静钻根植能源桩技术及其应用

方鹏飞，张日红，娄 扬，刘春阳，潘卫杰，张秋善，王忠瑾，谢新宇

1）浙大宁波理工学院，浙江宁波，315100；2）浙江大学宁波研究院，浙江宁波315100；3）中淳高科桩业股份有限公司，浙江宁波315145；4）浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江杭州310058

近年来，全球极端天气频发，气候问题已成为世界各国关注的热点问题.英国、法国、美国和澳大利亚等先后提出了相关政策和法案［1-5］.中国政府高度重视气候变化问题，2010年提出了《中国应对气候变化国家方案》及相关任务，并开展相关科学研究，调整能源结构，努力减缓全球气候变化做出贡献［1，6］.2016年，全世界178个国家共同签署了《巴黎协定》，要求控制温度上升［7］.2020年9月，中国提出碳达峰和碳中和目标［8-9］.为达到这一目标，除在各行业强化节能思维外，关键是从源头上减少二氧化碳温室气体的排放.

据统计，2018年中国建筑运行能耗为10亿t标准煤，占全国能源消费总量的21.7%，碳排放为21.1亿t，占全国能源总碳排放的21.9%，控制建筑领域的碳排放对实现碳中和的目标具有举足轻重的地位［10］.2019年，中国能源消费中，煤炭消费量占57.7%，清洁能源仅占23.4%，能源消费结构还需进一步优化［10-11］.

作为一种清洁的、可再生的建筑节能技术，地源热泵系统在建筑暖通与空调领域得到越来越广泛的应用［12］.在建筑能耗中，接近60%为空调系统和热水系统能耗.与常规的电空调相比，地源热泵系统能效比高，在运行过程中还能同时提供生活热水，综合能效显著.一般来说，浅层土体具有在达到一定深度后温度常年基本保持不变的特点.地源热泵技术就是利用少量的电能，将浅层的低品位地热能转化为高品位能，用于建筑供暖和制冷.据统计，与直接利用电能相比，地源热泵系统能节约75%左右的电能［13］.据统计，中国浅层地热能年均资源量可达7亿t标准煤，储量巨大，地源热泵技术的应用具有显著优势和广阔的应用前景［13-14］.

20世纪80年代开始，奥地利和瑞士首先将地源热泵技术与建筑物基础相结合，开发利用浅层地热能，称之为能源基础（energy foundation）［15］，包括能源桩、能源隧道、能源地连墙和能源筏板等.与传统的钻孔埋管地源热泵技术相比，能源基础以显著的优势得到广泛应用.一方面，它能消除换热管埋设的钻孔费用和渣土搬运费用；另一方面，能源基础具有较大的换热面积，能减少因换热管间距小而引起的热干扰现象，换热效能显著提高.

在能源基础中，应用较为广泛的是能源桩（energy pile）.若夏天和冬天在土体中输入和输出的能量达到平衡，就能充分发挥土体良好的蓄能性能，比较适合于冬冷夏热地区.而在中国长江中下游地区，特别是沿海地区，建筑桩基应用相当普遍，桩长普遍在30 m以上，高层建筑桩基更是达到50 m以上，这类桩作为能源基础，能发挥其承载和换热两种功能，而且换热效能较高.

能源桩技术已在世界各地得到广泛的应用，现阶段主要是利用传统的钻孔灌注桩和预应力管桩作为载体，在换热管埋设过程中，换热管的施工比较复杂，其安全性不易保证，而且对桩基施工工期影响较大，因此影响其推广应用.本研究对传统能源钻孔灌注桩和能源预制管桩施工工艺优缺点分析的基础上，介绍了静钻根植地热能源桩技术，并结合实际工程开展其现场热力原位试验.

1 传统能源桩技术

一般来说，能源桩主要利用竖向的圆形钻孔灌注桩或圆形（方形）预制桩作为载体，施工过程中将换热管附于钢筋笼或桩身空心腔体内，并保证换热管与桩身混凝土或岩土体充分的接触，让桩基除承受和传递上部建筑荷载外，也起到换热器的功能.

1.1 能源钻孔灌注桩

钻孔灌注桩与地源热泵技术相结合形成能源钻孔灌注桩［16-18］，主要的施工工艺包括：①定位和成孔.确定桩位，利用钻头进行钻孔，至设计标高.②设置钢筋笼.在成孔过程中，分节制作钢筋笼.成孔完成后，将完整的（无接头）换热管固定于钢筋笼，让换热管随钢筋笼一起沉入孔内.在钢筋笼焊接过程中，要注意换热管的保护.③浇筑混凝土.完成钢筋笼下放和清空后，利用导管浇筑混凝土，尽量减小其对钢筋笼和换热管的撞击.④换热管的保护.在桩头附近，将换热管套管保护和封口.

在能源钻孔灌注桩施工过程中，由于钢筋笼是分段制作的，在焊接过程中要注意对换热管的保护，否则会影响其安全性，同时会影响桩基的施工工期.由于要求换热管沿桩身无接头，故不能提前将其固定于钢筋笼上，只能在钢筋笼下沉过程中进行人工固定.一般情况下钢筋笼下沉速率远大于人工固定换热管的速率，因此固定质量较难保证.在混凝土浇筑过程中，套管的摆动经常会撞击钢筋笼和换热管，影响换热管的安全.因此，钻孔能源灌注桩施工过程中，换热管质量和安全性的影响因素众多，会影响桩基的施工工期.

1.2 能源预制管桩

预制管桩与地源热泵技术相结合形成能源预制管桩［19-20］，主要的施工工艺包括：①定位和设置桩靴.确定桩位，沉桩前，管桩桩端设置实心桩靴，以保证沉桩过程中土体不进入空腔内.②沉桩.利用静压和振动等方式将预制桩沉入土层中，保证接桩时具有良好的焊接质量.③设置换热管.沉桩完成后，将换热管直接放入桩身空心腔体内，换热管不应含接头.④灌回填料.在桩身空心腔体内灌入回填料，可以是细砂、水泥浆或混合料等，需保证其填筑的密实性.⑤换热管的保护.在桩头附近，将换热管套管保护和封口.

在一些工程中，为减少沉桩的挤土效应，预制桩也采用预钻孔的施工工艺，待沉桩后将桩身空心腔体内的土体用螺旋钻取出，再设置换热管和灌填充料，因此，这种方法对桩基施工工期影响较大.

能源预制管桩的施工中，若设置桩靴，会加大沉桩挤土效应，扩大对建筑物周边环境的不利影响.若在桩身空心腔体内取土，则需增加取土的施工工艺和造价.同时，在桩身空心腔体内设置换热管，以预应力高强度混凝土管桩（如PHC 500）为例，管桩内径仅为210～250 mm，在换热管自然下放过程中，桩越长，换热管间距较难控制，可能会造成换热管交叉重叠的现象.研究表明，换热管间距越小，产生热干扰现象越明显，能源桩的换热效能越低［21］.

2 静钻根植能源桩技术

静钻根植桩是中淳高科桩业有限公司开发的一项桩基新技术，它充分利用高强度预应力管桩（竹节桩）承载力高和施工方便的优点，针对传统管桩施工过程中存在较大的挤土效应，采用取土植桩的思路，对桩基施工工艺进行了改进［22］.利用特殊的螺旋钻头，边钻孔边注射水泥浆，将水泥浆和土体充分搅拌后形成流态的水泥土，再植入高强度预应力管桩（竹节桩），从而形成静钻根植桩.它具有承载力高、泥浆少和环境效应低等优点，是一种非挤土桩.

静钻根植桩的施工工艺中，植桩时钻孔内充满流态的水泥土，将换热管固定于管桩外侧，与管桩一起沉入水泥土中，换热管施工方便，而且下沉过程中有水泥土的保护，令其安全性能得到保证，植桩完成后即形成静钻根植能源桩［23］.静钻根植桩主要的施工工艺包括：

1）钻孔和注浆.桩机定位后，利用特殊的钻头进行钻孔，在桩端进行扩头.按照从桩端到桩侧的顺序注入水泥浆，钻杆反复升降保证搅拌的均匀性，并控制钻杆的提升速度.

2）接桩和换热管制作.准备场地提前接桩（接桩后每段桩长可达30 m），减少植桩时的接头数量，提高施工速度.制作换热管端部接头，将其与管桩端部进行连接.

3）植桩和换热管埋设.吊机将管桩置于钻孔上方，靠桩的自重沉入水泥土中.在管桩下沉过程中，将换热管固定于管桩外侧，两者一同植入水泥土中.

4）换热管的保护.在桩头附近，将换热管套管保护和封口.

静钻根植能源桩技术能弥补能源钻孔灌注桩和能源预制桩施工工艺的不足，具有施工方便、换热效能高等特点.NICHOLSON等［24-25］研究采用钢管（型钢）桩作为载体的能源桩，与其相比，静钻根植能源桩施工工艺更简单，换热管间距更大，能效更高.

3 静钻根植能源桩工程应用

3.1 工程概况

试验工程位于中国浙江省宁波市的某办公楼，地上部分5层，地下1层，占地面积为8 407 m2.试验选用单桩单柱承台形式的基桩，桩长52 m，分为4段，上部3节（长度分别为10、15和15 m）采用PHC500的普通预制管桩，最下面1节（长度为12 m）采用PHDC550-400竹节桩［21］.场地属于典型的软土地基，持力层位于粉质黏土层，土层的物理力学指标如表1.场地土层以粉质黏土和黏土为主，含水量（质量分数）均超过30%.通过热响应试验，岩土综合导热系数为1.64 W/（m·K）［21］.

表1 土体主要物理力学指标Table 1 Physical mechanical parameters of soil

3.2 试桩制作及传感器埋设

为分析基桩的热力耦合特性，在桩身不同深度布置FBG应变传感器、温度传感器和压力传感器.结合土层分布情况，传感器共布置在7个截面（图1）.

图1 桩内传感器布置（单位：mm）Fig.1 Layout of sensors along pile（unit：mm）

为保证传感器的成活率，在试桩预制阶段同步开展传感器的埋设.在钢筋笼制作阶段，将传感器绑扎在钢筋笼上，并在主筋方向布设测试线路，如图2.

图2 试验桩制作及传感器埋设步聚Fig.2 Procedure of pile fabrication and sensor embedding

3.3 换热管埋设

换热管采用直径32 mm的高密度聚乙烯管.换热管端部固定于桩端后，换热管与管桩同步下沉，每隔3～4 m设置一固定卡扣［23］.沉桩完毕后，进行通水试压，以保证换热管的安装质量.最后，在桩头设置套管进行保护密封处理，防止土、脏水和杂物等进入换热管.

3.4 地源热泵中央空调系统

待工程进入地下室挖土阶段，将换热管及传感器线接入试验房间，房间位于门卫室，建筑面积约20 m2，层高4.8 m.地源热泵中央空调系统包括热泵（含水泵）、空调末端机组和控制系统.设备采用圣龙集团的分体式地源热泵系统（图3）.空调系统额定制冷量为5.05 kW，输入功率（制冷）为1.1 kW；额定制热功率为4.9 kW，输出功率（制热）为1.30 kW.

图3 地源热泵中央空调系统Fig.3 Central air-conditioning system of ground source heat pump

4 静钻根植能源桩现场热力试验

4.1 试验方案

静钻根植能源桩沉桩完成后，先后开展了短期工况试验和长期工况试验，试验方案见表2.试验1为热响应试验，由于施工工期和电力供应原因，试验时间仅持续48 h，桩顶为自由端.采用MCGS热响应试验仪加热，功率约为2.87 kW.试验2是建筑竣工后，对正常服役状态下静载荷根植桩开展的热力耦合试验，此时桩顶承受建筑荷载的同时，还受到地基梁、承台和混凝土墙体的约束作用.采用地源热泵中央空调系统进行加热.

表2 试验方案Table 2 Test scheme

4.2 试验结果及分析

4.2.1 桩身温度

试验过程中桩身温度变化情况如图4.随着试验时间的推移，桩身温度逐渐升高.短期试验时桩身最高温度为27℃左右，而长期试验的桩身最高温度可达41℃左右，短期试验的桩身温度分布比较均匀.长期试验中，随着试验时间的增加，桩身土体的导热性能存在差异，桩身上部的温升要稍高于桩身下部，原因是桩身下部粉质黏土的热传导系数要大于桩身上部的淤泥质黏土和黏土，而且桩身下部的热扩散条件也较优.图4（b）中，温度沿桩身分布有波动，原因可能是换热管位于水泥土中，沉桩过程中换热管位置有不确定性，桩身各部分温度变化并非完全均匀；而且离换热管越近，温度传感器测试值越高，因此桩身温度测试结果表现为不均匀.

图4 桩身温度分布Fig.4 Temperature distribution along pile

4.2.2 性能系数

性能系数（coefficient of performance，COP）为

短期和长期试验的COP变化情况如图5.从试验结果看，试验开始阶段COP均可达到5.0以上，随着时间的增加，COP值逐渐降低，最后稳定在一恒值.短期试验约为4.5，而长期试验约为3.2.从长期试验结果可以看出，试验开始阶段，COP值变化非常明显，5 d后下降速率逐渐减缓，第5 d的COP值约为4.0.与地源热泵系统长期运行状态相比，间歇运行状态下的COP值能有效得到提升.

图5 COP值随时间的变化Fig.5 COP values vs time

4.2.3 桩身轴向附加应力

短期和长期试验的桩身轴向附加应力分布如图6.从试验结果看，随着时间的增加，桩身温度附加应力逐渐增大，但两者的分布形式完全不同.短期试验时，桩顶自由无荷载，而且试验时间为试桩施工完成后2个月左右，桩端扩大头水泥土的强度较小，可以将其视为两端自由.此时在升温作用下，桩两端的温度应变较大，而温度附加应力较小.桩身中部温度应变较小，约束较大，产生的温度附加应力较大，形成两端小中间大的分布形式.48 h桩身最大附加温度应力达1.7 MPa.

长期试验时，建筑已经竣工，桩顶承受建筑荷载，桩端水泥土的强度也较大（因条件限制未开展水泥土的强度试验），可以将其视为两端约束，桩顶受到地下室混凝土强度、地基梁和筏板的约束作用，其约束程度会大于桩端.根据试验阶段桩顶位移监测结果，桩顶位移可忽略，桩顶可视为完全约束条件.桩顶温度应变近似为零，桩端的温度应变较小，相应的附加温度应力较大，同时桩端的附加温度应力也大于桩身中部.16 d桩身最大附加温度应力达6 MPa.同时，本试验结果与文献［26］的试验结果也有较大差异.文献［26］中的试验为试桩施工完成约5个月，此时桩端水泥土强度可能较低，桩端约束小.而本试验建筑已投入使用（试桩施工完成后1.5 a左右），桩端水泥土强度较大，桩端形成的约束也较大.可见，桩身轴向附加应力的大小和分布形式与桩顶和桩端的约束条件密切相关.

从不同试验工况来看，随时间的增长，桩身温度变化趋势逐渐减缓，14 d后基本保持不变，理论上桩身轴向附加应力也基本保持不变［26］.图6表明，大多数点的桩身轴向附加应力在14 d后结果变化较小，但个别点（如3.05 m处）变化相对较大.其原因一方面可能是温度会引起复杂的桩-土相互作用，桩身轴向附加应力随时间会逐步变化调整.桩身轴向附加应力与混凝土强度相比较小，不会引起桩身混凝土的破坏，但是否会影响桩基的使用寿命还需要开展深入的研究；另一方面可能与传感器的测试误差相关.

图6 桩身轴向附加应力Fig.6 Thermally induced axial stress along pile

4.2.4 桩侧附加摩阻力

短期和长期试验的桩侧附加摩阻力分布如图7.短期试验条件下，桩顶自由，桩端约束较小，温度作用下桩两端的温度应变较大，产生较大的桩土相对位移，会引起较大的附加摩阻力.但相对于桩顶，桩端的约束较大，因此桩端产生的附加摩阻力较大.附加桩侧摩阻力零点（null point，NP）位于桩身30 m附近.零点以上桩侧产生负摩阻力，零点以下桩侧产生正摩阻力.

图7 桩侧附加摩阻力Fig.7 Mobilized shaft resistance along pile

长期试验条件下，桩顶、桩端均承受较大的约束（桩顶约束大于桩端约束），在温度荷载较小时（0～6 d），桩身上部主要产生向下的相对位移，产生正摩阻力.桩身的零点时刻变化，从1 d时的9 m逐渐发展到6 d时的34 m，与短期试验结果完全相反，此时桩顶承受了较大的约束.随着温度荷载的增大（6～16 d），受桩顶、桩端和桩侧约束条件的影响，桩身零点逐渐从1个演变为3个，如16 d的桩身零点分别位于17、26和34 m附近.而且，桩端附近也产生负摩阻力，可见桩端扩大头的约束较大，可以推测试验阶段桩端水泥土的强度较高，与短期试验阶段有明显的区别.

产生零点的原因是温度引起的桩土相对位移为0.桩顶和桩端均存在较大约束的情况下，桩顶和桩端附近桩身在温度作用下分别有向下和向上的位移趋势；而桩顶桩端自由时温度升高引起桩身上部产生向上的位移，桩身下部产生向下的位移.两者叠加后桩土相对位移变化非常复杂，需进一步深入分析和研究.

5结论

1）结合静钻根植桩的施工工艺的优点，将换热管固定于管桩外侧，换热管在桩侧水泥土的保护下形成静钻根植能源桩，具有施工便利、换热管间距大、能效高等优点.

2）与短期试验相比，长期试验的桩身最高温度较大，但短期试验的桩身温度均匀性较好.

3）随着时间的增加，试验COP值逐渐降低，最后趋于一恒值.

4）短期试验和长期试验的桩身温度附加应力分布形式完全不同.短期试验呈现中间大两端小，而长期试验呈现中部小两端大，而桩顶要大于桩端.桩身最大附加温度应力达6 MPa，设计时需充分考虑.

5）短期试验中，桩身存在一个附加侧摩阻力的零点，而长期试验零点位置和规律时刻变化，升温16 d后桩身存在3个零点.

6）桩身轴向附加温度应力和附加侧摩阻力的分布形式与桩顶、桩端和桩侧的约束条件密切相关.因此，能源桩承载性状与其施工工艺、服役状态和约束条件等因素相关.