，螺旋盘管型换热管(14) 底部距桩尖1m-2m，见图8。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使螺旋盘管型换热管(14)中 的管内交换流体(9)与水泥土(10)、浅部土层(2)进行热交换。
在图8所示的另一个实施例中，低温地热能转换水泥土湿法搅拌桩(1)内置套管型换热管(15)。套管 型换热管(15)由聚乙烯或PVC或PPR材料构成，套管型换热管(15)长度比桩长短1m-2m，居中直接下置 到水泥土搅拌桩身里，与桩外壁(11)的圆周距离在100mm-200mm之间，套管型换热管(15)底部距桩尖 1m-2m，见图10。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使套管型换热管(15)中的管内交换流体 (9)与水泥土(10)、浅部土层(2)进行热交换。
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