适用于鼓式离心机的能量桩离心模型实验装置及使用方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种地源热泵系统桩埋管的离心模型实验，尤其涉及一种适用于鼓式离心机的能量桩离心模型实验装置及使用方法。

背景技术：

在桩基础中，由于单桩受力特征主要受桩-土相互作用影响，桩身应力特性往往使用线弹性模拟。合理模拟桩-土间相互作用，再现重力控制的土体应力水平，对于桩基模型实验具有重要意义。离心模型实验的基本原理是将土工模型置于高速旋转的离心机内，使之承受较高的离心加速度，用以补偿因模型缩尺导致的重力的损失。随着土工试验技术的快速发展，离心模型实验已经成为桩基研究的重要手段。

地源热泵技术是一种利用浅层地热源的新型节能减排技术，对于改善传统的石化能源结构，促进社会的发展具有重要意义。该技术利用浅层地热源温度基本不随季节发生改变的特性，通过换热管内液体流动使得上部建筑物和浅层地热源发生能量交换，从而达到制冷或采暖的目的。将换热管和传统混凝土灌注桩有机结合，所组成的新型桩基础即为能量桩。能量桩兼具桩基础和地源热泵作用，既能承担上部建筑荷载，又能提高地源热泵的换热效率，同时还能大幅度降低造价，解决换热管占用地下空间问题，因而逐渐受到工程技术人员的关注。

作为一种特殊的桩基础，能量桩在工作时受到热力耦合作用，其承载性能迥异于普通桩基础。在ng条件下，通过离心模型试验对能量桩工作性能进行研究，对于清晰认识热力耦合因素对能量桩的作用机理及其应用和推广，具有极为重要的意义。近年来国内外针对能量桩技术开展了大量1g条件下模型实验并取得了一定成果，然而ng条件下模型实验仍相对较少，且在温度控制方面较为粗糙，这极大地阻碍了能量桩的研究进展。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有实验装置的不足，提供一种适用于鼓式离心机的能量桩离心模型实验装置及使用方法，可在ng条件下对能量桩的工作机理展开研究。

本发明采用如下技术方案：

一种适用于鼓式离心机的能量桩离心模型实验装置，包括能量桩模型10和量测系统；

所述的能量桩模型10，主要由混凝土20、微型热交换管18、应变片和钢筋笼19组成；所述的微型热交换管18，外部由钢筋笼19支撑和包围，钢筋笼19外围覆盖和内部填充有混凝土20，构成圆柱形能量桩模型10的桩身；桩身外侧贴有多个应变片，用于测量桩身应变；桩身的桩头处设置有加载盖板16，便于加载和测量桩头位移；所述的能量桩模型10插在模型箱8内的桩周土体17内；所述的模型箱8的内侧壁涂有保温材料14，防止热量散失；

所述的量测系统，包括位移计11、力传感器12、微型土压力盒13和温度传感器阵列15；所述的位移计11安装于加载盖板16上，测量桩头位移；所述的力传感器12套在桩头上，固定在加载盖板16上，测量桩头荷载；所述的微型土压力盒13布置于桩周土体17中，位于能量桩模型10的一侧和底部，测量桩身周围和桩身底部水平土压和竖向土压的变化值；所述的温度传感器阵列15布置于桩周土体17中，位于能量桩模型10的另一侧，分别距离桩身轴心一倍、二倍、三倍和四倍桩径处，测量桩周土体温度的变化值。

所述的能量桩模型10，截面为圆形。

所述的混凝土20的强度为C20～C60，进行打磨或者在桩身粘一层细砂，用以改变桩身粗糙度。

所述的微型热交换管18，为聚乙烯材料，埋管形式为U形。

所述的保温材料14，为复合硅酸镁铝隔热材料。

一种适用于鼓式离心机的能量桩离心模型实验装置的使用方法，能量桩模型10和量测系统放置在模型箱8的桩周土体17内；鼓式离心机内鼓2位于鼓式离心机外鼓1的内部，冷热循环水泵3位于鼓式离心机外鼓1的外部；将两模型箱8对称固定于鼓式离心机内鼓2中，使两模型箱8的中轴线与鼓式离心机操控平台7、鼓式离心机作动器9的中轴线重合；能量桩模型10内的微型热交换管18通过旋转接头6，分别与冷热循环水泵3的出水管4和进水管5相连接，以改变桩身温度，实现冷热循环。

本发明的有益效果：通过在能量桩模型内部设置微型热交换管，微型热交换管和冷热循环水泵连接，可对桩身温度有效控制，实现冷热循环；桩身布置应变片，可测量桩身应变；桩周土体布设温度传感器阵列，可实现对桩周土体温度变化值的测量；桩侧布置微型土压力盒，可测量实验过程中的桩周水平土压力和竖向土压力的改变量；将模型箱布置于鼓式离心机中，可展开能量桩离心模型试验，研究其作用机理。本发明结构简单，经济适用，可操作性强，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例的整体布置示意图；

图2是本发明实施例的模型箱布置示意图；

图3是本发明实施例的量测系统示意图；

图4是本发明实施例的能量桩模型示意图；

图5是本发明实施例的能量桩模型的俯视图。

图中：1鼓式离心机外鼓；2鼓式离心机内鼓；3冷热循环水泵；4出水管；

5进水管；6旋转接头；7鼓式离心机操控平台；8模型箱；

9鼓式离心机作动器；10能量桩模型；11位移计；12力传感器；

13微型土压力盒；14保温材料；15温度传感器阵列；16加载盖板；

17桩周土体；18微型热交换管；19钢筋笼；20混凝土。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。

如图1所示为本发明的整体布置示意图，如图2所示是模型箱布置示意图。使用时，将模型箱8对称固定于鼓式离心机内鼓2中，使之中轴线与鼓式离心机操控平台7和鼓式离心机作动器9齐平；冷热循环水泵3设置于鼓式离心机外部，与能量桩模型10内部的微型热交换管连接，能量桩模型10置于模型箱8内部的桩周土体17中。

如图3所示为本发明的量测系统示意图。使用时，在模型箱8内壁涂保温材料14，防止热量散失，而后将桩周土体17分层击实到设定值。在此过程中，将微型土压力盒13、温度传感器阵列15和能量桩模型10分别布置于桩周土体17中。其中，微型土压力盒13按照实验需要进行布置，温度传感器阵列15分别布设于距离能量桩模型10一倍、二倍、三倍和四倍桩径处。能量桩模型10桩头处安装有加载盖板16，便于加载和测量桩头位移，桩头荷载通过力传感器12和加载盖板16施加到能量桩模型10上。位移计11设置于加载盖板16上，用以量测桩头位移。

如图4为本发明能量桩模型示意图。在制作时，按照实验要求配置钢筋笼19，并和微型热交换管18固定在一起，而后按照试验要求浇筑一定标号的混凝土20，在标准条件下养护28天，脱模后即可使用。能量桩模型10桩身贴有应变片，可测量桩身应变；微型热交换管18通过出水管4和进水管5与冷热水循环水泵3连接，以达到使得能量桩模型10桩身受到冷热循环的温度荷载的目的。