一种结构增强能源桩及设计施工方法

本申请涉及能源桩，特别涉及一种结构增强能源桩及设计施工方法。

背景技术：

1、由于能源桩能够从地层中获取浅层地热能，且具有节能减排和安全可靠等优点，使得能源桩有望在低碳建筑中得到广泛应用。

2、能源桩的桩体形成在钻孔内。当能源桩的桩基在承受抗拔力或能源桩在冬季服役时，桩体的混凝土将承受拉应力。桩体在拉应力的作用下容易产生裂缝，使得桩体开裂，能源桩的耐久性降低。

3、因此，如何避免桩体出现上述开裂现象，提高能源桩的耐久性已成为有待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请提供一种结构增强能源桩及设计施工方法，能够提高结构增强能源桩在降温或抗拔时抵抗开裂的能力，可以有效控制桩体裂缝宽度，提高了结构增强能源桩的耐久性和稳定性。

2、本申请实施例第一方面提供了一种结构增强能源桩，结构增强能源桩包括：

3、桩基，包括桩体和承台，承台连接于桩体的桩顶；

4、钢筋笼，包括钢筋笼体和换热管，钢筋笼体的周向内壁具有腔体；换热管位于腔体内，并与钢筋笼体连接，钢筋笼插设并固定在桩体内；

5、预应力构件，穿设于钢筋笼体的周向内壁和周向外壁之间；预应力构件的第一端在张拉后固定在桩顶；预应力构件的第二端沿桩体的长度方向延伸，并固定在桩体的桩底内。

6、进一步地，桩体为混凝土桩体，预应力构件不包括与混凝土桩体有粘接预应力的钢绞线。

7、进一步地，预应力构件包括与混凝土桩体无粘接预应力的钢绞线、与混凝土桩体缓粘接预应力的钢绞线、或者与混凝土桩体部分粘接预应力的钢绞线。

8、进一步地，预应力构件的第一端通过固定件固定在桩顶；

9、能源桩还包括固定在桩体内的固定组件，预应力构件的第二端通过固定组件固定在桩体的桩底内。

10、进一步地，固定组件包括挤压锚具、固定板、锚垫板和紧固件，预应力构件的第二端穿设在挤压锚具内，固定板和锚垫板通过紧固件连接于挤压锚具相对的两侧。

11、进一步地，钢筋笼体包括螺旋箍筋、主筋单元和加强箍筋，主筋单元包括多个与桩体的长度方向平行的纵筋；沿桩体的周向，多个纵筋对称分布在桩体内；

12、螺旋箍筋绕设在主筋单元的外侧，以形成钢筋笼体的周向外壁；加强箍筋位于主筋单元的内侧，以形成钢筋笼体的周向外壁；

13、预应力构件的数量为多个，沿加强箍筋的周向上，预应力构件和纵筋交替设置于螺旋箍筋和加强箍筋之间。

14、进一步地，多个预应力构件对称分布在桩体内；和/或，

15、换热管与纵筋平行设置，并与纵筋连接。

16、进一步地，钢筋笼体还包括多个阻挡件，多个阻挡件间隔设置在桩体的长度方向上，并与钢筋笼体连接；阻挡件位于换热管和振动插筋器之间，振动插筋器用于沉放钢筋笼；和/或，

17、钢筋笼体还包括防护板，防护板挡设于换热管远离承台的一端。

18、本申请实施例第二方面提供了一种结构增强能源桩的设计施工方法，应用于上任一项的结构增强能源桩，该设计施工方法包括：

19、在目标场地上形成钻孔，在钻孔内灌注混凝土；

20、将预应力构件和制作好的钢筋笼沉放在钻孔的混凝土内；

21、待混凝土的强度达到预设值时对预应力构件的第一端进行张拉；位于钻孔内的混凝土用于形成桩体；

22、在张拉结束后，将预应力构件的第一端固定在桩体的桩顶，并在桩顶继续浇筑混凝土，以在桩顶上形成承台；

23、待混凝土固化后，形成结构增强能源桩；

24、其中，预应力构件的第二端以及钢筋笼插设并固定在桩体内。

25、进一步地，在目标场地上形成钻孔，在钻孔内灌注混凝土，包括：

26、采用短螺旋挤扩钻头以第一转速在目标场地上钻至预设标高，形成钻孔，并对钻孔进行第一次挤扩，以使钻出的土体被挤入钻孔的孔壁；

27、以预设速度提升短螺旋挤扩钻头，通过短螺旋挤扩钻头对钻孔进行第二次挤扩，以使钻出的土体被挤入钻孔的孔壁；提升短螺旋挤扩钻头的过程中，通过短螺旋挤扩钻头压灌混凝土，以使混凝土对钻孔进行第三次挤扩；

28、其中，预设速度为1-5m/min，短螺旋挤扩钻头在提升过程中的转速为第二转速，第一转速和第二转速均为5-15r/min。

29、本申请实施例提供了一种结构增强能源桩及设计施工方法，通过钢筋笼中换热管的设置，以便结构增强能源桩能够从地层中获取浅层地热能，对地热能进行有效利用。在此基础上，通过预应力构件以及预应力构件的第一端在张拉后固定在承台上的设置，能够使桩体在施工完成后承受预先施加的压力，以提高结构增强能源桩在降温或抗拔时抵抗开裂的能力的同时，可以有效控制桩体裂缝宽度，提高结构增强能源桩在降温或抗拔时抵抗开裂的能力，增强结构增强能源桩整体的稳定性和耐久性。并且，预应力构件的预应力还会对桩体产生“泊松效应”，联合短螺旋挤扩钻头施工工艺，以使桩侧土体挤密，增强了桩土界面效应，从而提高桩基承载力和减小沉降变形。除此之外，预应力构件还可以兼作桩体受力的纵筋，能够减小钢筋笼体中普通钢筋(非预应力钢筋)的使用量。因此，本实施例提供的结构增强能源桩能够增强桩土界面效应，避免桩体出现开裂现象，提高桩体的承载力和耐久性，且具有节能环保和技术经济的优点，能够广泛应用于能源桩领域，尤其是抗拔(浮)能源桩

技术特征：

1.一种结构增强能源桩，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的结构增强能源桩，其特征在于，所述桩体为混凝土桩体，所述预应力构件不包括与所述混凝土桩体有粘接预应力的钢绞线。

3.根据权利要求2所述的结构增强能源桩，其特征在于，所述预应力构件包括与所述混凝土桩体无粘接预应力的钢绞线、与所述混凝土桩体缓粘接预应力的钢绞线、或者与所述混凝土桩体部分粘接预应力的钢绞线。

4.根据权利要求1所述的结构增强能源桩，其特征在于，所述预应力构件的第一端通过固定件固定在所述桩顶；

5.根据权利要求4所述的结构增强能源桩，其特征在于，所述固定组件包括挤压锚具、固定板、锚垫板和紧固件，所述预应力构件的第二端穿设在所述挤压锚具内，所述固定板和所述锚垫板通过所述紧固件连接于所述挤压锚具相对的两侧。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的结构增强能源桩，其特征在于，所述钢筋笼体包括螺旋箍筋、主筋单元和加强箍筋，所述主筋单元包括多个与所述桩体的长度方向平行的纵筋；沿所述桩体的周向，多个所述纵筋对称分布在所述桩体内；

7.根据权利要求6所述的结构增强能源桩，其特征在于，多个所述预应力构件对称分布在所述桩体内；和/或，

8.根据权利要求1-5中任一项所述的结构增强能源桩，其特征在于，所述钢筋笼体还包括多个阻挡件，多个所述阻挡件间隔设置在所述桩体的长度方向上，并与所述钢筋笼体连接；所述阻挡件位于所述换热管和振动插筋器之间，所述振动插筋器用于沉放所述钢筋笼；和/或，

9.一种结构增强能源桩的设计施工方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任一项所述的结构增强能源桩，所述设计施工方法包括：

10.根据权利要求9所述的设计施工方法，其特征在于，所述在目标场地上形成钻孔，在所述钻孔内灌注混凝土，包括：

技术总结
本申请提供一种结构增强能源桩及设计施工方法，结构增强能源桩包括桩基、钢筋笼和预应力构件以及短螺旋挤扩钻头成孔工艺。桩基包括桩体和承台，承台连接于桩体的桩顶。钢筋笼包括钢筋笼体和换热管，钢筋笼体的周向内壁具有腔体。换热管位于腔体内，并与钢筋笼体连接，钢筋笼插设并固定在桩体内。预应力构件穿设于钢筋笼体的周向内壁和周向外壁之间；预应力构件的第一端在张拉后固定在桩顶。预应力构件的第二端沿桩体的长度方向延伸，并固定在桩体的桩底内。本申请提供的结构增强能源桩能够提高在降温或抗拔时抵抗开裂的能力，可以有效控制桩体裂缝宽度，提高了结构增强能源桩的耐久性和稳定性。

技术研发人员：程晓辉
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17