循环温度场作用下能量桩热-力学性能的试验研究*

常 虹 刘津男 孟庆宇

(1.吉林建筑大学测绘与勘查工程学院, 长春 130118； 2.吉林省工程技术有限公司， 长春 130012；3.中冶沈勘工程技术有限公司, 沈阳 110169)

能量桩是集建筑桩基和地源热泵于一身，既起到承担上部荷载的作用,同时也是与浅层地温能进行热交换的媒介。与传统的地源热泵技术相比具有节约能源、减少污染、节约土地等优点[1-3]。在温度场作用下，桩身会产生附加温度应力，进而引起桩顶位移、侧摩阻力及桩端阻力的变化。Gashti对能量桩进行的有限元数值分析结果表明：能量桩受温度影响会产生附加热应力，这些应力约为普通C30混凝土极限抗压强度的1/5[4]；桂树强等利用信阳高铁项目开展了能量桩现场荷载-温度试验和监测，探讨了能量桩受温度荷载作用的结构响应变化规律[5]；王成龙等利用室内试验对循环温度场下能量桩的承载性能进行了研究，得出随循环次数的增加桩顶沉降不断累积增加，进而会影响能量桩的稳定性[6]；路宏伟等通过现场测试对摩擦型能量桩在不同荷载水平及温度条件下桩身的温度、应力及桩顶沉降进行了研究，得出在热-力耦合作用下，其承载性状与普通桩体存在明显区别，按照常规的桩基设计标准不足以保证能量桩的安全性及经济性[7]；刘干斌等对饱和黏土中能量桩承载特性进行了模型试验，研究表明：桩侧摩阻力随着温度的升高而增大，单桩极限承载力也随之增大[8]；方鹏飞等基于能源桩现场原位试验和室内模型试验，观察了温度变化对桩的承载力、桩身附加应力及侧摩阻力等产生的影响，得到了温度作用下能量桩的受力变化规律[9]；孔纲强等对进行多次的温度循环后能量桩的测试，得出桩体会产生热应变及侧摩阻力，并得到多次冷热循环下桩顶会产生累积沉降[10]；郭浩然等以Masing’s循环准则为基础，对传统桩-土间荷载传递关系进行修改，得到了更适合能源桩与周围土体之间荷载传递的关系，很好地解释了能量桩在长期工作荷载和冷热温度荷载下产生累积沉降等的问题[11]；骆湘勤等建立了温度影响下桩土间的荷载传递模型，并通过室内试验证实了其可行性，试验表明：温度升高会提高能源桩的极限承载力，其侧摩阻力也会随之增大[12]。本研究在前人的基础上，采用室内模型试验的方法，通过在桩基中埋设应变计、土压力盒及温度传感器，对循环温度场作用下能量桩的桩顶沉降、桩侧阻力及端阻力的变化规律展开研究。

1 试验方案

1.1 试验装置及仪器

1.1.1试验台

试验桶主要由底座、侧壁板、钢筋箍三部分构成，底座由圆形木板做成，侧壁板由亚克力板围成，外侧用钢筋笼箍住。模型试验桶内侧铺上透明塑料布，防止内部土体水分流失。试验桶直径为780 mm、高为1 100 mm。

1.1.2试验仪器

测量桩体应变主要为应变片和数显应变采集仪，应变片采用120-50AA免焊接应变片，数显应变采集仪为江苏东华测试技术有限公司生产的DH3818静态应变测试系统；测量土体温度主要采用PT100铂热电阻温度传感器连接西安亚星温度采集仪，在试验中要考虑应变片读数的温度效应；桩端压力采用电阻式微型土压力盒测量，测量范围为0～600 kPa；桩顶位移使用数显式百分表测量，百分表最大量程为12.7 mm；试验中水温控制仪器为上海力辰科技有限公司生产的HH-2数显恒温水浴锅，使用功率为150 W的全自动自吸水泵进行水循环，循环水速为22 L/min。

1.2 试验材料物理性质

试验所用土体取自于吉林省延吉市太平街以东延北街以北万城公馆项目，所取土为黄褐色的可塑黏土，其物理力学性质指标见表1 。

试验用模型桩桩长为900 mm，直径为107 mm，埋入土中800 mm；换热管采用单U形304不锈钢管，U形两肢相距39 mm，管外径为16 mm、管壁厚为1.5 mm；材料参数如表2所示。桶内填土采用分层填筑，每层厚度不超过200 mm，每虚铺一层夯实一层，填土时先在桶底部填筑100 mm土作为桩端土，并在桩端固定好土压力盒。

表1 试验用土物理力学性质Table 1 Physical and mechanical indexes of test soil

表2 材料参数Table 2 Material parameters

1.3 测点布置

试验中应变片贴在桩顶、距桩顶1/4处、距桩顶1/2处、距桩顶3/4处以及桩底处两侧。土压力盒固定在桩端模型槽正中位置，分层填筑桩周围土体，在填筑过程中，在桩体左侧将温度传感器分上、中、下三层布置在距离桩底54,161, 268 mm处，具体见图1。

图1 测点布置 mmFig.1 Arrangements of observation points

1.4 试验工况

试验模型布置好后，先将水浴锅水温升至指定温度，升温过程约为30 min，待温度稳定后，通过自吸水泵抽取水浴锅中的水流经能量桩模型后流回水浴锅，形成循环回路，达到指定温度后维持该温度24 h，然后将循环液体冷却至5 ℃并维持5 h。试验分五种工况进行，试验过程中记录不同温度荷载下桩顶位移、桩身应力以及土体温度，具体试验方案见表3。

表3 试验方案Table 3 Test schemes

2 试验结果分析

2.1 桩周土体温度

分析选择工况3中桩周土体的温度变化，取能量桩1/2桩长处水平面及距离桩中心线2倍桩径处竖直面温度传感器测得温度绘制土体沿径向和竖向深度方向的温度随时间的变化曲线，如图2所示。

a—土中径向; b—土中竖向。图2 土中温度-时间曲线Fig.2 The time history of temperature in soil adjoining piles

从图2可以看出：由于通入热水前，桩周土体温度与室温接近，故初始土温为20 ℃左右，加热过程中土体温度随时间增长都在升高，但靠近桩体的土体温度上升最高，同时在降温过程中，靠近桩侧的温度降低最快，而距离模型桩最远处土体温度基本没有变化，由于受室温影响，土体温度降至室温附近基本保持稳定。观察土体温度沿深度变化曲线可以发现：升温过程中任意时刻土体竖直面上的温度曲线呈现梭形；降温过程如沙漏，这说明接近能量桩中间部位的土体温度扩散速度快于桩上、下两端。

2.2 桩顶位移变化

不同温度下桩顶位移随时间变化曲线见图3，规定向上的位移为正，向下位移为负。

图3 不同温度下桩顶位移-时间曲线Fig.3 The time history of displacement for the pile top at different temperatures

从图3可看出：在升温阶段桩顶位移逐渐增大，这是由于桩体受热膨胀隆起，四种工况下桩顶累计位移分别为0.067 1，0.111 1，0.138 0，0.174 1 mm。24 h后对桩体进行制冷，桩体发生收缩，故桩顶位移逐渐下降，制冷结束后，4种工况下桩顶最终沉降位移分别为-0.042 9，-0.036 8，-0.034 5，-0.029 3 mm。此时桩顶在最初桩顶标高以下，说明单次循环结束后桩体受冷收缩的变化要大于受热膨胀的变化，且桩端黏土由于桩体膨胀产生变形，所以温度循环过后，桩顶沉降位移为负，与文献[7,13]结论相同。而在同一时刻温度升高越多位移向上越大；虽然制冷时温度骤降，但由于升温导致的膨胀很大，所以最终制冷造成的收缩量随温度增长而递减。

循环温度作用下桩顶位移的变化情况以工况5为例进行说明，五次循环下桩顶位移变化见图4，第一次循环结束后产生的附加沉降为-0.02 6 mm，之后每次附加沉降分别为0.002 52, 0.002 405,0.001 99,0.001 21 mm。

图4 经五次温度循环的桩顶位移-时间曲线Fig.4 The time history of displacement for the pile top subjected to five temperature cycles

由图4可看出:除第一次产生负的附加沉降以外，之后每次循环产生附加沉降均为正且随循环次数增加，附加沉降逐渐减小，说明随循环次数增加桩顶位移变化始终为向上膨胀，且这种膨胀是无法自行恢复的，在实际应用中，能量桩可能会使用很多年，在北方地区四季冷热交替，需要考虑能量桩在使用过程中，长期冷热循环产生的累积沉降对上部建筑物的影响。

2.3 桩端土压力变化

单次温度循环桩端土压力随时间的变化见图5，加热结束后，工况1～4桩端土压应力分别为0.127 7,0.173 6,0.202 2,0.254 3 MPa；制冷结束后，4种工况下桩端土压应力分别为0.094 7,0.117 4,0.133 4,0.157 0 MPa。

图5 单次温度循环桩端土压力-时间曲线Fig.5 The time history of earth pressure under pile bottoms subjected to single temperature cycling

整体上看，桩端压应力曲线随时间增长逐渐升高，这是因为桩体受热膨胀，桩端压应力随之增大并逐渐趋于平衡，而在24 h之后，对桩体进行制冷，桩体收缩，故桩端压力逐渐减小。由于40 ℃时，桩体本身膨胀收缩不明显，因此桩端压力变化很小。

以工况5为例，对多次温度循环作用下桩端土压力情况进行分析，土压力的变化曲线见图6，从中可以看出:随循环次数的增加，桩端土压力逐渐减小，每一次循环所导致的桩端土压力增量也呈现逐渐减小趋势，不仅与桩侧土的变化有关，也与桩端土性质有关，土体随温度循环次数的增加逐渐压密。

图6 多次温度循环桩端土压力-时间曲线Fig.6 The time history of earth pressure under pile bottoms subjected to temperature cycles

2.4 温度荷载引起的桩身附加应力

由于温度荷载和土体的约束作用，桩体发生变形时在桩体内部会产生轴向附加应力。这种由于温度荷载引起的桩身轴向应力可由式(1)得出：

σT=Eε

(1)

式中:E为桩体弹性模量；ε为应变。

试验选取的应力点分别为距桩顶L/4、L/2、3L/4处以及桩底四个位置，定义桩身产生的压应力为负，产生的拉应力为正。

2.4.1单次温度循环

图7所示为在升温结束时(第24小时)及制冷结束时(第29小时)桩身应力随埋置深度变化的曲线，曲线趋势与Cartney得到结论[14]一致。从图7可看出：在加热过程中，桩体热膨胀受到桩周及桩端土体的约束作用而产生压应力，压应力在靠近桩中心偏下的位置最大，而桩顶压应力要小于桩端压应力，这可能是由于桩顶无约束可自由伸长的缘故；而在桩端有土体的约束，桩体的下部分由于不能自由膨胀，故产生的压应力较桩顶要稍大一些。同一深度处温度越高产生的压应力越大；各种工况下最大压应力分别为0.516 6，0.602 4，0.688 2，0.774 0 MPa；制冷结束第29小时时的桩身应变小于第24小时时的桩身应变，最大压应力分别为0.371 3，0.412 1，0.452 8，0.493 5 MPa，此时虽然是制冷阶段但显示的仍然为压应力，考虑之前24 h桩体一直处于加热状态，由于热膨胀产生的应力并未完全抵消的缘故。此时桩端土体对桩底无约束，桩体可视为自由变形，桩体内产生防止其收缩的应力，应力沿深度先增大后减小，与加热过程相同，也是在桩体下半部分应力达到最大，制冷时温差越大压应力减小越快。

a—第24小时时；b—第29小时时。40 ℃; 50 ℃；60 ℃; 70 ℃。图7 第24、29小时时桩身附加应力-深度曲线Fig.7 Variation curves of additional stress in pile shafts at the 24th and 29th hours

2.4.2多次温度循环

图8所示为五次循环温度作用时的桩身应力沿深度变化曲线，图9为桩身应力随时间的变化曲线。

a—加热结束时(第24小时)； b—制冷结束时(第29小时)。第一次循环; 第二次循环； 第三次循环; 第四次循环； 第五次循环。图8 循环温度作用下应力-深度曲线Fig.8 Stress development curves in pile shafts subjected to cyclic temperature

由图8可以看出：随循环次数的增加，桩身由温度升降引起的附加应力逐渐增大，这是由于每次循环下桩身的应力发生了累积，冷热循环多次，桩身最大应力位置均在距桩顶3L/4位置处，未发生改变。在加热情况下，第三次循环开始，随循环次数的增加，应力变化值趋于稳定，此时热应力累积逐渐减小甚至消失，在制冷时，从第二次温度循环开始，桩体的拉应力就基本维持不变，冷热循环多次，桩身最大应力位置在距桩顶3L/4位置处，基本没变。

图9 循环温度作用下桩身应力-时间曲线Fig.9 The Time history of compressive stress in pile shafts subjected to cyclic temperature

图9中各时间点分别对应每一次循环的升温结束和降温结束时间点，共五个循环。从图9可知：随循环次数增加，桩体压应力呈先增大后减小，并以此反复的趋势，这是由于桩体反复胀缩引起压应力或拉应力，而图中未出现拉应力则是因为制冷时间较短，产生的拉应力还未将压应力完全抵消。

2.5 桩身侧摩阻力变化规律

能量桩在冷热循环过程中，桩体会发生热胀冷缩，而周围土体因对能量桩的约束，桩体与土体之间会产生相对位移和侧摩阻力，定义侧摩阻力向上的为正，向下的为负。升温结束第24小时时各工况下桩身侧摩阻力沿深度的变化见图10。

图10 第24小时时桩身侧摩阻力-深度曲线Fig.10 Curves of side frictional resistance along pile shafts at the 24th hour

从图10可知：桩体受热发生膨胀，桩体两端分别向上和向下运动，桩体上半部分产生负的侧摩阻力、桩体下半部分产生正的侧摩阻力，在距桩顶3L/4位置偏下侧摩阻力为零，即位移零点，而最大侧摩阻力在距桩端L/2处产生。由制冷结束时(第29小时)桩身侧摩阻力分布曲线(图11)可知：降温使桩体收缩，在下半部分产生负的侧摩阻力，与升温结束时一样，最大侧摩阻力点为距桩顶L/2处、中性点位置在距桩顶3L/4位置处。无论加热还是制冷情况，桩端附近产生的侧摩阻力数值均小于桩体上半部分侧摩阻力数值，考虑是因为桩端土的约束作用使得桩土相对位移较小的缘故。

图11 第29小时时桩身侧摩阻力-深度曲线Fig.11 Curves of side frictional resistance along pile shafts at the 29th hour

多次温度循环作用下桩身侧摩阻力随时间的变化以工况5为例，具体见图12。

图12 循环温度作用下桩身侧摩阻力-时间曲线Fig.12 The time history of lateral friction along pile shafts

从图12可看出：桩身侧摩阻力的变化趋势与热应力曲线变化趋势相同，侧摩阻力中性点始终在距桩顶3L/4偏下位置，而随循环次数的增加，不同深度处侧摩阻力最大值逐渐增加，这是由于随循环次数的增加，桩侧土体产生压密变形对桩体的约束作用增加的缘故。

3 结束语

桩周土温度的传播以换热管为中心圆环形向外扩散，接近能量桩中间部位的土体温度扩散速度快于桩上、下两端；温度升降在桩体内产生附加应力，应力沿桩身从桩顶到桩端呈现先增大后减小趋势，最大值在靠近桩体下半部分；桩端压应力及侧摩阻力随温度升高而逐渐增大趋势，随温度循环次数的增加，桩端最大压应力呈现逐渐减小趋势，且温度的变化会在桩侧产生负摩阻力，在设计时要适当考虑；桩顶位移随温度升高逐渐增大、随温度降低逐渐减小，每次温度循环结束后，在桩顶会产生附加沉降，因此在结构设计中应充分考虑多次温度循环引起的累积附加沉降，是否会影响上部结构的正常使用和安全性。