典型地层结构能量桩热-力学行为特征研究

The research object of this project are the typical cohesive soil, sandy soil et al. in the middle-lower Yangtze Plain Area. The multi physical field distribution characteristics and its evolution of the energy pile and soil around pile will be investigated with the consideration cyclic of heat exchanging. The researches will focus on revealing soil variable temperature migration law, spatial distribution and temporal variation of the deformation of pile and soil deformation caused by temperature and humidity changes. The evolution law of stress, pile-soil interface deformation and contact behaviour will be studied also. In the condition of multi field coupling, the energy of soil around pile and pile - soil interface thermal mechanical response characteristics will be clarified. The thermos-mechanical constitutive relationship of the soil around the pile will be established. Through the model test and numerical simulation, the thermos-mechanical process and characteristics of energy pile in several typical stratum structures will be analyzed. Finally, the interaction mechanism of pile and soil will be obtained, and the thermal-mechanical model of the energy pile will be established with the consideration of typical stratum structures.

本项目以长江中下游平原地区典型粘性土、砂土等为研究对象，研究能量桩在周期换热、停采条件下，能量桩及桩周土多物理场的分布特征和演化规律，重点揭示变温条件下土体的湿热迁移规律，温度和湿度变化引起的桩-土体变形的时空演化规律，应力的空间分布和变化特征，桩-土界面的变形和接触性质等；阐明多场耦合条件下能量桩周土体和桩-土界面的热-力学响应特征，建立桩周土热-力耦合本构关系；通过模型试验和数值模拟，分析多个典型地层结构中能量桩的热-力学过程和行为特征，揭示桩-土的相互作用机理，建立考虑地层结构的能量桩-土的热-力学模型。

能量桩是浅层地热能开发利用较为方便的一种方式，与传统地源热泵技术相比，能量桩不仅节省了场地，而且大大地降低了地源热泵系统的造价。能量桩具有承担上部结构荷载和传递地热能的双重作用，其工作过程是一个应力场–位移场–温度场–渗流场–时间场相互耦合的问题，是一个复杂的热、力学过程。为了解典型地层结构能量桩的热、力学行为特征，本项目围绕能量桩及桩周土力、热、水等多场特征信息的时空演化特征、多场耦合作用下的桩周土和桩-土界面的热、力学响应规律、典型地层结构中能量桩-土的相互作用机制三个科学问题开展研究，取得的研究成果如下：提出了基于分布式光纤测温技术（DTS）的岩土体分布式导热系数计算模型及测试方法；得到了土样导热系数、电阻率、剪切波速与干密度、含水率和上覆压力的关系，建立了典型土体热物性参数与物理力学参数关系，提出了原位利用勘测手段获取土体导热系数的方法；利用现场热响应试验和数值模拟方法，得到了预制能量管桩及其桩周土温度、应力、变形等多场分布特征和演化规律，对影响预制能量管桩传热的因素进行了分析与优化；通过模型试验和数值模拟，揭示了非均匀温度场中单桩的内力响应特征；研发了能量桩桩-土界面试验装置，重点研究了桩-土界面的热、力学行为特征，揭示了桩-土界面法向应力的变化模式；研究了能量桩的群桩效应，分析了影响桩-土热、力学特征的影响因素；提出了基于离散元的能量桩数值模拟新方法。上述研究成果对于掌握能量桩的热、力学行为特征、推动能量桩技术的广泛使用具有重要的理论价值和工程意义。