螺旋型能量桩热-力响应原位试验研究_常虹.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 螺旋型能量桩热力响应原位试验研究常虹，王浩全，王琰，沈凤全，朱万里（吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，长春 ）摘要：针对单螺旋型、并联双螺旋型种埋管形式能量桩在温度荷载联合作用下开展现场原位试验，分析种埋管形式能量桩的换热效率、桩体应变、桩体轴力、侧摩阻力等热力学变化规律。结果表明：并联双螺旋型能量桩升温时温度分布较单螺旋型能量桩更均匀，根桩的换热功率分别稳定在 和 ，桩体平均每延米瞬态热交换值分别为 和 ；桩体最大和最小应变分别位于桩体中上部和桩端位置；升温过程中，桩侧摩阻力分布呈上负下正，中性点均位于桩体中上部；根桩由升温产生的附加压应力分别达到 和 ，由降温产生的附加拉应力分别达到 和 ，单螺旋型能量桩由温度引起的下拉荷载比并联双螺旋型能量桩增加了 ，在实际工程中应给予重点关注。关键词：能量桩；螺旋型；温度荷载；热力响应；原位试验中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，：；收稿日期：基金项目：吉林省科技发展计划项目（）；国家自然科学基金资助项目（）第一作者：常虹（），女，副教授，主要研究方向为环境岩土、能量桩技术，能量桩是在传统建筑桩基中铺设热交换管，通过管内循环的换热流体，实现低位热能与高位热能之间的转移，充分利用浅层地热能，从而更大程度地节约能源。与传统地源热泵技术相比，能量桩具有换热效率快、承载性能良好、节约用地面积等优点，因此被广泛应用于国内外建筑工程领域。能量桩埋管形式也由最初的单 型发展为双 型、型、螺旋型、深穿透式 型等多种埋管形式。国外对能量桩的研究较早，等首次提出桩埋管换热器，在建筑钢桩中埋设换热管，把土体作为散热器和热源，通过钢桩内的水循环实现桩土之间的热交换；等提出了一种对灌注桩设计方案进行比较评价的方法，在恒定的加热速率下，以换热流体与桩轴线温度之差为基准进行比较，发现给定直径的桩轴线处温度与桩型管数量、换热管的尺寸和类型以及流动条件等设计参数无关。以不同埋管形式为基础的能量桩性能研究也涉及各个领域，等针对螺旋型、双 型、双型、型种埋管形式的热效应和经济成本开展了现场原位试验，结合数值模拟结果得出螺旋型传热效率较好、但 型经济性能最好的结论；等基于数值模拟方法，对比分析了单 型、双 型、型、串联 型、并联 型、螺旋型等不同埋管形式的管道热相互作用，结果表明，进出口管间热相互作用的程度与回路数量、换热管位置、桩周土和混凝土导热系数等因素有明显影响关系。越来越多的研究也开始注重能量桩在实际工程的应用情况，等通过原位试验研究了循环温度变化对能量桩热响应的影响，发现在循环温度变化下的桩体不会发生塑性变形，桩体各处横截面温度分布均匀，而轴向热应力分布不均匀，冷却时桩端的附加应力较大，但仍满足其承载力设计要求。为了提高能量桩的传热、承载和第期常虹，等：螺旋型能量桩热力响应原位试验研究储热性能，许多学者也开始配制新型高性能混凝土作为成桩材料。目前，大多数研究仍局限于室内模型试验 和数值模拟 阶段，针对能量桩开展原位试验的研究仍然相对较少。螺旋型埋管经济成本较高，且施工较其他埋管形式困难，因此对螺旋型埋管的工程应用经验还很匮乏。本文针对种常见螺旋型埋管形式能量桩在温度荷载联合作用下开展现场原位试验，在恒定 加热功率下，测得进出口水温、桩体温度、钢筋应力等热力学参数，对比分析能量桩换热效率、桩体应变、桩体轴力、侧摩阻力等变化规律，以期为螺旋型能量桩的设计应用和工程实践提供指导。现场试验 现场土体参数原位试验场地位于长春市北湖科技开发区。试验初期测得地下水位位于 深度处，通过钻探取样、现场标贯，波速试验及室内土工试验获得现场土层分布情况，见表。表现场土层分布情况 岩土层号土层名称埋深层厚土层状态杂填土 松散素填土 软塑粉质黏土 软塑砾砂 稍密泥岩 坚硬 能量桩与传感器布置本试验所用能量桩为长螺旋钻孔灌注桩，预先用不锈钢丝将换热管固定在钢筋笼内，再将钢筋笼压入灌好混凝土的钻孔中，入水管和出水管固定在受力筋上，并随受力筋伸出承台。试验桩数为根，分别位于不同三桩承台下，桩间距约为倍桩径，根采用单螺旋型埋管形式（螺旋接入螺旋接出），根采用并联双螺旋型埋管形式（螺旋接入直管接出），如图和图所示。螺距越小总换热率越大，但螺距太小会影响换热效果，单位管长换热率反而会降低，因此本次试验控制盘管螺距为 。图种埋管形式能量桩示意图 根试验桩桩径均为 ，有效桩长为（桩顶距室外地面），桩体混凝土采用 抗渗 混 凝 土，依 据 混 凝 土 结 构 设 计 规 范（），取混凝土弹性模量（）为 ，热膨胀系数（）为 。换热管为 管，外径为，管壁厚度为。根桩分别布置根和根 钢筋测力计，如图所示，该钢筋测力计可同时监测钢筋受力（测量范围为 ）和温度（测量范围为 ）变化情况，现场使用的循环水泵为 型自吸清水泵，控制流速为，最大扬程为。加热系统采用功率为 的恒温加热水箱。钢筋笼、钢筋测力计现场布置如图所示。图能量桩横截面埋管示意图 试验方案本试验从 年月 日开始运行，试验运行期间天气晴朗，日间平均温度为 ，夜间平均温度为 ，换热液体流速通过循环清水泵控制在，先在 恒定加热功率下循环供热，随后停止加热和循环，让桩体自然冷却。由于本试验能量桩位于不同土层中，而能量桩的换热效率主要与桩体的导热系数和埋管形式以及桩周土体类型有关。因此，本文针对不同螺旋型埋管形式能量桩的热力学特性开展现场试验，进一步探究种埋管形式能量桩的换热效率、桩体应变、桩体轴力、侧摩阻力等变化规律。中 国 科 技 论 文第 卷图能量桩钢筋测力计布设示意图 图钢筋笼、钢筋测力计现场布置 试验结果与分析 进出口水温变化规律现场试验过程中，能量桩进出口水温变化如图所示。可以看出：单螺旋型能量桩运行约 后，进出口水温差稳定在，换热功率稳定在 左右；并联双螺旋型能量桩运行约后，进出口水温差稳定在 ，换热功率稳定在 左右。这表明在恒定 加热功率下，根桩均迅速达到换热平衡，换热功率基本保持不变。能量桩换热总量计算公式为。（）式中：为能量桩换热总量，；为能量桩换热功率，；为加热时间，。对比根桩的换热功率，根据式（）计算可得，在相同的加热时间下，并联双螺旋型能量桩的换热总量明显高于单螺旋型能量桩。桩体温度变化规律由图可知，根能量桩桩体温度变化规律与图能量桩进出口水温及桩体温度变化曲线 进出口水温变化规律基本一致，在加热过程中，桩体温度持续升高，单螺旋型能量桩桩体温度分布差异较大，桩体上部 ，距离地表较近，导致桩体上部温度相对较低，桩体下部温度分布较均匀，但在距桩顶 处温度发生突变，可能是由于该深度处土体的导热性能较其他深度更好所致。加热初期单螺旋型桩体最大温差（）为，时最大温差增大至 ，在实际施工过程第期常虹，等：螺旋型能量桩热力响应原位试验研究中，应重点关注此类温度分布不均对桩体承载力的影响。相比之下，并联双螺旋型能量桩的桩体温度分布较均匀，桩体温度由 逐渐上升到 ，较好地反映了换热流体对桩体温度的影响。根桩的桩体平均每延米瞬态热交换值分别为 和 ，能量利用率分别达到 和 。综上说明，在加热过程中并联双螺旋型能量桩的换热效果明显高于单螺旋型能量桩。根据数据拟合分析得出，在自然冷却阶段，根桩桩体温度变化规律基本一致，均随着时间推移呈下降趋势，并最终降至初始温度。桩体应变变化规律能量桩在加热过程中，其受力和变形状态不仅受温度荷载和桩顶荷载的影响，还受桩端和桩侧土体约束作用的影响。假设桩体的竖向变形量与钢筋的竖向变形量相同，最终求得桩体应变、钢筋应变计算公式为桩钢筋。（）式中：桩为桩体应变；钢筋为钢筋应变；为被测钢筋所受力，；为钢筋弹性模量，；为单根钢筋的截面面积，。桩体不同深度处应变随时间变化曲线如图所示。可以看出：试验初期存在维持的建筑物荷载，应变初始值不为；桩体受热膨胀，根桩各深度处的应变呈抛物线增长趋势。并联双螺旋型能量桩距桩顶 处钢筋测力计在自然冷却期间失效，但并不影响其结果分析。单螺旋型和并联双螺旋型能量桩 的 最 小应 变 分 别 为 （距 桩 顶 ）和图桩体不同深度处应变随时间变化曲线 （距桩顶 ），均位于桩端位置；最大应变分别为 （距桩顶 ）和 （距桩顶 ），均位于桩体中部偏上位置。对比可知，由于桩顶加载受到的约束小于桩端嵌固在基岩中受到的约束，因此桩体实测应变上部大于下部。加热结束时，并联双螺旋型能量桩的桩体温度高于单螺旋型能量桩，其桩体各处应变也均高于单螺旋型能量桩。加热过程中，根桩在两端的应变均小于桩体其他深度处；自然冷却过程中，根桩的应变变化趋于一致，温度降低桩体发生收缩变形，应变均随时间减小。桩体轴力变化规律假定钢筋和混凝土变形一致，则可忽略钢筋所承担的压应力。这种由于温度荷载共同引起的桩体轴力可根据钢筋实测力和混凝土弹性模量计算得到，公式为。（）式中：为被测桩桩体轴力，；为混凝土的弹性模量，；为桩横截面面积，。桩体受热膨胀时轴力为正。与普通桩相比，在温度荷载共同作用下，能量桩的热响应更加复杂，基于能量桩荷载传递的 准则，温度的升高和降低可能导致桩体出现压应力或拉应力，桩端承受压应力。不同时刻的桩体轴力分布如图所示，最大轴力点深度处普通桩与能量桩桩体轴力对比如图所示。由图（）和图（）可以看出：在加热初期，根桩的热响应较明显，桩体轴力增长迅速；在加热中后期，由于桩体温度逐渐趋于稳定，桩体轴力的增长速率也逐渐减小；停止供热时，单螺旋型和并联双螺旋型能量桩桩体最大轴力分别达到 和 （单桩承载力极限值为 ），分别位于距桩顶 和 处。由图可以看出，加热结束时，单螺旋型和并联双螺旋型能量桩最大轴力较普通桩分别增加 和 ，在加热过程中由温度变化引起的附加压应力分别为 和 。单螺旋型能量桩桩体轴力在（砾砂与全风化泥岩交界）处突然减小，考虑与钢筋测力计埋设位置的持力层约束不同有关。由图（）和图（）可以看出：随着桩体温度的降低，桩体收缩变形，桩体轴力减小，自然冷却结束时，由于桩体未恢复至初始温度，单螺旋型和并联双螺旋型能量桩桩体最大轴力分别为 和 ，较升温结束时分别减小 和 ，根桩在降温过程中产生的附加拉应力分别达到 和 。由图可知：在最大轴力点深度处，根能量桩升温时桩体轴力增加，降温时轴力逐渐减小，整个过程中桩体轴力均大于普通桩；自然冷却结束时，单螺旋型和并联双螺旋型能量桩中 国 科 技 论 文第 卷图桩体轴力分布 图最大轴力点深度处普通桩与能量桩桩体轴力对比 桩体内部仍存在压应力，分别为 和 。以上结果表明，在温度荷载共同作用下桩体轴力变化明显，且可能产生不可恢复的塑性变形，虽未超过其桩体极限承载力设计值，但这种轴力变化在周期加载和长期温度循环过程中可能会影响上部建筑物的安全性，在桩基结构设计时应给予充分考虑。桩侧摩阻力分布规律在加热过程中，温度变化导致桩体附加应力产生变化，引起桩侧摩阻力的变化。相邻层监测断面间的桩侧平均侧摩阻力计算公式为，（，）。（）式中：，为各钢筋测力计埋设层平均侧摩阻力，；，为各钢筋测力计埋设层附加热应力，；为被测桩径，；为相邻层监测断面间距，；，表示从桩顶至桩端钢筋测力计埋设层。规定摩擦力向上为正，向下为负。将计算得到的桩侧平均侧摩阻力值代入式（），即可得到桩体所承担的下拉荷载标准值：。（）式中：为下拉荷载标准值，；为桩体周长，；为中性点以上土层数；为中性点以上各土层的厚度，；为 中 性 点 以 上 桩 的 平 均 负 摩 阻 力 标 准值，。第期常虹，等：螺旋型能量桩热力响应原位试验研究由于本试验中根桩在自然冷却时的桩体温度未恢复到初始温度，所以仅对加热过程中的桩侧摩阻力变化进行分析。不同加热时刻的桩侧摩阻力分布如图所示。可知，根桩的上部均出现负的侧摩阻力，下部为正的侧摩阻力，且桩侧摩阻力的绝对值随桩体温度的升高而逐渐增大，但增量随时间推移逐渐减小，表明桩侧摩阻力随时间逐渐趋于稳定。图不同加热时刻的桩侧摩阻力分布 由图（）可以看出，加热结束时，单螺旋型能量桩最大正摩阻力为 （），最大负摩阻力为 （），考虑负摩阻力影响的下拉荷载为 ，其桩体出现个中性点，分别位于 和 深度处，考虑是由于顶部钢筋测力计距地表太近，加热过程中该处温度变化低于桩体其他位置，所引起的桩土位移明显低于桩体其他部位，周围砾砂土层受热膨胀，在 深度以上相对于桩体产生向上的位移，在 深度以下相对于桩体产生向下的位移，导致该中性点的出现。由图（）可以看出，加热结束时，并联双螺旋型能量桩最大正摩阻力为 （），最大负摩阻力为 （），考虑负摩阻力影响的下拉荷载为 ，中性点位于 深度处。相比之下，根桩的中性点均位于桩体中上部，这与赵蕾等 通过数值模拟所得能量桩在温度荷载作用下中性点分布结论相符合。并联双螺旋型能量桩的桩体温度明显高于单螺旋型，其由温度引起的桩体与桩周土的摩擦效应更高，在加热过程中的侧摩阻力增大趋势明显比单螺旋型快，从而导致最大正负摩阻力高于单螺旋型能量桩，与其桩体受热膨胀轴力变化规律相符合。但单螺旋型能量桩由温度引起的下拉荷载相比并联双螺旋型能量桩增加了 ，因此在长期运行的实际工程中，单螺旋型能量桩由温度分布不均引起的桩顶沉降可能会增加，相关问题需引起重视。结论对单螺旋型、并联双螺旋型能量桩开展了温度荷载联合作用下的现场原位试验，得到如下结论：）升温过程中，单螺旋型能量桩桩体出现温度分布不均匀的情况，并联双螺旋型能量桩桩体未出现此情况，根桩的换热功率分别稳定在 和 ，桩体平均每延米瞬态热交换值分别为 和 ，并联双螺旋型能量桩的换热总量和换热速率明显高于单螺旋型。）基于本试验条件，根桩在升温过程中的桩体最大应变均位于桩体中部偏上位置，最小应变均位于桩端位置，且两端的应变均小于桩体其他深度处。）停止加热时，通过对桩体轴力的计算得到，根能 量 桩 由 升 温 产 生 的 附 加 压 应 力 分 别 达 到 和 ，由降温产生的附加拉应力分别达到 和 ，虽未影响其结构安全性，但在设计过程中不可忽略温度对与桩体承载力的影响。）升温过程中，桩侧摩阻力分布基本呈上部为负、下部为正，且单螺旋型能量桩出现个中性点情况，根桩的桩侧摩阻力绝对值均随温度的升高而增大，但增量随时间推移逐渐减小且并联双螺旋型能量桩的侧摩阻力增大趋势明显快于单螺旋型，单螺旋型由温度引起的下拉荷载比并联双螺旋型增加了 ，因此单螺旋型能量桩在实际工程应用中应重点关注由温度分布不均引起的桩顶沉降量增加等相关问题。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：）参考文献（）刘汉龙，王成龙，孔纲强 型、型和螺旋型埋管形式能量 桩 热 力 学 特 性 对比模型试验岩土力 学，（）：，（）：（）中 国 科 技 论 文第 卷 ，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：刘汉龙，王成龙，孔纲强，等不同压实度下能量桩的热力 学 效 应 中 国 科 技 论 文，（）：，（）：（），（）：，：，：（），：，：中华人民共和国建设部混 凝 土 结 构 设 计 规 范：北京：中国建筑工业出版社，：，（），（）：赵蕾，高林，张爽，等不同埋管形式能量桩换热性能与承载性能的对比研究安全与环境学报，（）：，（）：（）