能源桩适应性初探①

程 冬， 景 骞

(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092;2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

桩埋管地源热泵作为一项新兴的地源热应用技术以其在施工便利，节约投资，换热效果好等优势日益被人们所关注.在西方发达国家这项技术已开始被广泛应用，拥有相对成熟的技术以及相应的配套规范和器械;在国内已有成功的案例也取得了理想的效果，但是由于我国引入技术相对较晚，没有太多的工程实例和经验，技术相对落后不完善;所以这项技术在我国的应用尚且处于起步阶段很多的技术难题有待攻克.热泵作为一种将低温热源转移到高温热源的装置，而地源热泵在埋管方式上分为水平埋管，垂直埋管和桩埋管三种类型.王文[1]提出，水平埋管式的特点工程量大，桩埋管的深度很浅，地表外部因素对其系统稳定有很大的影响.垂直埋管式相比水平埋管式换热效率高，受地表环境温度影响小，但其埋管深，一般为40～150m，相应地会导致钻孔费用及高承压聚乙烯塑料管等初投资费用的增加[2].随后，第三种埋管方法“桩埋管换热器”的问世标志着地源热泵技术得到较大发展，即把换热器埋于建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，充分利用建筑物的面积，并且通过桩基与周围大地形成换热，从而减少钻孔和埋管的费用[3].

传统的地源热泵是将换热管直接埋设在土层内，需要大量的时间、金钱和精力来进行钻孔埋设等工作，并且这种换热器占用大量地下空间使地下空间得不到有效的利用.夏才初[5]曾提出过能源地下工程这一概念，其实质就是将地源热泵系统的热交换环路管埋入地下结构基坑围护结构内、基础底板下、桩基内、地铁隧道内以及新奥法施工的隧道内，形成能源地下工程.能源桩也是这能源地下工程其中的一种.

1 能源桩沉降分析

1.1 能源桩温度荷载对桩基沉降影响计算

1.1.1 传统桩基沉降

假设灌注桩直径1m，长20m，C30，Et=3.0 ×104MPa;a(混凝土的线膨胀系数)10×10－5/℃;土层全部是粉质粘土，内摩擦角φ=24°地下水位 ±0m，重度18kN/m3，土层e～p曲线见表1.

表1 土层e～p曲线

桩端荷载Q=4000kN.

(1)等效Ac=21.27m2等效基底宽度 b=4.61m等效直径D=5.2m.

(2)地基分层0.4b=1.84m，取1.3m

(3)自重应力 σcz=8.2 × z(z.20m).

(4)由分层总和法得基底附加应力σ0=38.83kPa.

(5)确定层数为5层

(6)计算沉降

查表得ac进而得到各分层点附加应力的值.

表2 无温度影响的沉降计算

总沉降为19.3mm.

1.1.2 温度变化对沉降影响

假设桩只发生轴向变形.则Δl=a·Δt·l对应于－10℃，－5℃，+5℃，+10℃ 时Δl为－2mm，－ 1mm，1mm，2mm.

这是仅仅考虑温度对桩身变形的影响，可以与其他影响因素叠加.

表3 桩长对温度沉降影响的计算

温度变化不增加由桩传给地基的荷载，而深层土体又视作恒温，故温度变化对沉降的影响仅由桩身变化而引起.一般地源热泵对桩身温度影响不超过10℃，在不考虑强度问题的情况下，沉降变化仅仅在 ±2mm范围内.

1.2 参数敏感性分析

上述例子仅仅是单一情况下温度对沉降的影响，得出的只是一般性的结论.缺乏对于具体的参数分析，所以在此对桩径和桩长对温度沉降slc的影响.

在研究参数敏感性之前，先要做一些基础的假设:

(1)一维温度场

(2)桩身均匀材质

(3)桩与土分开计算

(4)桩长保持不变(类似于荷载结构法)(5)温度变化为定值10℃

1.2.1 桩长对温度荷载引起的沉降的影响

沿用1.2的例子对桩长L=20m，25m，30m，35m，40m，45m，50m时温度荷载的影响.由前面的假设可以知道温度荷载Qt=EaΔtAp=2356kN由此带入计算沉降，则计算基底附加应力.

(1)对应等效 Ac=21.27m2，30.73m2，41.92m2，54.85m2，69.52m2，85.92m2，104.05m2.

等效半径 D=5.2m，6.26m，7.31m，8.36m，9.41m，10.46m，11.51m.

(2)地基分层取 1.3m，1.56m，1.83m，2.09m，2.35m，61m，88m.

(3)自重应力 σcz=8.2× z(z ＞20m)

(4)根据(1)基底附加应力 σ0=110.77kPa，76.67kPa，56.20kPa，42.95kPa，33.89kPa，27.42kPa，22.64kPa，查表得 ac进而得到各分层点附加应力的值.

(5)确定层数

(6)计算沉降得到对应沉降 79.40mm，53.70mm，35.80mm，12.90mm，20.00mm，13.50mm，13.30mm.

图1 桩长对温度引起的沉降的影响

上文已经得出温度对桩基沉降的影响应该在3%的桩长范围内，但是由于将土与桩分开考虑导致温度的附加应力过大得出上图(图2).虽然有一定的错误，但是可以看出对于温度变化引起的沉降随着桩长的的增长而减小当达到一定数值后沉降稳定.

在桩长为38m左右有明显的突变由于桩径在计算时固定为1m故温度变化引起的附加荷载Qt为定值2356kN.故随着桩长的增加等效基底面积增大，温度荷载引起的附加应力就减小;并且在计算平面土体的自重荷载增大从而导致分层总和法的计算层数只有1层，但是层高怎增加最终导致在桩长达到一定的数值后温度变化引起的沉降稳定在13mm左右.所以在温度变化固定、桩的线膨胀系数和弹性模量为定值时，这个临界值得确定跟桩的长径比有关.

1.2.2 桩径对温度荷载引起的沉降的影响

继续引用3.4的例子对于桩径D=0.8m，1.0m，1.2m，1.4m，1.6m，1.8m，2m 时温度变化引起的沉降变化.

计算方法同前，计算结果如下

表4 桩径对温度沉降影响的计算

同样由于假设的错误导致附加应力过大进而导致沉降过大，但是图表还有一定的借鉴意义的.从上图可以看出温度沉降随桩径的变大沉降样变大，从中我可以大胆的猜测这是成线性相关的.

图2 装进对温度沉降的影响

能源桩作为一种多功能桩基，由于桩身内部有埋管其强度肯定会受到影响而降低.这方面已经有人做出了相关的研究，得出埋管对桩构件的极限承载力的影响较小，但对应力的影响较大，对桩构件受弯承载特性的影响较小，对桩构件受拉承载特性的影响较小.而由于温度变化对沉降的影响较小，工程上可以接受.

虽然由于计算前假设上的错误导致桩基沉降计算出现过大的情况，但是计算结果还有又可以借鉴的地方.温度变化引起的沉降随桩长的增大而变小随桩径的增大而增大的趋势是基本可以确定的.

2 能源桩在上海的适应性讨论

2.1 能源桩的优点

能源桩的产生有其必然性，即它有以往能源技术不可比拟的突出优势.

(1)可再生能源:地热能属清洁能源，可持续使用.

(2)高效节能:传热快效果好，比空调系统节能约30%～50%.

(3)运行费用低:地下空间温度变化小，热泵系统运行过程高效经济.

(4)环境效益:在系统的运行过程中不会产生任何污染，绿色环保.

(5)稳定可靠:桩埋热泵系统处于温度恒定的土壤中，系统工作环境极佳.

(6)施工方便:可以与桩基施工协同进行，工程量少，额外工程费用少.

2.2 能源桩的缺点

(1)地源热泵初装费用很高:昂贵的设计和初装费用，在一定程度上限制了能源桩在我国的推广使用.

(2)地下环境温度变化:系统运行会使土壤(水)的温度会有微小的变化，长期使用是否会影响生态环境，需要长期观察才能作出结论.

(3)随着每年土壤(水)以及桩基的温度的变化，对于构筑物，地基的承载力、耐久性、沉降等肯定会产生一定的影响.这个问题有待大量的工程实践以及实验来进行研究.

2.3 上海能源桩

上海地区已有不少能源桩的成功案例，这已说明能源桩在上海的可行性.下文总结了几点关于上海地区对能源桩的适应性的优点

首先，上海作为典型的软土地区，桩基础被广泛的应用于基础建设以满足地基承载力和建筑物沉降控制的要求.在深厚软粘土的桩基设计中，控制沉降十分重要，这一点在理论界和工程界已经得到了广泛的认同.桩基础的设计控制标准也已经由传统的承载能力控制标准转向承载力和沉降双控标准，在软土地区更是以沉降控制为主.随着桩基的广泛应用和岩土工程研究的深入，桩基沉降计算方法的研究得到了快速发展.

由于上海地区广泛的应用桩基础，对桩基础的施工、设计、监测、质量控制、纠偏和应急处理等有着大量的施工实例和经验，这使得能源桩的推广有了坚实的基础.

其次，上海地区作为全国范围内一线城市的领头者，在技术的应用方面有着自己得天独厚的优势——基础好且可以更好的接触新技术.上海已有的能源桩成功案例不仅解决了建筑能耗问题，同时也是一个标志一个里程碑，当然也提供了不少施工、设计、管理、运营和检测等方面的经验.

当然事物总是有着其两面性，上海有发展能源桩的优势当然也存在需要解决的障碍.

首先，上海部分地区地下空间已经开发过度，使得上海的地下空间的使用受到了一定的限制.由于能源桩需要有一定的深度才能满足地下换热利用地热资源的条件，虽然上海一般的桩基较深，但有些地带已经没有足够的条件用来建设能源桩.

其次，就是本身设计施工方法的不完善、施工实例有限，风险不易评估等对能源桩的推广有着不小的影响.虽然有一定的困难但总的来说，能源桩技术在上海乃至全国都有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景.

3 结语

本文的研究工作初步探讨了桩埋管地源热泵(能源桩)的基本原理、沉降特点和适应性，结合地热资源和传统地源热本技术较为全面的介绍分析了能源桩基本特点，并结合上海市情况分析了能源桩在上海的适用性.给出了具有一定被普遍意义的结论，如下:

(1)中国拥有丰富的地热资源，这就为中国地热资源的发展提供了良好的背景.

(2)能源桩的温度变化对桩基的沉降有一定的影响，但在一般情况下(正常运行)对沉降的影响是有限的;

(3)能源桩的温度变化对桩基的沉降的影响随着桩长的增加而减小，随着桩径的增大而增大;

(4)上海有能源桩的施工经验和施工实例，并且上海的地基处理一般是需要桩基础的这就为能源桩在上海的发展提供了优越的条件.

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