本發(fā)明涉及室內(nèi)大型相似模擬樁基工程領域，特別是指一種室內(nèi)相似模擬能源樁及其實驗監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術：

樁是深入土層柱型構件，樁與連接樁頂承臺組成深基礎，簡稱樁基，其作用是把上部結(jié)構的荷載傳遞到深部較堅硬壓、壓縮性較小的土層或巖層。樁按材料的分類混凝土樁、鋼樁、組合樁等。

能源樁是一種新型的地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)，利用其與周圍巖土體的熱量交換。利用混凝土良好的導熱性能，與周圍大地形成熱交換元件。國內(nèi)外對能源樁的研究主要關注樁與周圍巖土體的換熱效率。

然而，大直徑的鋼筋混凝土樁基造價成本較高，巖土體條件復雜，施工周期慢，而進行相似模擬實驗，實驗周期短、成本低，優(yōu)化復雜環(huán)境問題，從而更好的研究能源樁導熱效率問題。

能源樁兼具結(jié)構構件和換熱器雙重功能，除了承受常規(guī)的結(jié)構荷載外，還要承受因換熱所帶來的溫度作用，即樁體溫度變形受到樁側(cè)、樁尖巖土體以及樁頂結(jié)構的約束而產(chǎn)生的附加溫度應力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種室內(nèi)相似模擬能源樁及其實驗監(jiān)測系統(tǒng)。

該能源樁包括樁體、支架和換熱管，樁體埋設于室內(nèi)土箱中，換熱管位于樁體內(nèi)部，換熱管環(huán)繞在支架上，支架上捆綁熱敏電阻，樁體外部貼有應變片，樁體下部設置壓力盒。

其中，樁體為水泥、粉煤灰、礦渣粉組成的復合體，樁體長1.5m，樁體直徑為0.06m。

換熱管為單U型、螺旋型或雙螺旋型，換熱管包括一個主體管、一個進口接頭和一個出口接頭。

支架為一根以上鋼筋圓柱和一個以上箍筋相互編織形成的骨架。

采用該能源樁進行實驗監(jiān)測的系統(tǒng)，由能源樁與保溫水箱連接而成，能源樁中的換熱管與保溫水箱中的抽水循環(huán)泵形成導熱回路；當模擬冬季時，保溫水箱中水的溫度低于土箱中土體的溫度，用于模擬能源樁吸熱，當模擬夏季時，保溫水箱中水的溫度高于土箱中土體的溫度，用于模擬能源樁放熱。

保溫水箱中設置抽水循環(huán)泵和溫度加熱器。

本發(fā)明的上述技術方案的有益效果如下：

本發(fā)明基于能源樁室內(nèi)大型相似模擬實驗、監(jiān)測系統(tǒng)，完全模擬能源樁熱交換中的過程，并通過一小型抽水循環(huán)泵代替地源熱泵，實驗周期短，成本低，環(huán)境因素可控制，可以研究能源樁溫度-荷載下的結(jié)構效應，判別能源樁的承載力，可觀察與研究樁側(cè)摩阻力與樁端阻力在樁基承載力的比例分布，可更好的研究能源樁換熱效率，可觀察和研究樁身由于溫度變化產(chǎn)生的溫度應力的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的室內(nèi)相似模擬能源樁結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明的室內(nèi)相似模擬能源樁換熱管結(jié)構示意圖一；

圖3為本發(fā)明的室內(nèi)相似模擬能源樁換熱管結(jié)構示意圖二；

圖4為本發(fā)明的室內(nèi)相似模擬能源樁支架結(jié)構示意圖；

圖5為本發(fā)明的內(nèi)相似模擬能源樁實驗監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構示意圖。

其中：11-樁體；12-換熱管；13-支架；14-鋼筋圓柱；15-箍筋；20-抽水循環(huán)泵；30-保溫水箱；40-溫度加熱器；50-土箱；60-熱敏電阻；70-應變片；80-壓力盒。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。

本發(fā)明提供一種室內(nèi)相似模擬能源樁及其實驗監(jiān)測系統(tǒng)。

如圖1和圖5所示，能源樁包括樁體11、支架13和換熱管12，樁體11埋設于室內(nèi)土箱50中，換熱管12位于樁體11內(nèi)部，換熱管12環(huán)繞在支架13上，支架13上捆綁熱敏電阻60，樁體11外部貼有應變片70，樁體11下部設置壓力盒80。

樁體11為由水泥、粉煤灰、礦渣粉組成的復合體，樁體11的形狀根據(jù)模擬具體工程，可為方柱、圓柱或其他幾何形體。本實施例中，樁體11為圓柱。

如圖1至圖3，換熱管12可為單螺旋型、雙螺旋型、單U型，換熱管12在樁體11內(nèi)部形成一導熱通路，本實施例中，換熱管12為螺旋型。

能源樁換熱管12的材料為聚乙烯(PE80或PE100)、高密度聚乙烯、聚氯乙烯等。本實施例中，換熱管12采用聚氯乙烯，換熱管12的直徑為3mm。其所得直徑按照具體工程縮小10倍。

換熱管12以螺旋形狀纏繞到支架13上，并同支架13一起放置于樁體11內(nèi)，且螺旋距為0.03m其所得值按照具體工程縮小10倍，如圖4，支架13由4根鋼筋圓柱14以及多個箍筋15相互編成一網(wǎng)架，鋼筋圓柱14被箍筋15圍成一柱體。換熱管12與支架13可通過捆綁設置。通過支架13將換熱管12固定，以起到保護螺旋型換熱管12不變型的作用。為保證換熱管12不被破壞，換熱管12以螺旋型綁在支架13時需注意務必不要綁到支架12底部。另外，支架13可進一步提高樁體11的力學強度。

為保證相似模擬能源樁的換熱效率和研究能源樁在換熱過程中產(chǎn)生的溫度應力。熱敏電阻60應以3組的形式依次綁在支架13上。在相似模擬能源樁外熱敏電阻以環(huán)形分層埋設于土箱50中，如圖4、圖5。

為判別能源樁在溫度-荷載下的結(jié)構響應，壓力盒80應埋放在樁底如圖5，應變片70應貼在能源樁上如圖1。

相似模擬能源樁的具體施工步驟如下:首先將換熱管12固定于支架13，綁扎時注意不要綁到支架12底部，換熱管12綁扎完畢后多個熱敏電阻60分3組的形式依次綁在支架13的兩端和中心，其3者在一條直線上。

如圖5所示，本發(fā)明能源樁室內(nèi)大型相似模擬熱循環(huán)系統(tǒng)，由能源樁與保溫水箱30連接而成，能源樁中的換熱管12與保溫水箱30中的抽水循環(huán)泵20形成導熱回路，抽水循環(huán)泵20與換熱管12相連接共同放置在保溫水箱30中，從而實現(xiàn)相似模擬能源樁的熱交換。換熱管12中應填充一交換液，交換液包括水、鹽水以及防凍液。本實驗中，交換液為水。保溫水箱30中還設置溫度加熱器40。

能源樁在夏季時通過放熱，與周圍巖土體進行熱交換。冬季時是吸收巖土體的熱量來實現(xiàn)給建筑物供暖。本室內(nèi)實驗通過相似模擬能源樁系統(tǒng)可以模擬冬、夏季能源樁工作原理，當模擬冬季時，只需要保證保溫水箱30中水的溫度低于土箱50中土體的溫度即可模擬能源樁的吸熱，當模擬夏季時，需要保溫水箱30中水的溫度高于土箱50中土體的溫度即可模擬能源樁的放熱。

本發(fā)明通過在相似模擬能源樁樁中設置換熱管，模擬了能源樁與巖土體的熱交換，并通過一小型抽水循環(huán)泵代替地源熱泵，實驗周期短，成本低，環(huán)境因素可控制，可更好的研究能源樁換熱效率，同時可觀察與研究樁身由于溫度變化產(chǎn)生的溫度應力的影響。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。