[发明专利]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

说明书

本发明属于岩土工程技术领域，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。该装置包括能量桩模型和量测系统，能量桩模型包括混凝土、微型换热管、应变片和钢筋笼；量测系统包括位移计、力传感器、微型土压力盒和温度传感器阵列。本发明通过在能量桩模型内部设置微型热交换管，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。

技术领域

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。

发明内容

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。