不同桩体温度下能量管桩承载力特性模型试验研究

田 军，刘俊平，刘大鹏，季伟伟

(1.银西铁路有限公司，宁夏 吴忠 751100；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

随着能源问题和环境污染问题的重要性日益增加，节能减排问题成为了人们现在需要面对的重要课题。地源热泵技术作为一种节能、环保、高效的新型技术，近年来得到了快速发展。然而占用地下空间较大以及钻孔费用相对较高等问题，在一定程度上限制了其大量推广应用。桩基在路堤、房建等建筑物中作为承载基础大量使用[1-2]。能量桩技术就是将传热管埋设在原有建筑结构物中，形成开发浅层地热能的技术。刘汉龙等[3]研发的现浇大直径管桩(即PCC桩)，在我国浙江东南沿海区域得到了较大的运用。PCC桩具有较大的直径内腔，因此刘汉龙等[4-5]将能量桩技术运用到PCC桩基础上，利用PCC桩与土体大面积的接触，获得了较大的热能交换。

研究人员进行了大量关于其力学特性的研究，得出以下成果：Laloui等[6]将现场试验与数值模拟的结果进行对比分析，其得出温度影响造成的桩体热应力较大。赵明华等[7-8]和郑俊杰等[9]对桩体接触面上，桩体或土体膨胀带来的承载力特性影响进行了分析，为能量桩的热应力引起的侧摩阻力变化提供了理论支持。桂树强等[10]针对某区域能量桩的现场试验进行分析，开展热力耦合特性的研究。McCartney等[11]采用离心机试验得出能量桩温度升高45℃时，其将使侧摩阻力升高40%。对热交换桩的承载力特性进行了研究，然而还不足以对能源桩的安全性提出规范性的指导。Bourne-webb基于现场试验的数据进行理论性分析，假设桩体受到热线膨胀作用的作用，在自由膨胀和约束条件下分布线性的理论模型，并结合现场的实测数据，验证了理论的真实可靠性，但是试验并没有对桩-土的复合地基的承载力特性进行相应的分析[12-14]。Li等[15]和Hueckel等[16]从线性热源的热传导方法出发，假设能量桩的热传导为持续的无限热源在复杂的圆柱体媒介中进行传播，用解析解的方法对能量桩的能量的传导性质及其造成的温度场等进行了分析。

综上可知，现有的研究大多集中在其传热效率和机理方面的，对循环温度下，能量桩的承载特性研究相对较少。

因此，本文拟展开能量管桩在饱和砂土中，冷-热循环条件下对周围环境温度场的影响研究分析，并对在冷热循环温度场作用下的荷载承载力特性及荷载传递特性进行分析。

1 室内模型试验概况

1.1 模型试验设计与参数选择

本文模型试验采用混凝土结构建造一个内边的尺寸为1 200 cm×75 cm×75 cm(高×长×宽)的模型槽，总共有4个模型槽，统一采用防水土工布作为防水措施, 具体的试验槽如图1所示。

试验模型桩采用空心的铝管桩，桩长和桩径分别为1 000 mm和50 mm(长径比为16)，有效桩长为800 mm，所采用铝桩的弹性模量为70 GPa，热膨胀系数及热传导率分别为23×10-6/℃和237 W/(m·k)，桩体依靠导热管循环导热液体进行温度场的施加，内部采用管径15 mm的热循环导管，能量桩系统的导热循环系统以及能量管桩的横截面示意图如图2所示。

图1 模型试验实物图

图2 温度场循环系统及能量桩横截面示意图(单位:mm)

土体为南京地区砂土，室内土工试验测得物理力学参数见表1，砂土颗粒级配图见图3。

表1 土样参数表

试验时，每级填入56.5 kg的试验所用砂土，每级控制标高为6 cm，共计分20级均匀填筑，均匀压密以保证土体密实度均匀，填筑完成后将槽内砂土加水饱和。

图3 砂土颗粒级配图

1.2 模型试验过程与测量

1.2.1 温度荷载和结构荷载

试验分为四组进行，5℃、15℃(常温)、35℃、50℃四种工况，35℃和50℃两种加热工况下，循环温度荷载采用功率为125 W的全自动型冷-热水自吸泵来对能量桩进行温度加载(夏季模式，热量从室内传递至岩土层中)；5℃降温工况，循环温度荷载的施加采用在水浴箱中放置大量碎冰块来控制(冬季模式，热量从岩土层传递至室内)；其最大流量控制为15 L/min，最大吸程控制为9 m。通过泵将传热管内的导热液体以固定的流速传入桩身传热管内，导热液体携带热量进入桩身后，温度冷却后重新流回加热水槽中，在加热5 h～6 h后，能量桩的桩体温度从15℃上升到了约35℃(循环导热液体的温度为50℃)。

通过桩身温度传感器及进出口温度计测量所需的温度，桩身温度计分布如图4所示，温度的读数仪器采用的是江苏海岩制造的X05型多功能频率仪。

采用砝码堆载的方式进行外部荷载施加，分15级加载，每次加载单块砝码100 N，共计1 500 N。

1.2.2 传感器布设

桩端测力采用土压力盒进行读取，外径为50 mm，桩顶位移采用百分表，且加载板共放置两个百分表，采用取中值的方式减小测量误差。桩身上布置对称的等间距应变片，应变片及温度传感器的读数如图4所示。

1.2.3 试验终止条件

正常进行试验时，当桩体和土体的温度连续两次测量后差值小于10%后，试验即可终止，即可认为循环加载进入稳定状态。

图4 应变计、温度传感器、压力计安装示意图(单位：mm)

2 模型试验结果与分析

2.1 桩身温度变化规律分析

35℃和5℃进行热、冷循环前后的温度沿桩身的变化规律结果如图5所示。由图5可知，热循环(夏季循环)时，进水口温度为50℃，待循环进入稳定阶段， 在桩顶温度达到34.5℃后，温度不再上升，桩底温度稳定在19.8℃，可以发现桩身温度沿深度不断降低，说明越靠近桩底热交换越难。

图5 桩身在常温及循环稳定时的轴向温度分布图

在冷循环(冬季循环)时，进水口温度为5℃，待循环进入稳定状态，桩身温度不再变化时，桩顶温度达到9.2℃，温度沿着桩深递增，桩底温度达到12.5℃。同理于热循环，桩顶进水口处循环液体温度最低，随着热循环的进行，沿桩深增加循环液体温度逐渐升高，桩体稳定时桩身温度逐渐升高，桩顶以下20 cm位于砂土层之上，桩身与空气接触，热交换更易进行，故桩顶温度并不显著高于桩顶下20 cm。

在冷热循环中，发现能量桩桩身温度并不能均匀地分布，桩顶温度远高于装底部，且不均匀，因此需要充分考虑到桩身的不均匀温度变化。

2.2 桩顶位移变化规律分析

图6给出了不同循环温度作用下，桩顶荷载-位移的关系曲线。

由图6可以看出，在相同的荷载作用下，温度升高将使桩顶位移逐渐变小，桩的承载力也将不断提高。

图6 不同温度场作用下的桩顶荷载位移曲线

通过对砂土的直剪试验，可以看出温度场变化时，砂土的抗剪强度基本不变，因此可以忽略其影响。可以得出桩体承载力的提高是由于能量柱桩身温度提高后，桩土接触面的侧摩阻力在提高。

通常，桩身极限侧摩阻力[17]可以由下式得出：

(1)

(2)

(3)

Δa=a0αΔT

(4)

假设温度场作用下，桩土接触面达到屈服临界点，可以由计算公式[17]得到，如式(5)所示：

(5)

式中:a0为桩径;b为计算模型边界距桩轴心距离，本文为模型槽短边的一半。

(6)

图7给出了试验中常温(T=15℃)和热循环(T=50℃)的归一化Q-S曲线与McCartney等[11]的试验结果进行比较，从图中可以得出本文温度场作用下桩体承载力的变化趋势与McCartney的结果一致，在加载初期， 桩身极限侧摩阻力的提高会导致桩的承载力的提高，当极限侧摩阻力达到极大之后，结构荷载将有部分桩端阻力承担，桩体的承载力将不会显著提高，Q-S曲线可近似认为平行。本文温度场对承载力作用相比较McCartney的小的原因是文中桩体温度达到的实际最大值是34.5℃小于McCartney的温度变化。

图7 桩顶荷载位移曲线和McCartney的结果比较

2.3 桩身应力应变变化规律分析

根据Laloui等假定，桩体均匀应变εT在桩端无约束时，εT=αΔT(ΔT为温度场变化值)，若桩两端部沿桩轴向被完全约束εT,那么桩身长度不会发生变化，一个均匀分布的轴向力将会作用于桩体P=εTAE(其中A是桩体的横截面面积，E是桩体的刚度)。当桩置于均质土中时，桩受温度场的影响，桩土界面的竖向有效应力将在一定程度上影响桩的热膨胀和收缩，导致桩的轴向应变小于完全自由膨胀和收缩的轴向应变。

从Laloui等简化模型出发，分析本文桩体在实际情况中的应力应变曲线。常温15℃时和35℃时的桩身轴向应变图如图8所示；当作用有温度场后，桩身在温度荷载和上部荷载共同作用下产生的轴向应变比仅作用有上部荷载时的应变值大，表明随着温度的升高，桩体的轴向应变逐渐变大，桩身应力有一个明显的提高，从图8中可以看出作用有温度荷载时产生的轴向应变最大值为668.5 με，仅有上部荷载作用时产生的轴向应变最大值为260 με，温度场引起的轴向应变值近乎上部荷载产生的轴向应变的2倍。因而，在作用有温度荷载的时候，会引起一个显著的轴向热应力，其大小要比上部荷载产生的应力值大很多，使得桩体本身的安全性受到威胁，在桩体设计时需要充分考虑热应力的影响，以防止桩体本身在热应力和上部荷载产生的应力共同作用下产生破坏，从而威胁到基础以及上部结构的安全性。

图8(a)中同时描述了Laloui等和Bourne-webb等的试验的现场试验桩身轴向应变图，Laloui等现场试验中，桩顶上部作用有已经完工的建筑结构，其上端部可认为受到较完全的刚性约束作用，有效的约束了桩顶的位移，而桩底部分承担于一个坚硬高强度的岩石层上，同样有效的约束了桩底的位移，因此可以将该桩体看做完全的刚性约束，因而其桩身应力应变沿桩深呈线性增加，其最大的轴向荷载大于上部荷载的两倍，其在桩端部的荷载增加值较大。图8(a)同样给出了Bourne-webb等的试验结果，桩顶施加的荷载并不是完全刚性的结构，桩底也并没有作用在坚硬的岩石层上，其端部的位移都没有受到完全的约束，因而温度场作用下产生的轴向应力应变的增加值沿桩深方向并不是线性的，其最大轴向荷载比上部荷载大70%左右，且桩底部的应力应变增加值并不明显。

图8 桩身轴向应变图

本文模型试验中，上部荷载施加采用堆载，桩底部置于标准南京砂土层上，端部受到的约束都较小，其约束情况可以看做柔性约束，和Bourne-webb等的试验相近。由图8(a)可知，桩身轴向应变并不是沿着桩身线性增加，且桩底的轴向应变增加不明显，这和Bourne-webb等的试验结果基本一致。对比三组试验结果，桩体端部的约束会极大影响温度荷载产生的力和应变。桩身应力在端部为刚性约束时会产生线性的变化。图8(b)给出了模型试验中能量管桩在冷循环时，受温度荷载和上部荷载共同作用时的轴向应变图(Laloui等和Bourne-webb等的试验中并未分析冷循环效果，故未给出其应变图)。在能量桩冬季温度荷载下，桩身上半部分受到的应力和应变与原应力、应变方向一致，因此桩的上部应变是大于仅受上部荷载时的桩身应变大。这和本文基本假定相一致；此外，还可以看出桩体轴向应力、应变的值比常温时小，这也验证了图6中5℃时的桩体承载力比常温时要低的部分原因：桩身发生了径向收缩，引起了桩-土接触面的有效应力减小，导致了桩身极限侧摩阻力减小。

3 结 论

本文通过饱和砂土中能量管桩的静载模型试验，可以得出了如下几点结论：

(1) 本文试验条件下，在温度循环温度场作用下，由于热胀冷缩的原理，桩身受热膨胀后，会增加桩身极限侧摩阻力，进而桩的承载力也会增加，其增加最大值约为54%，而桩端阻力值随温度的变化并不明显，上部荷载增加值超过极限侧摩阻力后，桩的承载力提升并不明显；在冷循环温度场作用下，桩体受冷径向收缩，能量桩的极限侧摩阻力降低，其降低最大值约为16%，桩端阻力值在整体基桩荷载分担中的比值有所增加。桩体温度每升高1℃，能量管桩桩基极限承载力近似提高1.5%。

(2) 温度场对能量桩桩身应力应变的作用大小受桩端约束条件影响较大，在两端受刚性约束时，桩身应力应变沿桩深呈线性增加，其在桩端部的荷载增加值较大；而两端受柔性约束时，桩身轴向的热应力应变并不呈线性变化，且在端部变化值较小；本文试验结果和条件与柔性约束时的变化情况相一致。

(3) 在冷循环时，温度场引起的应力应变在桩体上半部分和下半部分分别与桩端压力引起的应力应变方向相反。土体温度场对桩身应力影响较大，需要考虑温度热应力的影响。