能源地下工程中结构安全与换热效率的影响机制与关键问题研究

It is not clear the changes of mechanical properties and bearing performance of the energy geo-structure, the underground structure and surrounding rock stress induced by temperature fields changes in using of the energy geo-structure. And it is not clear the complex heat transfer rules and thermal efficiency of the geothermal energy source extracted from the different forms of energy geo-structure. In this research, a lot of monitoring instruments will be buried in engineering fields. Based on a large amount of actual measured data, heat exchange tube arrangement, heat transfer rule and computational modeling of the different forms of energy geo-structure(tunnel, foundation pit, pile foundation) will be studied. And, by using existing large-scale model test rig, the distribution patterns of stress field of the underground structure and surrounding rock induced by temperature fields changes will be studied carefully. Through long-term monitoring in engineering fields, the fatigue effect of the energy geo-structure will be analyzed. Finally, the thermal efficiency of the different heat exchange tube arrangement will be tracking monitored. After analyzing the results, the optimizing arrangement ,key parameters for engineering construction, and heat exchange efficiency in different seasons will be obtained. Through the above work, the change laws of mechanical properties and bearing performance of the energy geo-structure, the change laws of the underground structure and surrounding rock stress induced by temperature fields changes of the energy geo-structure will be revealed. The complex heat transfer rules and thermal efficiency of the geothermal energy source extracted from the different forms of energy geo-structure will be revealed.

能源地下结构使用中，由温度场变化诱发的地下结构与围岩应力、力学特性与承载性能变化目前尚不清楚；不同形式能源地下工程的复杂传热规律与地温能提取的热效率也还不明确。本项研究，通过在工程现场布设相关监测仪器，在采集大量实测数据基础上，研究典型地下结构（隧道、基坑、桩基础）换热管的布置方式及其传热规律和计算模型；利用已有大型模型试验台，对温度场变化诱发的地下结构及周围岩土体应力场变化规律进行研究；通过对能源地下结构周围地温场、应力场的长期监测，分析其长期效应与疲劳效应；利用现场测试及室内模型试验，对不同管道布置方式的热效率进行跟踪监测，得到管道的优化布置方式，并获取施工的关键参数指标；利用示范工程的多年连续监测，研究能源地下结构不同季节的换热效率。通过以上工作，希望揭示由温度场变化诱发的地下结构与围岩应力、力学特性与承载性能变化规律；揭示不同形式能源地下工程复杂传热规律与地温能提取的热效率等。

能源地下结构使用中，由温度场变化诱发的地下结构与围岩应力、力学特性与承载性能变化目前尚不清楚；不同形式能源地下工程的复杂传热规律与地温能提取的热效率也还不明确。能量桩作为一种经济高效节能减排技术的能源地下结构，是由地源热泵技术与桩基埋管换热器结合而成，近年来在我国建筑工程领域已逐步推广应用，但是其理论研究明显落后于实践，能量桩技术方面也有待更多的创新和发展，开展本课题研究具有重要的理论意义和工程实用价值。基于模型试验方法，开展工作荷载作用下能源桩多次冷热循环时的传热特性和承载特性研究，尤其是针对桩顶位移变化规律进行了研究；并开展无荷载作用下单次冷热循环试验的对比分析。利用数值软件，开展了不同桩埋管形式、管径、以及保护层厚度等因素对桩身温度场和应力场影响的数值模拟，系统分析冷热循环作用下桩身横截面内不同位置的温度、热应力变化规律；针对不同的群桩布置形式及桩间距情况下能量群桩特性进行数值模拟研究，分析在循环温度荷载作用下群桩桩身横截面内的温度场和热应力场的变化规律。基于室内土工试验和南京地区三种具有代表性的典型土样，针对能量桩-黏土、能量桩-粉土和能量桩-砂土接触面的摩擦力学特性进行室内土工直剪试验；着重分析不同桩体温度和桩周土体含水率等情况下能量桩-土接触面力学特性。研究结果表明，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，即温度将引起桩侧正摩阻力和负摩阻力；多次冷热温度循环会导致桩体沉降不断积累。群桩桩体内温度、应力受邻近桩的影响明显；在单侧邻近桩体的影响下，桩身平面内会产生非对称分布的温度和应力，且在桩侧壁处温度与热应力变化较大。相同含水率情况下，能量桩-黏土接触面的温度效应最明显，相同桩体温度情况下，桩周土体含水率的大小对能量桩-黏土接触面力学特性的影响最明显。