桩−筏基础中能量桩热−力耦合特性现场试验

能量桩兼具承担上部荷载和传递浅层地温能双重功能,能量桩的换热与承载特性逐渐成为广大工程技术人员关注的重点问题。然而,针对桩?筏基础中能量桩的热?力耦合特性的现场实测资料仍相对较少。提出将桩基完整性检测中的声测管底端连接贯通,作为能量桩的换热管,形成新型能量桩埋管形式;在桩?筏基础中能量桩运行状态下,开展桩?筏基础热力响应特性、能量桩对筏板应力影响的现场试验,实测获得桩身温度、桩身应力及筏板应力变化规律。研究结果表明,该试验条件下,能量桩（1U埋管、有效深度为12.8 m、桩顶埋深为5.5 m）的换热效率约为80～90 W/m;无上部荷载、能量桩加热状态下,筏板上边缘呈现出一定的拉应力,值得工程技术人员关注。     

太阳能储热桩取热过程中桩内温度变化的研究

首先介绍了太阳能地下混凝土储热桩热量利用率不足的现状,通过在已有太阳能混凝土储热桩传热模型的基础上,对不同取热工况中影响储热桩温度场变化的各种因素进行了传热过程的模拟分析,得出了持续取热及间断取热2种不同运行工况及热流密度、导热系数和比热容、埋管间距对桩内温度场变化的影响,然后合理的选择最优参数,分析桩内温度场的变化,提高取热效率,使混凝土桩内热量充分利用。     

预埋与绑扎埋管形式能量桩传热特性研究

预埋钢管能量桩是一种新型桩埋管形式的地源热泵技术,然而,针对其特殊埋管形式下传热特性的研究却相对较少。针对预埋钢管单U型埋管能量桩的传热管-钢管-混凝土-桩周土的传热特性开展模型试验和数值模拟研究,测得在热-冷循环温度荷载作用下预埋钢管单U型埋管能量桩桩体及桩周土体的温度变化规律;为了对比分析,同时开展了传统绑扎单U型埋管能量桩的传热特性模型试验,并分析了预埋钢管能量桩的适用性。研究结果表明,预埋钢管能量桩的传热性能略低于绑扎埋管能量桩的传热性能;夏季工况两种埋管形式能量桩桩体温度和桩周土体温度最终变化量分别相差23%和16%左右;冬季工况该数值约为14%和18%左右。     

流速对桩-筏基础中能量桩换热效率与热力耦合特性影响研究

能量桩是一种承担上部建筑荷载并传递浅层地温能的新型桩基技术,其换热效率和附加温度应力是该技术的两个关键性科学问题。已有的研究主要针对单根能量桩的热力耦合特性,对于桩-筏基础中能量桩的研究相对较少。基于桩-筏基础,开展不同换热液流速下单根3U型埋管能量桩换热效率和热力耦合特性现场试验,在实测制冷工况下研究能量桩桩体温度与应力、筏板温度与变形的变化规律,探讨入口流速的影响规律。研究结果表明,文中试验条件和制冷工况下能量桩在0.8、0.4、0.2 m/s三种流速下的换热效率分别为75.0、82.5、63.8 W/m;能量桩受筏板约束影响,在桩顶处产生最大约束拉应力,约为38.9 kPa,筏板下侧产生的最大约束拉应力约为47.2 kPa;随着流速逐渐降低,桩体温度小幅回升,桩身约束拉应力值减小;短期制冷工况对筏板温度的影响可忽略不计。     

黏土地基中能量桩力学特性数值分析

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部,桩同时起到承载和换热的作用,是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性,需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应,并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型,把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导,将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发,通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型,考虑不同的桩顶工作荷载水平,对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究,分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明,工作荷载越高,温度循环次数越多,桩顶累积沉降越大。     

基于能量桩现场试验的土体综合热导率系数研究

能量桩技术兼具支撑上部荷载和浅层地热能换热器双重功能;作为一种节能减排技术,近年来在国内外获得了一定的发展。然而,目前简单套用基于传统地埋管换热器获得的土体综合热导率系数,无法准确计算能量桩换热效率。依托河南理工大学某低承台3×3能量桩群桩工程应用,开展基于能量桩的土体综合热导率系数测试现场试验和数值模拟研究,分析加热时长、加热功率、流速及桩长等因素对土体综合热导率系数的影响规律,继而探讨能量桩在群桩中的布置形式对土体综合热导率系数的影响规律。研究结果表明,基于传统地源热泵测试所发展起来的土体综合热导率系数线热源分析方法,并不适用于分析基于能量桩现场实测所获得的相关数据;有必要推导一套考虑桩径影响的、适用于能量桩的土体综合热导率系数测试与计算分析方法。     

水平荷载作用下PCC桩复合地基工作性状

利用河海大学岩土所自行研制开发的大型试验模型槽进行PCC桩水平承载足尺试验,实测得到了水平荷载作用下桩身弯矩分布。利用三维弹塑性有限元方法,研究了PCC单桩与等截面实心圆桩、PCC桩复合地基与等截面实心圆桩复合地基在水平荷载作用下的工作性状,对其桩身弯矩和水平位移的分布规律进行了比较,分析了竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率对PCC桩复合地基桩身性状的影响。研究表明,PCC桩复合地基在水平荷载作用下,随着竖向荷载、褥垫层厚度、基础埋深和置换率的增加,其桩身弯矩和水平位移随之减小。因此,在PCC桩复合地基设计时可以通过适度调整这些影响参数来减小水平荷载作用下的桩身弯矩和水平位移,确保桩身的安全。     

浅埋硬土层小截面短桩沉桩分析

在地层比较特殊的地段,往往由于经验及对地质情况认识不深而出现沉桩困难、桩头开裂等现象。文章针对浅埋硬土层采用小截面短桩情况,应用静力触探测试指标计算沉桩阻力,结合考虑桩身强度的方法进行沉桩分析,并统计了不同锤型入持力层不同深度的实际锤击数,为以后类似工程的选锤提供参考。     

循环温度场作用下PCC能量桩热力学特性模型试验研究

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC能量桩先加载至工作荷载（极限荷载的一半）,再施加热-冷循环一次,最后加载至极限荷载,测得不同温度下PCC能量桩的荷载-位移关系曲线、桩身应力-应变关系曲线等变化规律。试验结果表明,能量桩换热过程中,热量更容易从桩体传向土体（即夏季模式的热循环）;热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值,且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复,其积累变形可能危害上部结构安全;桩身受温度场作用产生的热应力相对较大,且不同约束条件下其变化值有所差异;在制冷循环下,桩底部甚至可能产生较大拉应力。     

基于能量守恒的预制桩施工残余应力模拟

预制桩施工阶段形成的残余应力较难由实测获得,其重要影响鲜受关注。从能量守恒原理出发,可模拟沉桩引起的桩身残余应力分布。计算模型采用剪切带理想弹塑性荷载传递关系及残余摩阻力折线型分布假定,以桩身弹性变形能为纽带,对预制桩沉贯和回弹过程进行能量分析,建立了施工全过程的能量平衡方程。参数分析显示,桩长径比与剪切带摩擦性状是影响桩身残余应力的关键因素。该模型能较合理预测某原型试桩的施工残余应力。     

饱和粉土中相变能源桩热力响应模型试验研究

长期非稳态的桩土热交换使得桩周土温度不断上升,产生热堆积效应,影响桩土换热效率,甚至也可使能源桩系统失效。为此,利用复合相变材料制备了相变混凝土能源桩,并在饱和粉土中开展了相变桩和普通桩热力响应模型试验,对比研究了相变桩的桩周温度分布、桩身应力−应变、桩顶位移和桩身换热效率的变化规律。结果表明：相变桩土热交换方向以径向交换为主,影响区域在2D范围以内,土体温度变化表现出滞后效应;相变桩的桩土温度变化幅度小于普通桩,具有缓解桩周土体热堆积效应的作用;在温度循环过程中,相变桩体累积了不可恢复的塑性应变。经过多次温度循环后,相变桩比普通桩的塑性累积位移更小;在夏季工况相变桩换热功率比普通桩增长约20%,冬季工况两者换热功率基本一致,随着运行时间增加,两者换热效率趋同。     

不同刚度约束对能量桩应力和位移的影响研究

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术,其实际工作过程中,热荷载会引起桩体的膨胀或收缩,而桩顶建筑和桩底持力层则会对桩体变形产生约束,进一步影响桩体的应力和位移,但是目前对该问题的研究却十分有限。基于模型试验和数值模拟方法,对桩顶和桩底不同约束条件下两种埋管形式（单U和W型）的桩体位移和热应力进行了分析,并进一步探讨了位移零点随桩顶和桩底约束条件的变化规律。研究结果表明,随着桩顶上部荷载约束刚度的增大,桩体位移零点上移,桩体热应力随着深度增大而减小;随着桩端土体约束刚度的增大,桩体位移零点下移,桩体热应力随着深度增大而增大;相较于无外荷载,工作荷载作用下位移零点上移。     

基桩对含水层渗流阻挡作用效应研究

超高层建筑的桩基础通常会打入到深度较大的承压含水砂土层中;在承压含水层的上方通常会进行超深基坑的开挖构建超高层建筑的地下室。为了保持超深基坑的基底稳定,需要在承压含水层中进行降水施工。由于深基坑存在大量的桩基础,基桩的存在会影响降水时地下水的渗流路径,继而影响土体的渗透性状。应用室内试验研究基桩对含水层渗流阻挡作用的机制。试验采用PVC管模拟基桩,将颗粒较均匀的砂土作为试验土体,通过室内渗流试验来研究基桩对地下水渗流的影响。试验结果表明,基桩对于地下水渗流有明显的阻挡效应：基桩的数量以及布置形式会对渗透效应产生较大的影响。考虑砂土体积置换率的有效介质理论可以用来分析矩形布置的基桩对渗透系数的影响,但对梅花形布置的基桩应用有效介质理论计算所得的渗透系数会有将近20%的偏差;其原因是梅花形布置的基桩,会使渗流路径增加。基于对渗流路径的分析,提出了考虑有梅花形布置的基桩存在时等效渗透系数计算的修正方法。     

软黏土中超长预应力高强度混凝土 管桩竖向承载特性试验研究

港口码头工程建设将向外海开敞式发展,由于工程地质条件日趋复杂,在超厚软黏土地基上建设高桩码头面临重大难题。因持力层埋深较深,预应力高强度混凝土（PHC）管桩成为设计首选的超长桩基础型式。针对某军用码头85 m设计桩长的试桩进行了试验和数值计算,分析了超长PHC管桩承载力机制与传递规律,基于传递函数法提出改进的双曲函数计算模型,并对垂直静载试桩进行计算。结果表明：桩身轴力和桩顶位移的计算值与实测值吻合较好,证明提出的双曲线模型能够反映轴向承载PHC管桩桩-土相互作用实际情况,能够为软黏土中超长PHC管桩基桩设计提供依据。     

End bearing capacity comparison of screw pile with straight pipe pile under similar ground conditions

In the present study, the end bearing capacity of screw and straight pipe pile under similar pile tip area and ground conditions were investigated. The effect of increasing overburden pressure was also considered in this research. Pile load tests on close-ended screw and straight pipe piles were conducted in the small scale. Dry Toyoura sand was used to develop the model ground. The sand was compacted at relative density of 70, 80 and 92 %. It was observed that in case of straight pipe pile, load settlement curve plunges downward without increase in load around settlement equals to 10 % of pile tip diameter, whereas in case of screw pile, the load settlement curve plunges around settlement equals to 15 % of pile tip diameter. Moreover, the screw piles having helix-to-shaft diameter ratio 2–4.1 showed 2–12 times higher end bearing capacity than straight pipe piles with similar pile shaft diameter. It was also observed from the test results that the end bearing capacity of single-helix screw pile was in average 16.25 % less than straight pipe pile with similar pile tip area and ground conditions irrespective of the effect of increasing overburden pressure.     

不同土壤类型与含水率对水平埋管换热性能影响数值分析

为揭示地源热泵系统水平埋管换热器在不同土壤类型中的换热性能,基于土壤毛管水理论知识,结合数值模拟的研究手段,探讨了蓄能不同类型土体内(砂土、壤土、黏土)三相组成的差异对水平埋管换热器换热特性的影响规律。结果表明,在通入308.15 K制冷工况下,水平管在壤土中的出水温度降低至303.3 K,进出口水温差为4.9 K,埋管单位延米换热量37.1 W/m,水平管在壤土中的制冷换热效益显著;不同土壤(砂土、壤土、黏土)在经历相同制冷周期下,水平管的换热过程对壤土的温度场分布影响最小,管体在壤土中运行时热堆积风险系数最低。研究表明,水平管与土壤的换热性能同时受土壤比热容与土壤导热系数的影响,提高土壤导热系数比提高土壤比热容获得的效益更加显著。可以通过压实回填、减少土壤孔隙率、提高固相回填材料导热系数、加大布管深度以提高回填材料含水率等方法来强化埋管的换热性能。      

Thermo-mechanical behavior of energy piles in high plasticity clays

Energy piles make use of constant and moderate ground temperature for efficient thermal control of buildings. However, this use introduces new engineering challenges because the changes of temperature in the foundation pile and ground induce additional deformations and forces in the foundation element and coupled thermo-hydro-mechanical phenomena in the soil. Several published full-scale tests investigated this aspect of energy piles and showed thermally induced deformation and forces in the foundation element. In parallel, significant progress has been made in the understanding of thermal properties of soils and on the effect of cyclic thermal load on ground and foundation behavior. However, the effect of temperature on the creep rate of energy piles has received practically no attention in the past. This paper reports the experimental results of an in situ tension thermo-mechanical test on an energy pile performed in a very stiff high plasticity clay. During the in situ test, the pile was subjected to thermal loading by circulating hot water in fitted pipes, simulating a thermal load in a cooling-dominated climate, at different levels of mechanical loading. The axial strain and temperature in the pile, and the load–displacement of the pile were monitored during the tension test at different locations along the center of the pile and at the pile head, respectively. The data showed that as the temperature increases, the observed creep rate of the energy pile in this high plasticity clay also increases, which will lead to additional time-dependent displacement of the foundation over the life time of the structure. It was also found that the use of geothermal piles causes practically insignificant thermally induced deformation and loads in the pile itself.