饱和黏土地基中能源桩热-力学特性试验研究

常 虹，朱万里，王 琰，赵嵩颖

1）吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，吉林长春130118；2）吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春130118

能源桩作为一种新型的桩基埋管技术，直接将换热管埋于建筑物的混凝土桩基中，把地源热泵技术与建筑桩基结合起来，既能承担上部建筑物荷载，又兼具地源热泵换热器的作用.能源桩技术最早于20世纪80年代被提出，并很快在奥地利、德国和瑞士等国家得到推广［1-2］.与传统的地源热泵相比，能源桩造价更低、节省地面空间及节能环保，符合低碳发展的需要.能源桩在温度循环换热时，会引起桩周土温度场的变化，桩身会产生附加应力和变形，从而影响桩基承载性能.

在能源桩设计过程中，需着重考虑如何克服温度循环对桩基力学特性的影响.近年来，针对能源桩的热-力学特性，相关学者开展了系列研究并已取得一定成果.STEWART等［3］研究了粉质黏土地基中能源桩与桩周土的相互作用机理，发现连续的加热-制冷循环可导致桩顶和土体表面产生沉降；桂树强等［4］基于原位响应试验，针对粉质黏土和砂岩地基中能源桩的力学特性进行研究，可知桩顶沉降速率在制热时减小，在制冷时增大；NG等［5］分析了不同超固结比黏土中摩擦型能源桩的热-力学特性，发现随着超固结比的增大，桩顶位移逐渐减小；王成龙等［6］基于室内模型试验方法，对饱和砂土能源桩热-力耦合作用时的桩身承载力特性和传热特性进行研究，得出桩顶沉降随温度循环次数的增加不断累积的结论；YAVARI等［7］对饱和黏土中能源桩在热-力作用下的力学性能进行研究，发现随着工作荷载的增大，黏土蠕变速率增加，多次热循环导致桩体产生不可逆沉降；刘干斌等［8］通过开展模型试验，分析饱和黏土中不同温度工况下能源桩承载力特性，发现升温后地基发生热固结现象，表现为沉降变形，单桩极限承载力随温度的升高而增大；路宏伟等［9］通过现场原位试验，分析了摩擦型能源桩在荷载-温度作用下的承载力特性与荷载传递特征，发现桩身附加应力的大小与桩身温度呈线性关系，荷载-温度耦合作用改变了摩擦型能源桩的荷载传递特征和承载性状，并引起桩顶位移变化；WU等［10］研究了饱和黏土中能源桩、相邻的传统非制热桩和承台之间的相互作用，可知邻桩和承台对能源桩的沉降起到约束作用；费康等［11］基于数值模拟与模型试验，对非饱和黏土地基中能源桩长期运行的力学特性进行了研究，可知桩顶累积沉降随温度循环次数的增多而增大；陆浩杰等［12］运用ABAQUS软件验证模型可靠性后，建立黏土地基中的能源桩数值模型，可知温度循环会导致桩周土体产生累计沉降；任连伟等［13］基于现场试验开展管式能源桩在热-力耦合作用下的能源桩承载力特性研究，发现管式能源桩的换热率随桩身加热时间的增加而逐渐减小.

目前，针对能源桩热-力学特性的研究主要集中于砂土和非饱和黏性土地基，关于饱和黏土地基的研究相对较少.鉴于饱和黏土具有高含水量、低强度、高压缩性和低渗透性等特点，且温度改变引起的饱和黏土变形会改变桩土的位移模式，进而改变桩侧阻力和端阻力的发挥.本研究结合室内模型试验，展开饱和黏土地基能源桩在冷热交替循环过程中的力学特性分析，为能源桩在饱和黏土地基的应用给出建议.

1 试验设计

1.1 试验系统与设备

能源桩热-力响应试验系统包括模型槽、量测系统、换热系统和加载设备.模型槽是由聚甲基丙烯酸甲酯板材围成的直径550 mm的圆桶，该材料具有延展性好和抗冲击力强等特点.紧贴模型槽内壁覆有透明塑料薄膜，以防止内部土体水分流失.基准梁横跨模型槽两侧，用以固定数显百分表，测量桩顶位移.假定基准梁与大地变形协调，不考虑基准梁形变对数据的影响.测量系统包括DH3818静态应变测试系统、120-50AA混凝土应变片（量程0～2×104με，1/4桥式）、电阻式微型土压力盒、PT100铂热电阻温度传感器、温度采集仪和数显式百分表（精度0.01 mm）等.应变片和土压力盒与DH3818相连，温度传感器与温度采集仪相连，可自定义采集频率，数据自动采集.换热系统由数显恒温水浴锅及全自动自吸水泵组成，导热液体为水，循环流速为22 m/min.加载设备为铁制砝码，工作荷载与桩顶之间垫有刚性加载板.

1.2 桩周土体参数

试验用土为饱和黏土，各项物理力学参数由常规土工试验测得，其中，固结试验分级加载按照50、100、200、300和400 kPa五级加载方式，黏聚力采用直剪（快剪）方式测得，参数如表1.

表1 饱和黏土物理性质Table 1 The physical properties of saturated clay

1.3 模型桩制作

模型试验桩直径D=84 mm，桩长L=500 mm，混凝土强度等级为C30，主筋由3根HRB400C8 mm钢筋组成，箍筋为B6 mm@100 mm.换热水管为聚氯乙烯钢丝软管，水管外径为14 mm，内径8 mm，试验采用单U型埋管方式，U型两肢相距32 mm.

1.4 试验方案

1.4.1 准备工作

模型槽直径550 mm，约为6.5倍桩径，槽内土体高度H=500 mm.首先铺设100 mm桩端持力层，将模型桩放置到预定位置确保桩端与土完全接触，校正其垂直度并固定，防止模型桩因自重下沉.桩周土的填筑分3层进行，每层高20 cm，以18 kPa荷载静压48 h后再进行下一层填筑.每填筑1层适当对土体喷水并取样测试，以确保土体达到饱和状态.填土完成后，将砝码均匀放置在土体表面的圆环载荷板上，将模型地基静压1周，以形成正常固结状态的饱和黏土地基.

模型槽各传感器布设如图1.在距离土体表面5、200和400 mm深处分别布置3层温度传感器，每层布置4个，共计12个（T1～T12）.同一深度处传感器分别距桩轴线42 mm（D/2）、84 mm（D）、168 mm（2D）、252 mm（3D）.土体表面距桩侧30、130和230 mm处分别布设3个百分表B3、B4和B5，以测定土体沉降；桩顶对称布置两个百分表B1和B2，以测定桩顶竖向位移，读数取二者均值.土压力盒布置在桩端下，距离模型槽底部10 cm，以测量桩端阻力；在桩身两侧对称黏贴应变片，每侧4片等距布置，共计8片.

图1 测点布置（单位：mm）Fig.1 Layout of measuring points（unit：mm）

1.4.2 能源桩静载荷试验

能源桩静载荷试验开始前，利用饱和黏土及模型桩的物理力学参数估算桩的极限承载力.静载试验采用慢速维持荷载法，加载过程中记录桩顶沉降.当每级荷载下桩顶沉降量小于0.1 mm/h时，则认为已趋于稳定，可施加下一级荷载.当某级荷载下桩顶沉降量达到前一级荷载下沉降量的5倍，则立即终止加载.根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［14］的规定，荷载-沉降曲线上出现陡降段时，单桩极限承载力取陡降段起点的荷载值.能源桩静载荷试验曲线如图2，取工作荷载为0.5 kN.

图2 荷载-沉降曲线Fig.2 Load-settlement curve

1.4.3 试验工况

根据温度荷载大小、循环次数及桩顶荷载情况，将试验分5种工况进行，具体见表2.

表2 试验工况Table 2 Test conditions

工况1至工况3初始温度设置为20℃以模拟室温，分别将循环液体加热至50、60和70℃，升温过程约为15 min，达到目标温度后维持24 h，随后迅速冷却至初始温度并维持5 h，至桩顶沉降逐渐趋于稳定.工况4和工况5将温度循环设定为5℃→70℃→5℃，升温过程约为30 min，达到70℃后维持24 h，随后将循环液体迅速冷却至5℃并维持5 h，至桩顶沉降趋于稳定再进行下次循环，如此循环3次.

2 结果与分析

2.1 桩身和土体温度变化规律

选取工况1至工况3的T1测点数据，分析循环水温度对桩身温度的影响（图3）.从图3可以看出，初始阶段桩身温度升高较明显，超过5 h后逐渐趋于稳定，3种工况下桩身最高温度分别为30.0、34.8和38.5℃，可知桩身温度随入水温度的升高而升高.

图3 不同循环温度下桩身温度变化曲线Fig.3 The change of pile temperature with time in different test conditions

工况4和工况5在多次温度循环下桩身温度变化见图4.从图4可知，两种工况的循环水温度一致，温度曲线基本相同.桩身各点温度在初始阶段升温较快，超过5 h后逐渐趋于稳定，测点T1、T5和T9的最高温度分别为38.8、35.3和25.7℃，沿深度方向桩身温度逐渐减小，随循环次数的增加，桩身最高温度先降低后升高.考虑是桩周土体温度改变较为滞后，桩-土换热量先增加后减小的缘故.

图4 工况4至工况5桩身温度随时间变化曲线Fig.4 The change of pile temperature with time in the fourth and the fifth conditions

图5为距离填土表面200 mm深度处土体沿径向的温度变化.从图5可以看出，距离桩越远土体温度越低，远端T8点的温度变化不明显；随循环次数的增加，土体温度曲线逐渐变缓，温度逐渐降低.

图5 工况4土体温度随时间变化曲线Fig.5 The change of soil temperature with time in the fourth condition

2.2 桩顶和土体位移

2.2.1 桩顶位移

工况4多次温度循环下桩顶沉降变化如图6，规定向上的位移为正，向下的位移为负.从图6可以看出，升温阶段桩体发生膨胀，桩顶产生向上的位移，最大上升位移为0.089 mm；降温时桩体收缩位移向下，最大沉降为0.052 mm，降温所导致的沉降量大于升温的膨胀量.随着循环次数增加，桩体的不可恢复沉降逐渐累积，3次温度循环后桩顶产生累积沉降量达-0.052 mm（0.6%D）.此结论与NG等［5］、YAVARI等［7］和KALANTIDOU等［15］的结论一致.工程上须保证能源桩长期运行的稳定性，而桩顶位移尤其是沉降位移是影响结构安全的重要因素，尤其对于饱和黏土地基，多次温度循环后的桩顶累积沉降应引起足够重视.

图6 桩顶位移变化曲线Fig.6 The displacement of pile top with time

2.2.2 土体位移

选取工况4土体表面竖向位移数据绘制位移-时间曲线，如图7.百分表B3靠近桩身，由于升温阶段桩体膨胀产生挤土效应，土体表面隆起，故表现为较大的上升位移，不予考虑.升温阶段，由于土体发生热固结现象产生沉降；降温会加剧土体沉降.考虑是由于超静孔隙水压力的消散使土体固结程度增大的缘故.受土体温度场的影响，靠近桩身土体的沉降速率大于远端.随循环次数的增加，土体沉降速率呈减小趋势，3次温度循环后，B4和B5处土体的最终沉降量分别为-1.19 mm和-0.61 mm.因此，能源桩应用于饱和黏土地基时，设计阶段需考虑到黏土发生热固结现象，产生收缩变形对桩基承载力的影响.

2.3 桩身应力及桩侧摩阻力分布规律

2.3.1 桩身附加应力变化规律

温度循环引起的桩体膨胀和收缩受到约束时，在桩体内部会产生轴向附加应力，此时桩身实际热应变小于自由应变εT-free，产生热应力σT为

其中，σT为温度荷载下桩身的附加热应力；E为弹性模量；εT-Rstr为温度荷载下桩身的附加热应变；εT-free为温度荷载下桩身的自由应变；εT-obs为温度荷载下桩身的观测应变；αc为桩体热膨胀系数；Δt为测点温差.定义桩身产生的压应力为负，拉应力为正，桩身各深度处的实测应变值见表3.

表3 桩身各深度处的监测应变数据Table 3 Observed strains data of piles of different depth ×10-6

图8（a）为工况1至工况3中升温和降温结束时的桩身附加应力沿深度分布曲线.从图8（a）可以看出，升温阶段温度越高桩身产生的压应力越大，土体表面处的桩身压应力小于桩端压应力，考虑是由于桩顶无约束可自由伸长而桩端受土体的约束不能自由膨胀的缘故.3种工况下最大压应力分别为538.70、611.59和694.48 kPa，均出现在桩中心偏下位置.降温阶段桩体内部产生防止其收缩的应力，但未将升温阶段产生的压应力完全抵消，降温结束时桩身应力仍表现为压应力，最大值分别为268.53、298.90和329.26 kPa.

图8（b）为工况4和工况5第1次循环时的应力沿深度分布图.零荷载作用时，升温阶段产生的最大压应力为475.10 kPa，降温结束时最大应力值减小为194.56 kPa.工作荷载作用下，由于工作荷载对桩顶起到约束作用，靠近桩体中间部分的热应力最大，其值为593.40 kPa，降温结束后最大应力值减小为217.24 kPa.工作荷载作用下，桩体热应力分布与零荷载作用时差别较大，尤其升温阶段桩体上部热应力增加较多，考虑是由于桩顶工作荷载的约束作用，该分布规律与BOURNE等［16］的分析基本一致.

图8（c）为工况5即工作荷载作用下桩身热应力沿深度分布图.工作荷载作用下，随循环次数的增加，温度荷载引起的的附加应力逐渐增大，最大热应力均位于桩身中部偏上位置，考虑是由于桩身热应力随温度循环产生累积的缘故，且热应力累积增量随次数的增加呈减小趋势.

图8 桩身应力-深度分布曲线Fig.8 The stress distribution along depth

2.3.2 桩体侧摩阻力变化规律

温度荷载作用下，桩体会发生热胀冷缩，由于桩体和土体热膨胀系数的差别，桩-土接触面会产生相对位移，从而引起桩侧摩阻力的改变，不同深度处的桩侧摩阻力为

其中，D为桩体直径；Δl为相邻应变片的间距；j=1、2、3、4，表示从土表面到桩端应变片编号.定义侧摩阻力向上为正，向下为负.

工况1至工况3中第24 h和29 h的桩身侧摩阻力-深度分布曲线如图9.桩体受热时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，下半部分产生正的侧摩阻力.3种工况下最大侧摩阻力值分别为46.66、54.06和61.47 kPa.降温阶段桩体收缩，桩体上部侧摩阻力为正，下半部分为负.3种工况下最大侧摩阻力值分别为22.31、27.44和31.12 kPa.由图9可知，桩身侧摩阻力随循环温度的升高而逐渐增大，无论升温阶段还是降温阶段，位移零点均产生在桩身中部偏下位置.最大侧摩阻力点均出现在桩身中部偏上位置，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.考虑因为桩端土的约束作用使桩-土相对位移较小的缘故.

图9 工况1至工况3侧摩阻力沿深度分布Fig.9 The shaft friction distribution along depth in the first，the second and the third conditions

工况4和工况5的第1次循环升温和降温结束时的桩体侧摩阻力沿深度分布如图10.桩体升温时，桩体上部侧摩阻力为负，下部侧摩阻力为正，降温时恰好相反.第24小时，零荷载和工作荷载作用下最大侧摩阻力值分别为62.13 kPa和45.95 kPa；第29小时，二者最大侧摩阻力值分别为29.94 kPa和47.31 kPa.工作荷载作用下，由于上部荷载作用使桩身整体下沉，产生负摩阻力的区域逐渐变小，相较于零荷载作用时，位移零点上移至桩中部偏上位置.

图10 工况4至工况5侧摩阻力沿深度分布Fig.10 The shaft friction distribution along depth in the fourth and the fifth conditions

温度循环次数对桩体侧摩阻力的影响请扫描文末右下角二维码查看表S1.多次温度循环后，降温时位移零点下移至桩体中部偏下位置，升温阶段位移零点的位置始终保持在桩体上部.3次循环升温阶段最大侧摩阻力值依次为45.95、48.95和50.55 kPa；降温时最大侧摩阻力值依次为47.31、52.36和52.89 kPa.随着循环次数的增加，侧摩阻力逐渐增大，增量逐渐减小，考虑是多次冷、热循环使桩侧土体产生固结变形对桩体的约束作用增强的缘故.

3结论

1）升温阶段初期能源桩桩体升温较快，5 h后逐渐趋于稳定，桩身温度沿深度方向逐渐减小，土体温度沿径向逐渐降低.多次温度循环使土体发生热固结现象，填土表面最终表现为沉降.受温度场的影响，靠近桩身的土体的沉降速率大于远端.随循环次数的增加，土体沉降速率呈减小趋势.温度的升高和降低导致桩身发生膨胀和收缩，降温阶段所引起的桩顶沉降量大于升温产生的膨胀量，且多次温度循环导致桩顶产生不可逆的累积沉降，其累积变形可能会对上部结构的安全造成影响，需要在设计时给予足够的考虑.

2）温度荷载所引起的桩身附加应力随温度的升高和循环次数的增加而逐渐增大，工况5中3次循环后桩身附加热应力最大值达到695.40 kPa，且该值大小随桩顶约束条件的变化而有所差异，其所在位置随桩顶荷载的增加而逐渐上移.

3）升温时桩体上部产生负的侧摩阻力，下部产生正的侧摩阻力，降温时恰好相反.桩身侧摩阻力随温度的升高而逐渐增大，任一工况桩端附近产生的侧摩阻力数值均小于桩顶部分的侧摩阻力数值，且侧摩阻力随循环次数的增加而逐渐增大，工作荷载的作用导致桩身产生负摩阻力的区域逐渐变小，位移零点逐渐上移.

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