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。     

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。     

静钻根植能源桩承载特性模型试验研究

为了研究静钻根植能源桩在热-力耦合作用下的承载特性,采用自行设计模型试验系统,测试模型桩在黏-砂双层地基中的热力响应。试验结果表明:桩体温度沿深度变化并不均匀,对桩周土的温度影响半径为3倍桩径;3次冷热循环后桩顶和桩周土表面均产生累积沉降,在桩顶荷载达到单桩极限承载力的25%时,桩顶累积沉降达到桩径的3.12‰,是桩顶无荷载情况下的1.77倍;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(附加温度应力最大处)随着桩顶荷载增大(约束增强)而上移,桩顶荷载较小时降温引起桩身局部产生拉应力。因此,静钻根植能源桩的承载特性与温度变化条件、桩顶荷载大小和桩端约束条件密切相关,在工程设计中需要综合考虑以确保运行安全性。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。研究结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

能量桩单桩工作特性简化分析方法

基于荷载传递法,建立了热力耦合作用下能量桩单桩工作特性的简化分析方法。该方法中将桩-土荷载传递函数取为双曲线,采用曼辛法则模拟温度循环过程中桩-土界面的卸载和再加载特性,通过再加载过程中刚度的折减近似考虑塑性变形的积累。利用矩阵位移法求解控制方程组后可直接得到任意温度-力学组合作用下的桩体变形、桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力,无需事先假设温度位移零点的位置。通过与试验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,研究了能量桩的长期工作特性。结果表明,温度循环会造成自由桩的桩顶沉降增加,固定桩的桩顶应力减小,温度循环的影响与桩顶静力荷载水平和土体刚度的衰减程度密切相关。     

冷热循环下PHC能量桩热力响应和承载性能现场试验

能量桩是一种兼具常规承载性能和地源热泵热交换器双重功能的建筑节能新技术。依托河南周口师范学院综合体育馆桩基工程项目,开展冷热循环温度作用下PHC能量桩的热力响应特性及承载性能现场试验。实测了不同流速下桩身温度与应变的发展规律,初步探讨了热致应力、桩侧摩阻力及换热性能等变化规律。研究结果表明:此试验条件下,冷热循环下PHC能量桩的桩身热致应力沿桩深分布不均,桩身上部出现负摩阻力;夏季或冬季模式下桩身最大热致应力σ_T与温差?T之间的倍数关系为212和115;提出了一个考虑温度作用效应的桩-土摩擦系数的计算公式,并基于此修正了PHC能量桩承载力计算方法,计算结果与现场试验结果吻合较好。     

多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环时的传热特性和承载特性,尤其是桩顶位移变化规律的研究;并开展无荷载作用下单次冷、热循环试验进行分析。试验结果表明,冷、热循环引起的桩体热应变,在加热时桩体内部产生压应力,而在制冷时桩体内部产生拉应力,同时温度引起桩侧不同部位分别产生正摩阻力和负摩阻力。相较于工作荷载,无荷载作用下加热会使桩体位移上升约41%,而一次加热与制冷循环作用后,无荷载作用下桩顶残余位移约为工作荷载作用下的10%。多次冷、热温度循环会导致桩体沉降不断积累。     

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。     

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。     

桩埋管参数对渗流下能量桩热-力耦合特性的影响

为获得地下水渗流作用下桩埋管参数对能量桩热-力耦合特性的影响,建立了不同埋管参数的能量桩数值模型,分析了桩埋管数量、埋管布置形式、埋管管径对单位桩深换热量、日换热量、桩截面平均温升、桩身位移增量及桩身附加温度荷载的影响。结果表明：增加埋管数量可以增大能量桩换热量,但也会加剧桩内不同埋管间的热干扰,导致换热性能下降及桩身...     

桩板结构桩-板-土相互作用模型试验研究

为了明确桩板结构桩-板-土体相互作用机制,基于推导的相似理论,制作了桩板结构在2种跨度、有无板下土体支承等不同条件下的竖向分级加载试验和水平加载试验,系统研究了桩板结构桩-板-土相互作用力学特性。初步得出以下结论：（1）板-土相互作用对桩板结构的受力影响明显。当不考虑板下土体支承作用时,板的位移、应力、桩的受力、板-土接触压力等都会明显增大,且跨度越大,影响越明显。表明目前在工程设计时不考虑板下土体的支承作用进行设计,偏于保守。因此,建议桩板结构在设计时应考虑板下路基土体的支承作用。（2）在横向荷载作用下,桩-土相互作用明显,其主要作用区域在桩的上部1/2范围内。同时试验表明,板的跨度对桩-土相互作用影响较小,但对板的横向位移影响较大,且桩板结构的跨度越大,在横向力作用下,板的弯拉应力也越大。因此,建议在进行桩板结构跨度设计时,应检算横向荷载作用下板的拉应力指标。     

控制差异沉降的桩筏基础桩径优化分析方法

桩径优化是桩筏基础以差异沉降最小化为目标的基础优化分析的重要组成部分。基于桩筏基础通用分析方法,结合遗传算法提出了包含非线性约束条件的以差异沉降控制为目标的桩筏基础桩径优化分析模型,并给出了优化分析的实施步骤。通过示例说明了桩径优化的实施情况,对比给出了优化前后基础沉降、桩基荷载分布与筏板分担比、筏板弯矩和剪力结果。最后通过参量分析研究了筏板厚度、桩基参量和土体参量对最优桩径确定的影响程度,桩长和土体特性对桩径优化结果影响显著,而桩体材料特性和筏板厚度对桩径优化结果影响不大。     

往复荷载下层状地基柔性筏板-群桩共同作用分析

提出一种层状地基中柔性筏板-群桩共同作用分析方法,探讨筏板刚度对桩筏基础沉降的影响,并成功预测了往复荷载下桩筏基础的长期沉降。筏板刚度采用Mindlin板理论的有限单元法分析;桩-土体系的刚度矩阵中,桩顶面-桩顶面、桩顶面-土表面以及土表面-土表面的相互作用分析采用层状剪切位移法借助层状地基的Burmister位移解求得。基于层状地基中柔性筏板-群桩的沉降计算方法以及往复荷载下土体压缩模量的衰减特性得到了桩筏基础的长期沉降预测方法。与已有文献方法和离心模型试验结果的对比分析表明,柔性筏板-群桩共同作用方法得到的沉降值具有较高的精度。     

竖向荷载下刚性板桩筏基础分析方法

根据群桩中桩侧摩阻力分布规律,在桩筏基础中基于弹性理论中的变形协调关系、桩体物理方程和力的平衡关系,推导了竖向荷载作用下桩筏基础的荷载和位移之间的刚度矩阵,从而提出了一种刚性板下桩筏基础的分析方法。刚性板桩筏基础分析中考虑了4种相互作用,分别为桩-土-桩、桩-土-板、板-土-桩和板-土-板相互作用。基础中各桩可具有不同的桩长、桩半径和刚度等特性。应用该方法不需要划分桩-土体单元,分析中的计算矩阵仅与基础中桩数和筏板下土节点数量相关而与其他变量无关,分析过程简洁通用。通过与各种分析方法的比较验证,证明该方法是合理可行的。     

超高层建筑桩筏基础的桩顶反力计算研究

根据上海高88层、筏板厚度为4 m的金茂大厦和高101层、筏板厚度为4.5 m的上海环球金融中心桩筏基础的实测沉降资料,论证超高层建筑的桩筏基础为弹性体。对以上两幢超高层建筑和正在建造中的高121层、筏板厚度为6 m的上海中心大厦的桩筏基础,采用偏心受压公式和高层建筑与地基基础共同作用理论方法(混合法)进行详细对比计算,论证按弹性体计算桩顶反力的合理性,阐明《建筑桩基技术规范》(JGJ 94–2008)的3.1.8条的正确性和合理性。期望能够改变过去按偏心受压公式计算桩顶反力的传统观念,提高设计水平。     

复杂地质条件下高层建筑桩筏基础监测与综合分析

结合一个典型的桩筏基础工程实例,综合分析了在复杂的岩溶地质条件下基桩桩身应力、筏板主筋应力-应变、筏板变形、筏板下土压力及基础的沉降与倾斜等监测方法和监测结果。详细论述并提出了复杂地质条件下桩筏基础监测与综合分析的新方法。在综合分析监测数据的基础上,不断完善工程设计方法及施工方案,对工程质量进行检验,对工程的安全度进行评价。监测信息对同类工程项目具有重要的参考价值。     

混凝土水化作用对群桩热力学特性影响现场试验

混凝土早期水化作用不仅释放大量热量、而且会引起桩基先期变形与约束应力,影响桩基承载性能。目前针对地层温度对早期混凝土水化作用引起的桩基热力学特性(尤其是群桩效应)影响的研究仍相对较少。开展3×3群桩在早期混凝土水化作用下的桩基热力学特性现场试验,实测了桩身温度、应变等变化规律,着重分析了地层温度对桩基水化热消散、桩身约束应力的影响规律;并开展了相同条件下单桩热力学特性对比试验,探讨水化热作用群桩效应。研究结果表明,水化热作用下,群桩中温度叠加效应并不明显;地层中恒温带的水化热消散速度慢于变温带;混凝土残余应力沿桩深方向分布不均,呈现中间大、两头小的特点,最大残余应力出现在0.6倍桩深处。     

软土地区桩锚联合支护基坑降水开挖的渗流应力耦合研究

基于某软土地区的桩锚联合支护的基坑项目,结合M idas G T S软件对该基坑进行渗流应力耦合作用下基坑降水开挖过程的三维建模,研究渗流应力耦合下基坑不同工况下的变形规律及支护结构位移变化情况,分析造成该基坑地表沉降及坑底隆起过大的原因.研究结果表明桩锚联合支护能够很好地约束软土基坑的侧向形变,但无法很好控制基坑内土...     

桩筏基础相互作用分析

提出了考虑土-桩-筏相互作用的迭代分析方法,可获得筏板的内力和桩身轴力等.考虑了桩筏基础下群桩效应作用的群桩桩顶反力分布、群桩桩端力分布及桩与桩相互作用等问题,使得计算的群桩单桩刚度较合理.同时,具有能考虑土的非线性、成层地基及利用单桩静载试验成果反演分析所得参数运用于群桩分析等特点.采用的8节点等参板单元可适用于分析平面不规则形状及变厚度的薄筏板和厚筏板.用笔者提出的方法对桩筏基础实例进行了分析,研究了桩长对该桩筏基础相互作用的影响,并与实测成果及其他学者研究成果进行了对比,表明了该方法能较合理地分析桩筏基础相互作用.