黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究_曹卫平.pdf

第44卷第4期2023年4月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol.44,No.4Apr.,2023收稿日期：2022-06-02基金项目：陕西省自然科学基础研究计划一般项目通信作者：李庆（1996），男，硕士，主要从事桩基方面的研究。DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0812文章编号：0254-0096（2023）04-0539-08黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究曹卫平，李庆，李清源（西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055）摘要：能量桩通过内置循环管与周围土体进行热交换来开采浅层地热能。通过室内模型试验，测试4个完整的冷热循环过程中能量桩仅受温度作用及热-力耦合两种工况下的桩身和桩侧土体温度、桩顶和桩侧土表面沉降、桩顶荷载及桩身内力，分析黄土地基中埋设单U形换热管的能量桩热力学及承载变形特性。试验结果表明，对于每个冷热循环过程，随循环时间增加能量桩热交换效率逐渐降低并趋于稳定状态，黄土地基中能量桩桩身温度随深度增加逐渐减小。冷热循环会使能量桩桩顶产生累积沉降，与仅受温度作用工况相比，在热-力耦合作用下能量桩桩顶累积沉降较大，桩侧土表面沉降较小，而桩侧土体受影响范围则较大。对于两种工况，冷热循环稳定后能量桩最大附加应力均出现在桩身中部，热循环时桩身上部摩阻力为负，下部摩阻力为正，冷循环时则相反。关键词：能量桩；黄土地基；模型试验；冷热循环；热-力耦合中图分类号：TU473.1文献标志码：A0引言能量桩技术将传统桩基与地源热泵技术相结合，通过内置于桩体的热交换管与周围土体进行热量交换，以此开采浅层地热能。能量桩技术具有空间利用率高、经济绿色等诸多优点，近年来逐渐成为建筑节能技术研究的热点。Rotta Loria等1通过数值模拟分析了饱和砂土中能量桩热力学特性，发现能量桩受热荷载作用时桩顶位移会不断积累、桩身热量会发生大量转移。郝耀虎等2利用数值方法研究了桩端受不同约束条件时桩身内力的变化特点，指出温度循环时能量桩最大应力出现在桩身中部，热循环时桩端约束对桩身应力分布的影响大于冷循环。Sutman 等3基于现场试验对比分析了桩顶约束的影响，发现能量桩的热力行为高度依赖于桩顶及桩端的约束水平。郭易木等4通过原位试验分析了预应力高强度混凝土能量桩的桩身受力特性，发现桩侧土体的强度越大，对桩身约束越强，引起的桩身附加热应力也越大。包小华等5基于室内缩尺模型试验研究了砂土中能量桩热力学行为，试验结果表明能量桩运行过程中桩身会产生差异应变。杨卫波等6通过模型试验发现热荷载会引起桩、土温度升高，从而造成桩身内力及桩顶位移逐渐积累。孔纲强等7通过模型试验发现多次温度循环会造成桩体沉降积累。上述分析表明，目前相关研究多侧重于单次温度循环时能量桩的热力学特性分析，关于多次温度循环时能量桩的相关研究仍较少。本文基于模型试验研究黄土地基中能量桩受多次冷热循环作用时桩身热力学特性及承载变形性状，分析温度荷载对能量桩力学性状的影响，得到一些规律性的认识，以期为能量桩技术在实际工程应用中起到有益的参考。1模型试验1.1试验装置试验装置主要由模型槽、加载及测量装置、循环装置三大部分组成，如图 1 所示。模型槽尺寸为 1500 mm（长）M4009601500T.T0($)S1S281.620024016080320320320T4T11T9T7T3T6T10T8T581.681.6$(81.6ACBD E200 200 200 200 200 200U1D2D3D0.37D0.74D 2.5DT2()(F)T1图1模型试验系统示意图（单位：mm）Fig.1Schematic diagram of model test（Unit：mm）网络首发时间：2023-04-14 15:04:23网络首发地址：https:/ mm（宽）1800 mm（高）；桩顶荷载施加及测量分别采用RSC-5 型液压油缸及 DYLY-104 型轴力计；温度测量采用精度 0.15%的 PT100-A 型滚口传感器，传感器接 EWP 八回路数字显示仪显示温度；循环动力设备采用流速稳定的 MP-10RZ 微型水泵。选用 2 个尺寸均为 600 mm（长）600 mm（宽）800 mm（高），厚度为 10 mm 的玻璃水箱分别作为冷、热循环时的恒温水箱。水箱表面覆盖 20 mm 厚的保温棉，以减小水箱内；循环液与周围环境的热量交换。热循环时使用功率为 2 kW的恒温发热棒加热水箱中的循环液，温度差值在0.5 之内；冷循环则采用冰水混合的方法，即向水箱中加入冰块降低循环液温度，温度误差在1 之内。本文试验时采用自来水作为循环液，冷热循环过程中循环液流量为 1.4 L/min。1.2模型桩模型桩为钢筋混凝土桩，长 1400 mm，桩身直径 81.6 mm。桩身混凝土配合比为水水泥砂碎石=0.3 1.1 1.2 2.0，桩身混凝土有关参数见表 1。模型桩纵筋为 4 根长 1380 mm、直径 6 mm 的光圆钢筋，箍筋直径 2 mm，间距 150 mm。热交换管采用 U 型不锈钢管，用细铁丝绑扎固定在纵筋上，U 型管长 1280 mm，管外径 10 mm，壁厚 1 mm。表1模型桩参数Table 1Model pile parameters桩长/mm1400桩径/mm81.6抗压强度/MPa30.6弹性模量/GPa30热膨胀系数/10-5导热系数/kJ/（mh）10.6沿桩长每隔 200 mm 在桩身表面对称位置粘贴 BX120-20AA 型电阻式应变片并用环氧树脂保护，应变片基座尺寸为 20 mm3 mm，灵敏系数为 2.081%，电阻值为（119.80.1）。使用 CML-1H-32 型电子应变仪按 1/4 桥接桥方式来测读桩身应变，取同一截面对称位置两片应变片读数的平均值作为该位置桩身的应变。1.3地基土桩侧土为 960 mm 厚的黄土，取自陕西蓝田某场地，其基本物理性质见表 2。原状黄土晾晒粉碎后过孔径为 2 mm 的筛，以减小过大土颗粒粒径对桩土界面的影响。晾晒粉碎后重塑黄土含水率约为 5%，c、值分别为 53.6 kPa、23.5。表2原状黄土物理性质参数Table 2Physical property parameters of undisturbed loess土样原状黄土含水率/%17.41天然密度/(kg/cm3)1650土粒比重Gs2.69液限/%31.6塑限/%19.5桩端进入厚 640 mm 的砂土持力层 240 mm，砂土界限粒径 d10、d30、d60分别为 0.145、0.370、0.920 mm，不均匀系数 Cu=6.345，曲率系数 Cc=1.026，砂土最大、最小干密度分别 1800、1690 kg/m3，相对密实度为 0.56。1.4试验过程模型槽填土时桩底砂土持力层、桩侧黄土均采用砂雨法分层填筑，分层厚度 200 mm，每层填筑完成后采用振动机振密至相应密度。持力层砂土填筑密度为 1750 kg/m3，黄土填筑密度约为 1450 kg/m3。持力层填筑完成后固定模型桩至相应位置，而后填筑厚度为 3D（D 为桩身直径）的砂土，最后分层填筑厚度为 960 mm 的重塑黄土。桩侧土填筑过程中按图 1所示埋设温度传感器。填土完成后待桩土在自重作用下沉降小于 0.01 mm/24 h时进行竖向抗压极限承载力试验。按照 建筑基桩检测技术规范8中的慢速维持荷载法逐级施加桩顶竖向荷载。图 2为试验的荷载-沉降（Q-S）曲线，可看出第 11 kN 载施加初期桩顶立即发生大量沉降且不能稳定，因此可得到能量桩单桩竖向抗压极限承载力为 10 kN，其承载力设计值可取 5 kN。024681012048121620NL/mmN9E/kN图2荷载-沉降曲线Fig.2Q-S curve单桩竖向抗压载荷试验结束后开展能量桩仅受温度荷载影响的冷热循环试验。按前述方法将桩土埋入模型槽后静置，待桩土自重沉降稳定后分别在能量桩桩顶、距桩身0.37D、0.74D、D、2D、2.5D 处的桩侧土表面布置百分表，监测试验过程中桩、土沉降。开展受热力耦合作用下能量桩模型试验时，仍按前述方法将桩土埋入模型槽并静置，待桩土自重沉降稳定后，在桩顶分级施加竖向下压荷载至 5 kN 并维持不变，随后进行能量桩冷热循环。冷热循环时水箱内循环液的温度分别为 4、35，按图 3所示顺序开展冷热循环。每个热循环进行 5 h，间隔 10 h 后015274254698196108010203040 /h18681545927 32519100964324673015426935(10 h)4(8 h)图3温度荷载施加顺序Fig.3Temperature load application sequence4期曹卫平等：黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究541进行 4 h 的冷循环，冷循环结束后间隔 8 h 继续进行下一个热循环。一个热循环和随后的一个冷循环组成一次冷热循环，两种工况下能量桩均进行 4 次冷热循环。实际地层是半无限大的，一定深度以下土体温度处于恒定状态，恒温带以下的土壤温度随深度的增加而增大。西安地区地表以下约 7 m 为恒温层，土层温度基本维持在约 17 9。开展模型试验时，地基土土温度始终维持在约 23.1，因此能较好地模拟恒温工况能量桩热力学特性。2试验结果及其分析2.1桩、土温度图 4 为仅受冷热循环时能量桩桩身及桩侧土温度的变化曲线。由于水泵与能量桩换热管进口之间相连的 PVC 软管在冷热循环过程会与周围环境发生热量交换，使得能量桩换热管进口处温度与恒温水箱内循环液之间存在温差。冷热循环稳定后进口温度分别约为 12、33。由图 4a 可看出，冷热循环过程中不同测点处桩身温度均逐渐趋近于进口温度，且循环次数对桩身温度变化量影响不大。黄土层中桩身温度（T3、T4、T5）均随深度的增加而减小，砂土层桩身温度（T6）与黄土层未呈线性变化，如第 3 次热循环 结 束 时 温 度 T3、T4、T5、T6分 别 为 32.08、31.14、30.84、30.44，与 T3相比 T4、T5、T6分别减小了 2.93%、3.87%、5.11%，这是由于桩身平均温度自上而下逐渐衰减，使得桩体较深处温度变化率低于较浅处。第 3 次冷循环结束时桩身温度 T3、T4、T5、T6分别为 13.20、12.67、12.31、13.34，与 T3相比 T4、T5分别减小了 4.02%、6.74%，T6增大了 1.06%，这是因为砂土导热率较大10，因此冷热循环时砂土层桩身温度变化率小于黄土层，冷循环时砂土层桩身温度略高于黄土层。051519 2732 4246 5459 6973 8186 9610010141822263034/L/h T0()T3(2D)T4(6D)T5(10D)T6(14D)1234a.桩身温度051519 2732 4246 5459 6973 8186 9610020.521.522.523.524.525.5$/h T7(2D,D)T8(10D,D)T9(2D,2D)T10(10D,2D)T11(2D,3D)4321b.桩侧土体温度图4桩土温度变化曲线Fig.4Temperature variation of pile and surrounding soil从图 4b 可看出，第 3 次热循环稳定后 T3（32.08）、T7（24.23）、T9（22.94）、T11（22.94）较初始温度分别增大了 38.63%、9.10%、2.22%、0.66%。第 3 次冷循环稳定后 T3（13.2）、T7（21.26）、T9（23.24）、T11（23.43）较初始温度分别减小 48.11%、10.56%、1.48%、-0.60%，显然 T11受冷热循环影响最小，因此可确定黄土层中桩身温度的径向影响范围约为 3D。对比黄土层中桩土温度曲线发现，冷热循环时较浅处（距土面 2D）桩土