钻孔灌注桩内地源换热器埋管的桩基设计和埋管方式探讨
摘要：地源热泵空调系统在节能减排方面具有重要意义,近年来受到建设单位和社会的进一步关注。地源换热器的埋设有 多种形式,在钻孔灌注桩内埋管既满足其工作原理,又节约了施工成本,这种方式目前还处于探索阶段,在桩基设计和埋管工艺方 面还缺乏衔接。以下对钻孔灌注桩内地源换热器埋管的桩基设计条件以及埋管方式做一些探索,希望能够摸索出一些桩基设计 方式和施工方法,为地源热泵系统的推广和应用提供参考。
地源热泵技术作为可再生能源利用的一种,且 不会对本地区地下水的平衡造成任何影响,因此既 可节能减排又具有重大环保意义。
1地源热泵的原理
地源热泵是利用循环水与浅层地热进行冷热交换, 达到既可供热又可制冷的高效节能空调系统。系统主要分三部分:地源换热系统、热泵机组和空调末端系统。其中地源换热系统是通过循环水在封闭地下埋管中的流动(地源换热器),实现系统与大地之间的热交换。
2地源埋管的设置
地源埋管分水平埋管和竖直埋管。竖直埋管就是把换热器(循环水管)埋入地下,目前多数直接钻孔埋管(埋入预制管桩中也有应用实例),将换热器管埋 入钻孔灌注桩中的方式,应用还不多,见图1。
3桩基设计对埋管工艺的要求
在钻孔灌注桩内地源换热器埋管,根据钻孔灌注桩的设计桩径、钢筋笼设计长度不同,决定了不同埋管工艺。
3. 1桩径的设计
设计桩径在700 mm以下,同时钢筋笼设计到 孔底时(见图1),采用换热器管分段绑扎在钢筋笼 主筋上,随钢筋笼一起下放到孔底。每节钢筋笼之 间的分段换热器管采用热熔焊接。
3. 2钢筋笼的设计
设计钢筋笼不到孔底,同时设计桩径在750mm 以上时(见图2),采用换热器管整根随桩机导管一起下放到孔底。
4埋管工艺对桩基设计的要求
地源换热器埋管施工工艺不同,对钻孔灌注桩的主筋直径、主筋分布方式的设计也有一定的要求。
4. 1换热器埋管随钢筋笼下放
(1)为保护换热器管不被桩机导管碰伤,设计 主筋直径不小于32mm时,换热器埋管紧贴主筋根部与箍筋扎牢(见图3);或者设计主筋直径小于 32mm且不小于16mm时,采用其中两根主筋与另两根主筋叠放的布筋方式(见图4);若主筋直径小 于16mm时,采用其中两根主筋与另两根主筋叠放的布筋方式,同时在叠放的两根钢筋之间焊接垫筋, 以保护换热器管(见图5)。
(2)为保证换热器管埋置深度,钢筋笼必须设计到换热器需要的深度。若钢筋笼主筋上下数量不同,当主筋直径不小于32mm时,且根数不少于6根(见图6);当主筋直径小于32mm时,主筋不少于8 根(见图7),以保证钢筋笼成圆形同时有利于钢筋叠放。
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4. 2换热器管随桩机导管下放
这种埋管工艺目前应用比较普遍,但笔者认为该工艺的废管率较高,所以本文仅作简单描述。该工艺在设计和施工上应注意以下几点:
(1)设计方面:钢筋笼直径应不小于750mm,否则换热器水管和钢筋笼之间的距离太近,容易卡住或碰伤换热器管。该工艺的换热器管与桩机导管的固定,采用导管下部卡套管支架的方式,将换热器埋管随导管下放到孔底(见图8)。
(2)施工时,混凝土灌注过程中桩机导管切忌大幅度“串管”操作,当桩内混凝土浇筑高度达到 6m左右时,拆除部分导管。
(3)换热器管在下放前,制作完成后,即开始打压,并带压下管。
4. 3桩顶处理
换热器管在桩顶由竖直埋管变为水平走向的水 平埋管,水平埋管位置一般是在垫层下或垫层内(见图9)。此时的桩顶处理尤为重要。
(1)截桩时应严格保护桩内埋管,要求先从底 部找出埋管位置,凿开后截断管子并封堵完再开始 截桩,截桩至桩顶以上30 cm左右,采取精修的方式 凿桩。
(2)埋管需从桩内引出后变为水平走向,如换 热器管道在桩中间露出,需要用手动风镐在桩头上开槽,管道从槽中连接至垫层下,如果桩头被破坏, 则需要浇垫层时在桩头周围留一定坡度,接桩或在底板浇筑时一起浇捣,不得随意补平。
(3)考虑到底板钢筋安装时对管道的保护,一般要求桩顶管子水平引出时低于大底板垫层底标高,所以对桩顶周边一般采用局部承台设计的处理方式较为简单实用。
(4)若为双U管,四根换热器管引出桩头后,将 双U管的两个U型管中每个拉出一根,在桩顶附近 焊接连接,形成W管,另两根管分别编号,保证一进 一出,且在同一回路,避免混淆。
5换热器埋管随钢筋笼下放工艺
5. 1换热器管的制作
结合钻孔灌注桩钢筋笼一般采用分段制作、分 段安装的工艺特点,换热器管也应分段制作、分段安 装,底部用U型弯头热熔承插连接,使管子连接成U 型,并用胶带绑缚加固。
钢筋笼制作完成,即可进行换热器管的绑扎工 作,绑扎时应注意:
(1)管子应紧贴主筋根部,用塑料扎带绑扎在 箍筋上;
(2)绑扎点应均匀布置,间距为每两道箍筋绑 一点。
(3)第一节钢筋笼(底笼)上部预留1m管长,下 部距钢筋笼底40 cm左右;中间钢筋笼两端各预留 1m管长。最上部一节钢筋笼的绑管长度应根据自 然地面标高确定,甩出孔口约2 m长,以便打压试 验。
(3)放钢筋笼时,需待钢筋笼接头焊接就位、换热器管连接完毕后,再将管子绑扎在钢筋上。
(4)绑扎制作完的管子两端应封口处理,防止 杂物进入管道。
5. 2换热器焊接、安装
(1)两节钢筋笼就位后钢筋接头焊接之前,应对换热器管采取保护措施(橡塑保温棉套管),以防止电焊火花或电焊高温烫伤换热器管。
(2)橡塑保温套管施工方便,具有隔热效果,且橡塑保温材料具有阻燃性,可有效保护换热器管。长度一般在80 cm左右。橡塑保温套管结构见图10。
(3)钢筋笼焊接完,待焊接点冷却20min后,方 可进行换热器管的热熔焊接(严禁采用泼水的方法对钢筋笼焊接点冷却)。热熔焊接完成后,按照要 求进行扎带绑扎。
(4)橡塑保温套管在热熔焊接前拆除,可再利用。
(5)钢筋笼放置完成后,桩机导管下放前,应对 整组连接完毕的换热器管进行密闭打压试验,试验压力根据地下室深度一般不小于0. 6MPa(10 min 压降小于0.05MPa)即为合格。
(6)打压试验合格后两端应用管帽封闭,以防止水泥浆进入管内,同时保持管道内存水,在混凝土浇灌时保证换热器管不变形。
(7)若打压试验不合格,则本桩位换热器管埋设报废。应立即通知设计单位调整至其他桩位埋管。
6结语
地源热泵系统的换热器埋管技术有多种方式,本文针对目前应用较少的钻孔灌注桩内埋管的设计条件和施工工艺衔接方面重点进行探讨,希望能够摸索出一套完整的、成熟的设计方式和施工方法,对地源热泵系统的推广和应用提供实践依据。该技术目前尚处于初步探索阶段,成熟的设计条件和施工 工艺还需要在更多工程实例中进一步完善。
