长期循环温度作用下超长能源桩桩土相互作用及承载特性研究

Energy pile is the combination of ground source pump technology and building pile foundation which can bear the upper load and adjust the room temperature through obtaining the geothermal from the deep. Super-long energy pile was defined as pile length large than 50 m and slenderness ratio large than 50. Traditionally the design working life of ordinary buildings or structures is 50 years. The energy pile experience long term temperature cycle during the service time, plastic deformation appeared in the energy pile settlement and surrounding soil which affect the construction safety. Volumetric strain, shear strength, lateral earth pressure ratio and friction property of pile-soil interaction will be studied through triaxial test and self-made pile-soil interaction shear instrument controlled by temperature. The calculation method of lateral earth pressure and bearing capacity will be built base on the cavity expansion theory considering cyclic expansion and retraction. For super-long energy pile surrounded by weak soft soil or liquefiable soil and fixed at the two ends, the pile will bend when heated. The critical buckling load calculation method can be built considering the earth pressure changing with the displacement. Centrifuge model test on the bearing capacity of the super-long energy pile will be carried out to verify and modify the calculation model. The achievements of this study can supply theoretical basis on the design process, complete the theoretical research of the energy pile and has positive effects on the development and improvement of the technology.

能源桩是地源热泵技术与建筑桩基础的结合，在承担上部荷载的同时能够传输地基深处的地热能源对室温进行调节。超长能源桩（桩长大于50m或长径比大于50）在50年的建筑设计使用年限内承受着长期循环温度作用，桩土接触面会产生塑性变形，严重影响建筑物安全。本项目拟通过温控三轴及自制温控桩土剪切仪，开展长期温度循环效应作用下土体体积应变、抗剪强度、侧压力系数及桩土接触面摩擦特性变化规律研究。基于扩孔理论建立考虑土体循环膨胀回缩效应的桩侧土压力计算方法及超长摩擦桩承载力计算方法。对于桩周存在软弱土或可液化土的超长能源端承桩，当两端存在嵌固形式时，在温度效应作用下桩身容易发生弯曲，拟开展考虑两侧土压力随位移变化的屈曲临界荷载计算方法。开展超长能源桩承载特性离心机模型试验研究对建立的计算方法进行验证与修正。本项目的研究成果能够完善能源桩的理论研究，为能源桩的设计提供理论基础，推动该技术的发展和完善。

城镇化进程的加快加剧了建筑能耗，为践行节能减排，开发新能源技术迫在眉睫。能源桩作为一种新型桩基础形式，由传统建筑桩基与地源热泵系统组合而成，在承担上部荷载的同时能将浅层地热能通过输入少量的高品位能源提取出来，用于室内冬季供暖及夏季制冷。考虑到超长能源桩在建筑设计使用年限内承受长期循环温度作用，桩土接触面会产生塑性变形，且对于桩周存在软弱土或可液化土的超长端承能源桩，当两端嵌固时，在温度效应作用下桩身容易发生弯曲，影响建筑物安全。本项目通过温控三轴及自制温控桩土剪切仪，开展了温度荷载作用下土体力学特性试验研究，并基于离心模型试验结合有限元数值模拟，通过改变桩头载荷及桩端约束形式，开展了长期循环荷载作用下能源桩承载特性研究。取得主要结论如下：.（1）三轴固结不排水剪切试验中，在不同温度、同一围压情况下，随着温度升高，破坏应力差呈现逐渐降低的趋势；高围压相对于低围压而言，温度对其破坏应力差的影响呈弱化作用。.（2）随着温度的增大，黏聚力c逐渐降低，并且和温度拟合后可以用一指数型函数来表示；摩擦角受温度的影响较小。.（3）超长能源桩处于饱和砂土中时，桩身深处的热传递效果相对更明显。桩周土与桩身具有相似的升/降温趋势，但距桩中心越远，达到温度峰值的时间越落后，桩周温度传播存在一定的“滞后”效应。.（4）桩头自由的超长摩擦型能源桩变形中性点约出现在桩身3/4深度处，超长端承型能源桩桩身存在多个变形中性点。.（5）长期循环温度荷载作用下，原型桩产生均匀缓慢的沉降，能源桩则呈现出一种棘轮模式的沉降，其在热循环阶段桩头隆起，冷循环阶段桩头沉降，且整体呈下降趋势。.（6）长期循环温度荷载作用下，能源桩的单桩承载力较普通建筑桩基能得到显著的提升，且与摩擦型能源桩相比，端承型能源桩具有更高的桩基承载力。