一种内嵌热交换管式螺钉桩及其施工方法

本发明涉及螺钉桩，尤其涉及一种内嵌热交换管式螺钉桩及其施工方法。

背景技术：

1、随着城市化的不断推进，土地资源紧张，超高层建筑物不断涌现，而高层建筑物修建时需要在地基有限的空间内实现更大的承载能力。此外，交通、能源和水利等大型基础设施项目不断扩大，并对建筑结构的抗震、抗风等能力提出了更高的要求。在上述多重因素共同推动下，桩基础得到了广泛应用，并且随着可持续发展理念的深入贯彻落实，对桩基工程的设计提出了更高的要求。

2、灌注桩和预制桩是常见的桩基类型，灌注桩施工周期长、对现场条件要求高、噪音和振动较大，且在软土或高水位地区施工难度较大。随着大型基础工程的增多，预制桩以其施工速度快且质量易于控制的优点得到更多的关注，螺钉桩即为预制桩中的一种。

3、现有技术中的螺钉桩包括空心螺钉桩和预应力螺钉桩，其中空心螺钉桩能节省混凝土用料，降低成本，但其承载能力无法保证；预应力螺钉桩预制过程相对复杂，包括张拉预应力钢筋的工序，需要高水平的技术和严格的施工控制，所以预制过程较为复杂。因此，现有各种预制螺钉桩型受到承载能力以及安装技术的限制，预制难度较大，实现成本较高，且桩体的制作过程中应用了大量混凝土，所需原料较多。因此，本发明提供一种低成本、高强度、高承载能力的螺钉桩。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种内嵌热交换管式螺钉桩及其施工方法；以解决现有技术中螺钉桩预制成本高、桩体承载能力差的问题。

2、第一方面，为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种内嵌热交换管式螺钉桩，包括热交换管、桩帽、钢构螺牙、桩身和桩尖；桩帽为圆盘体结构，圆盘体结构内部开有孔洞；桩帽下方连接有桩身，桩身底部连接有桩尖；桩身周围盘旋缠绕设置有钢构螺牙；热交换管穿设于钢构螺牙内部，并沿着钢构螺牙缠绕设置在桩身周围；热交换管的两端均从孔洞中穿出；桩身为直径上大下小的锥形中空筒体结构；桩身包括混凝土主体，混凝土主体顶部和底部分别连接桩身和桩尖；混凝土主体外表面包裹有钢构外层；混凝土主体内表面连接有空心钢锥。

4、在本方案中，螺钉桩使用钢混结合式的空心设计，在桩身的外表和内壁分别贴附钢构外层和空心钢锥，混凝土主体被包裹在钢构外层和空心钢锥中间，该设计不仅实现了螺钉桩的空心结构，节省了混凝土原料，同时混凝土主体内外侧的钢材能保证混凝土主体在负载时不发生形变，提高了螺钉桩的负载能力；热交换管穿设于钢构螺牙内部，螺钉桩沉入土体时钢构螺牙与土体直接接触，增加了换热面积，提高了换热效率。

5、进一步地，孔洞包括入水孔洞和出水孔洞；桩身侧面开设有桩顶接口和桩底接口，桩顶接口和入水孔洞内腔相通；

6、热交换管包括入水管、螺旋管和出水管；入水管依次穿过入水孔洞和桩顶接口与螺旋管的一端连接，螺旋管容置在钢构螺牙内部，螺旋管另一端与出水管连接；出水管从桩底接口穿入桩身内部，并从出水孔洞穿出桩帽。

7、在本方案中，螺旋管设置在钢构螺牙内部，沿着钢构螺牙缠绕在桩身周围，钢构螺牙的导热性较好，螺旋管设于其内部能通过其与土体实现充分的热交换，相对于将螺旋管设于混凝土内部提高了换热效率，使得螺钉桩能充分的提取地热能。

8、进一步地，钢构螺牙的横截面为三角形结构，三角形结构的一边抵接在桩身上并与桩身形成密闭空腔；螺旋管穿设在密闭空腔内。

9、在本方案中，钢构螺牙截面为三角形结构，与桩身连接时三角形结构的一边与桩身连接，连接面积大，连接牢固；且该设计在预制螺钉桩时，先将热交换管设置在钢构螺牙内部，再将钢构螺牙连接在桩身上即可实现热交换管和钢构螺牙的安装，安装方便，预制成本低。

10、进一步地，桩顶接口和钢构螺牙连接处、桩底接口和钢构螺牙连接处均使用混凝土和密封胶进行密封。

11、在本方案中，使用混凝土和密封胶进行密封，保证热交换管被封闭在钢构螺牙内部，防止螺钉桩在沉桩或后续负载过程中土体与热交换管直接接触，延长了螺钉桩的使用寿命。

12、进一步地，桩帽包括钢构桩帽和混凝土桩帽；钢构桩帽包裹在混凝土桩帽外；钢构桩帽连接于钢构外层顶部，混凝土桩帽连接于混凝土主体顶部。

13、在本方案中，设计钢构螺帽，且钢构桩帽与钢构外层连接，混凝土桩帽和混凝土桩身被钢构桩帽和钢构外层包裹，提高了螺钉桩的封闭性；且设计钢构螺帽，施工中安装若干个螺钉桩时可以通过钢构螺帽将若干个螺钉桩焊接在一起，连接方便，实现成本低。

14、进一步地，桩尖包括钢构桩尖和混凝土桩尖，钢构桩尖包裹在混凝土桩尖外；钢构桩尖连接于钢构外层底部，混凝土桩尖连接于混凝土主体底部。

15、在本方案中，在螺钉桩沉入土体中时，钢构桩尖直接与土体接触并钻入其中，该过程中钢构桩尖承受大部分的螺钉桩沉降阻力；设计钢构桩尖包裹混凝土桩尖，提高了桩尖的尖锐度和耐磨性。

16、进一步地，钢构外层的热传导系数范围为50-80w/(m·k)；混凝土主体的热传导系数范围为1.5-2w/(m·k)。

17、第二方面，本发明基于第一方面提供的内嵌热交换管式螺钉桩，提供一种内嵌热交换管式螺钉桩的施工方法，包括以下步骤：

18、s1：确定螺钉桩位点；

19、s2：在螺钉桩位点旋入螺钉桩；

20、s3：对螺钉桩进行质量检测。

21、在本方案中，将螺钉桩旋入螺钉桩位点，施工简易高效，相对于灌注桩操作难度小，施工成本低。

22、进一步地，s1包括：

23、s101：进行地质勘测，并根据勘探结果确定螺钉桩的安装位置和安装深度；

24、s102：根据安装位置放出桩位控制点和控制轴线，确定螺钉桩位点；

25、s2包括：

26、s201：螺旋桩机进入施工现场，并使螺旋桩机的旋桩孔位于螺钉桩位点正上方；

27、s202：将螺旋桩机的套管固定在螺钉桩的桩帽上，通过螺旋桩机起吊螺钉桩，使螺钉桩的桩尖对准螺钉桩位点；

28、s203：在螺旋桩机的正面和侧面同时使用经纬仪对螺钉桩进行校正，两台经纬仪与螺钉桩的连线互成90°，使螺钉桩与导杆平行；

29、s204：启动螺旋桩机，螺旋桩机驱动螺钉桩旋转钻入土体；螺钉桩钻入至安装深度后螺旋桩机停止运行；

30、s205：重复操作步骤s202-s204；在施工场地安装若干个螺钉桩，安装完成进入s206；

31、s206：将若干个螺钉桩进行连接，使若干个螺钉桩组合成一个整体；并将若干个螺钉桩的热交换管与热泵机组连接，形成热循环系统；

32、s3包括：

33、s301：对螺钉桩进行螺钉桩的垂直度检测和若干个螺钉桩之间的连接强度检测；

34、s302：清理施工现场，处理施工废弃物。

35、在本方案中，通过螺钉桩的桩帽将螺钉桩固定于螺旋桩机上，并启动螺旋桩机将螺钉桩旋入土体，使用该施工方法安装螺钉桩后螺钉桩与土体之间接触紧密，螺钉桩安装稳固；且安装若干个螺钉桩并将其连接为一个整体，在承载负载时各个螺钉桩之间相互配合共同分担负载压力，提高螺钉桩地基的承载能力。

36、进一步地，s1包括：

37、s101：进行地质勘测，并根据勘探结果确定螺钉桩的安装位置和安装深度；

38、s102：根据安装位置放出桩位控制点和控制轴线，确定螺钉桩位点；

39、s2包括：

40、s201：螺旋桩机进入施工现场，并使螺旋桩机的旋桩孔位于螺钉桩位点正上方；

41、s202：在螺钉桩位点钻取引孔；并清理引孔内部的泥浆和杂物；

42、s203：将螺旋桩机的套管固定在螺钉桩的桩帽上，通过螺旋桩机起吊螺钉桩，并使螺钉桩的桩尖对准引孔；

43、s204：在螺旋桩机的正面和侧面同时使用经纬仪对螺钉桩进行校正，两台经纬仪与螺钉桩的连线互成90°，使螺钉桩与导杆平行；

44、s205：启动螺旋桩机，螺旋桩机驱动螺钉桩旋转钻入土体；螺钉桩钻入至安装深度后螺旋桩机停止运行；

45、s206：重复操作步骤s202-s205；在施工场地安装若干个螺钉桩，安装完成进入s207；

46、s207：将若干个螺钉桩进行连接，使若干个螺钉桩组合成一个整体；并将若干个螺钉桩的热交换管与热泵机组连接，形成热循环系统；

47、s3包括：

48、s301：对螺钉桩进行螺钉桩的垂直度检测和若干个螺钉桩之间的连接强度检测；

49、s302：清理施工现场，处理施工废弃物。

50、在本方案中，进行沉桩时先在螺钉桩位点钻取引孔，并在引孔上安装螺钉桩，保证螺旋桩机驱动螺钉桩旋转时螺钉桩的钢构螺牙嵌入引孔内壁，使得螺钉桩旋转时钢构螺牙相对土体螺旋前进，以提供螺钉桩下沉的牵引力；该施工方法适用于在硬质地基中沉入螺钉桩。

51、本发明的有益效果是：

52、本发明提供的内嵌热交换管式螺钉桩内部采用空心结构，空心结构的内壁设有空心钢锥，外壁设有钢构外层，钢构外层和空心钢锥可以提高螺钉桩的承载能力，且采用空心设计能降低桩体的原料成本；设计钢构外层还方便于安装钢构螺牙；在钢构螺牙内部设计热交换管，兼备采集地热能的功能，并将热交换管设计在钢构螺牙可以实现地热能的高效提取。

53、本发明提供的内嵌热交换管式螺钉桩的施工方法通过螺旋桩机直接将螺钉桩旋入土体，该方式安装的螺钉桩稳固可靠，且相对现有的灌注工艺施工简单高效，成桩质量高；安装若干个螺钉桩后将其相互连接成整体，进一步的提高了螺钉桩整体的承载能力。