考虑软土超固结的静钻根植能源桩模型试验

曹光形，邓岳保，俞 磊，张日红

1）宁波大学滨海城市轨道交通协同创新中心，浙江宁波315211；2）宁波中淳高科股份有限公司，浙江宁波315042

近年来传统能源的消耗加剧和不可再生性导致能源危机愈演愈烈.“碳达峰、碳中和”理念的提出，进一步明确了中国节约能源、减少碳排放量的战略目标.在此背景下，能源桩在中国受到越来越多的关注［1］.静钻根植能源桩是近年来发展起来的一种外设水泥土过渡层、内含预制桩且与热交换管结合而成的新型能源桩，其工艺主要包括钻孔、扩底、注浆和植桩，具有如下特点［1-3］：由于增加了水泥土层和桩端扩底环节，桩侧摩阻力和桩端阻力得到提升；相比钻孔灌注能源桩，能源桩承载力高、造价低、泥浆排放少；相比一般的预制能源桩，能源桩挤土效应小、换热效率高.黄吉永等［4-5］结合中国宁波地区的桩基工程实际情况，提出基于静钻根植桩的能源桩技术，该技术在植桩过程中，利用桩身自重牵引热交换管下沉，比传统的地源热泵技术节省了埋管费用，且总工期缩短约1个月.方鹏飞等［6］提出了基于静钻根植工法的地热能源桩及其传热管埋设方法，并开展了现场测试，发现在深度方向桩身温度中部高、两端低；在径向2倍桩径处土体温度略有提升，4倍桩径处土体温度基本不变.王忠瑾等［7］通过开展能源载体下静钻根植桩室内试验，发现温度荷载引起的侧摩阻力变化值沿桩深存在中性点，中性点以下摩阻力沿桩深增加而变大；降温引起的摩阻力变化方向与桩顶施加荷载时相反.李富远等［8］对双层地基中静钻根植能源桩在冷热循环作用下的承载特性开展模型试验研究，结果发现3次冷热循环后桩顶和桩周土表面均产生累积沉降，模型桩附加温度应力沿深度分布均表现为中间大两端小，位移变化零点随着桩顶荷载增大而上移.娄扬等［9］通过热响应试验和多场耦合分析，发现提高换热管间距、换热管导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数均能提高静钻根植能源桩的换热性能.

目前的研究大都围绕静钻根植能源桩的承载特性和换热特性展开，未考虑软土超固结状态的影响.关于软土温度效应的研究表明［10-11］，正常固结土加热以后产生热沉降，超固结土加热以后产生热膨胀.由此可推测，软土的超固结状态将对能源桩桩土界面摩擦特性产生显著影响，进一步影响能源桩的承载特性.本研究基于静钻根植能源桩模型试验手段，测试热力耦合作用下能源桩在不同超固结状态软土中承载特性的变化，为软土地基中静钻根植能源桩承载特性研究和环境效应评估提供支撑.

1 模型试验

1.1 试验土样

试验土样取自中国宁波江北区某基坑工程，为宁波地区典型饱和淤泥质软黏土，土体呈灰褐色.根据土工试验规程，测得初始状态下试验用土的基本物理性质指标：密度为1.704 g/cm3，含水率（质量分数）为42.7%，比重为2.74，孔隙比为1.29.

1.2 试验设备

静钻根植能源桩模型试验系统主要由模型桶、模型桩、水循环热交换系统、加载系统和量测系统组成，如图1.

图1 能源桩模型试验示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of energy pile model test（单位：mm）

模型桶为不锈钢材料圆柱体，直径为500 mm，高为1 200 mm.桶壁外围贴上一层保温隔热层，以减少热量损失.将黏土填满至模型桶顶部，通过注水保持其为饱和土状态，以此来更好地模拟静钻根植能源桩的实际应用地质条件.

模型桩为复合桩体，由预制桩和水泥土组成.复合桩体直径D=90 mm.其中，预制桩直径d=50 mm，每隔150 mm有2 mm的竹节状凸起，长L=900 mm，埋深H=900 mm，材料为有机玻璃.预制桩外围裹上一层水泥土；水泥土厚度20 mm；植桩前预制桩周围以双U型方式绑扎8 mm的两进两出的换热水管，形成静钻根植能源桩.

水循环热交换系统由换热箱、换热管和制热（冷）系统组成.换热箱的功率为1 200 W，最大扬程为10 m，且能在指定环境下持续稳定工作.

加载系统主要包括液压千斤顶、反力架、杠杆（加载比1∶3）、吊篮和砝码.测量系统包括应变片、温度传感器、百分表、孔隙水压力计和静态应变测试仪.

1.3 试验方案

为了研究不同超固结状态土体条件下静钻根植能源桩的受力特性，设计了两组模型试验.试验1为正常固结软土，土体超固结比（over-consolidation ratio，OCR）为1；试验2地基土体为超固结土，土体OCR=3.试验中首先在桩顶施加400 N的荷载；然后通过水循环加热系统模拟能源桩的运营情况.加热时较室温升温15℃，持续加温时间为7 d.

1.4 试验过程

1）模型地基填筑

首先将试验土体充分搅拌、重塑，分3层填筑；土层虚铺高度0.5 m，在预压荷载作用下静置24 h；最后1层土体填筑高度控制在1.1 m，其后满铺0.1 m厚度的砂垫层（与桶高齐平）；再于砂垫层上预压荷载持续加载2周，此时模型地基沉降基本稳定.试验1的预压荷载为5 kPa，模拟正常固结土地基；试验2的预压荷载为15 kPa，模拟超固结土地基.

2）埋设传感器与成桩

模型地基形成后，撤下预压荷载，开始传感器的布设和植桩.首先，将应变片对称贴于预制桩并做好标签以便记录数据.然后，在模型桩外侧接上双U型进出水管，将其缓放入90 mm内径的PVC管并浇筑事先配好的水泥土.水泥土配比为m（土）∶m（水）∶m（水泥）=5.1∶3.8∶1.1.养护7 d硬化后，锯开PVC再放置于标准养护室养护7 d，取出模型桩后再在水泥土两侧贴与芯桩位置相同的应变片.其中首尾应变片距离桩顶、桩底75 mm，中间间隔150 mm，对称贴于芯桩和桩周水泥土旁，共24片.之后使用直径90 mm的取土器在模型地基中心点钻孔，并在底部扩底，形成900 mm深的桩孔.再将已埋设传感器的复合模型桩以中心点为基准，缓缓放入钻孔中.24个应变片全部与静态应变测试仪连接并开始自动采集数据.在桩身旁距离桶顶200、450和900 mm，以及1倍桩径（距桩中心90 mm）和2倍桩径（距桩中心180 mm）位置处，分别放置5个孔压计（A1至A5），用来测量土中温度及孔压的变化.最后，在桩顶及1倍桩径、2倍桩径位置处架设3个百分表，用来记录地表沉降变化.传感器布设位置具体如图1.

3）加载与加温

桩土系统施工完成后，在砂垫层上施加5 kPa预压荷载，然后开始热力耦合试验.桩顶加载：采用分级加载法，使用5.1 kg砝码和杠杆加载，每级荷载为50 N.当桩顶沉降小于0.01 mm/h时加下级荷载，共加至400 N.加温：试验采用THD-2030低温横槽箱，通过水循环热交换系统给桩体施加温度荷载.

2 试验数据与分析

2.1 温度变化规律

图2（a）为土层OCR=1试验组桩身与桩周土温度变化.模型试验室温稳定在32.5℃左右，受大气温度变化影响不大.由图2（a）可知，在模型试验初期，各位置温度都在升温，其后趋于平缓；不同位置处温度增加幅度不同.其中，桩顶A1升温幅度最大，其后温度值缓缓趋于热水温度变化值，达到15.1℃；桩径2倍处的桩周土A5升温幅度最小，且最终的温度变化值最小，为7.1℃，接近A1升温的1/2，但在桩顶A1趋于稳定后其温度还略有上升，这与温度传递的延迟性有关；A2、A3和A4的趋势以及温度变化值则十分接近，介于A1和A5之间.此外从不同位置温度变化来看，桩中A2的温度低于桩顶A1与桩底A3，而1倍桩径A4的温度明显高于2倍桩径A5的温度.

图2（b）为土层OCR=3试验组的温度变化规律.试验环境温度维持在28.3℃左右.从图2（b）可以看出，各位置温度总体趋势和图2（a）相同，但是变化幅度略有不同.桩中A2位置比桩底A3和桩顶A1上升幅度都大，为16.5℃，与OCR=1时有所不同.这是因为超固结土进行试验时的气温比正常固结土时的气温低，桩身上部土层温度受大气温度影响较大，而超固结土的桩底土层为致密黏土，导热系数较高，热扩散条件要优于桩身中上部土层，故桩底温度下降较快，桩中温度大于桩顶和桩底.而1倍桩径A4上升温度同样高于2倍桩径A5.此外桩中在所有位置中温度升幅最大，2倍桩径则最小，为10.8℃，但是比OCR=1时的升幅要大.

图2 桩身及桩周土温度变化Fig.2 The temperature change of the pile body and the soil around the pile

2.2 孔压变化规律

图3为OCR=1和3时桩侧以及桩周临近土内的热孔压变化规律.由图3可知，各位置孔压总体趋势先快速上升后逐渐消散.其中，桩顶A1和1倍桩径A4处上升值较大，桩底A3和2倍桩径A5处上升值较小，但桩中A2的孔压变化明显不同：正常固结土桩中A2孔压上升较慢且变化值较小，超固结土则反之.由于超固结土的A2处升温较大，故此时引起的热孔压较大，上升速率较快，变化值也较大，接近最大孔压变化值.OCR=1试验组的超静孔压消散时长为60 h左右，而OCR=3试验组的超静孔压消散时长大约为80 h，表明超固结土中超静孔压消散速率慢.

图3 桩身及桩周土孔压变化Fig.3 The change of the pile body and soil pore pressure around the pile

2.3 沉降变化规律

图4所示为桩顶及桩周土沉降变化规律.由图4可知，两组试验各位置沉降趋势最后均趋于稳定，但两种情况地基沉降规律不同.桩顶沉降均呈抛物型，随着时间增加先增大后趋于稳定，最终值分别为2.976 mm和2.780 mm.1倍和2倍桩径处的沉降在加热初期有微弱回弹，OCR=3试验组回弹更明显，其中，OCR=1的正常固结土在1倍和2倍桩径处地表回弹极值分别为0.420 mm和0.185 mm，OCR=3试验组地表回弹值则为0.54 mm和0.20 mm.随后沉降快速增加，直至稳定.其中，OCR=1的正常固结土在1倍和2倍桩径处地基最终沉降值分别为3.664 mm和2.502 mm，OCR=3试验组则为3.41 mm和2.25 mm，即超固结土各位置处的沉降均小于正常固结土沉积量.

2.4 桩身应力分析

2.4.1 桩身附加温度应力

参考方鹏飞等［1］给出的桩身附加温度应力的计算方法，得到不同固结比模型地基情况下预制桩和水泥土附加温度应力，结果如图5.其中，Δt为温度升高幅度.

图5 不同超固结比下的附加温度应力Fig.5 Additional temperature stress under different over-consolidation ratios

预制桩材质为有机玻璃材质，由于其热膨胀系数大于水泥土6～7倍，因此其附加温度应力也大于水泥土1个数量级.在桩顶荷载400 N下，土层不同超固结比情况下的预制桩附加温度应力呈先增大后减小的趋势，且水泥土附加温度应力与预制桩趋势基本一致.正常固结土的最大附加温度应力出现在桩身375 mm处，且随着固结时间增加而增大，最大值为0.495 MPa，超固结土的最大附加温度应力出现在桩身225 mm处，为0.446 MPa.

结合图4桩顶和桩周沉降，正常固结土在加热初期11.3 h内先产生膨胀后逐步沉降，在1 d后沉降位移大于膨胀位移，约90 h后沉降趋于稳定，而超固结土在加热22.3 h内产生膨胀后沉降，在30 h后沉降位移大于膨胀位移，约130 h后沉降趋于稳定.正常固结土和超固结土的桩身和水泥土附加温度应力随着固结时间（1、3、5和7 d）增加而增加，在1 d至3 d温度应力增值较大，正常固结土在5 d至7 d温度应力增加趋于稳定.

2.4.2 轴力

由桩身附加温度应力可得附加轴力，进一步可得模型桩在热力耦合作用下的轴力分布.图6为不同加热时间下桩身不同截面轴力沿深度的变化规律.在上部荷载作用下，桩身轴力由于温度作用沿深度先增大后逐渐减小，正常固结土和超固结土最大轴力分别为971 N和934 N.桩体由于加热产生的轴力已大于上部荷载的50%，因此，在桩基承载力计算中不应忽略温度荷载的作用.水泥土作为预制桩和桩周土之间的过渡层，水泥土主要起荷载传递作用，承担上部荷载的比重较小，轴力沿深度分布规律与预制桩略有差异.

图6 不同超固结比下的桩身轴力Fig.6 Axial force of pile body under different over-consolidation ratios

2.4.3 侧摩阻力

图7为在不同温度升高幅度Δt下，模型桩桩侧-水泥土和水泥土-土摩阻力在不同超固结比下与桩埋深度的发展规律.由图7可知，预制桩在上部荷载作用时，桩身产生压缩变形，桩-土间产生相对位移，桩侧摩阻力得到发挥，总体上侧摩阻力沿深度先增大后减小.正常固结土预制桩最大平均侧摩阻力位于200～350 mm处，达4.75 kPa，超固结土最大平均侧摩阻力在350～500 mm处，为4.50 kPa，略低于正常固结土试验组.加热系统运行后，桩身侧摩阻力在上部荷载与温度共同作用下，桩身侧摩阻力发生了变化.结合图2至图4可知，温度荷载作用初期由于桩顶荷载作用桩顶附近产生了较少的负摩阻力，对比不同超固结比土体中桩身侧摩阻力，正常固结土中性点上移，超固结土负摩阻力仅发生在桩顶附近，可见附加桩侧摩阻力的发挥由于受附加桩土相对位移作用；桩周土体为超固结土时，产生的负摩阻力的范围较小.从图7中还可看出，温度引起的预制桩和水泥土附加桩侧摩阻力与附加温度应变趋势相同，水泥土由于主要承担荷载传递作用侧摩阻力，变化规律基本与预制桩同步.

图7 不同超固结比下的桩侧摩阻力Fig.7 Side friction resistance of piles

3结论

1）不同超固结比软土条件下，升温后桩体及桩周土温度分布规律基本一致，均为先增大后趋于稳定的趋势，热量在桩周土层中的扩散程度随离开热交换管（热源）的距离增大而减小.

2）土层不同位置处热孔压变化趋势不尽相同；超固结比对土层超静孔压消散有一定影响，超固结土层中超静孔压消散速率相对较慢.

3）热力耦合作用下，桩顶沉降呈抛物线型发展规律，随着时间的增加先增大后趋于稳定；桩周土沉降在加热初期有微弱回弹，随后逐渐转为沉降；超固结土地基回弹更加明显，变形稳定后的沉降值小于正常固结土情况.

4）预制桩附加温度应力呈先增大后减小的趋势，水泥土附加温度应力与预制桩趋势基本一致；超固结土地基中桩身的最大附加温度应力位置高于正常固结土情况；温度引起的最大轴力超过桩身轴力的50%，在桩基承载力计算中不应忽略温度荷载的作用.

5）加热初期桩周土体发生膨胀，正常固结土较超固结土的桩侧摩阻力中性点位置上移，超固结土负摩阻力仅发生在桩顶附近.桩周土体为超固结土时，最终产生的负摩阻力的范围相对较小.