PCC能量桩热、力学工程特性及桩-土荷载传递机理研究

Energy pile technology, which is combination of ground source heat pump technology and pile foundation, is an cost-effective and energy conservation technology. Althouugh it has been adopted in the industry recenly and empirically, the theoretical study is obviously behind engineering practice. In this project, a new PCC energy pile will be developed. The structure of the new PCC energy pile, its thermal conductivity, production process and quality testing methods will be investigated. Based on large scale model tests, centrifuge model tests and numerical analysis, new theoretical model and calculation methods of PCC energy pile will be developed. The load capacity, load-transfer mechanism and load-displacement relationship of this new PCC energy pile under various temperatures will be investigated and understood. The newly developed theory will improve current design methods and calculations. It is anticipated that the findings from this project will advance scientific knowledge and has important practical impacts on the design, construction and quality control of new energy pile technology.

能量桩是一种由地源热泵技术与桩基埋管换热器结合组成的经济高效节能减排技术，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。本项目拟通过技术研发、试验研究和理论分析等方法，研发一种全新的PCC能量桩技术，建立PCC能量桩技术的结构形式、导热材料、制作工艺以及质量检测方法等成套技术方案；基于大比尺土工模型试验、离心机模型试验以及数值分析方法，分析能量传递过程中PCC能量桩的温度场与应力场的分布规律，建立PCC能量桩的能量传递理论模型及计算方法；基于荷载传递法和剪切位移法等桩-土相互作用理论，建立考虑冷、热能量传递及土体温度场影响的新型PCC能量桩承载力计算方法。研究成果将丰富并创新能量桩设计与计算理论，对指导节能减排新型能量桩技术的应用和发展具有重要的科学意义。

浅层地热能作为一种清洁、可持续发展的新能源，储量大、无污染、无碳排放，值得大力开发与利用。能量桩作为浅层地热能开发与利用的主要形式之一，可以减少传统地源热泵埋管钻孔费用、节约用地，兼具支撑上部荷载和浅层地热能传递双重功能。然而，能量桩涉及到温度场、应力场和渗流场等THM多场耦合问题，无法用传统的土力学与桩基础知识进行有效解决，给广大工程技术人员带来前所未有的机遇与挑战。依托本项目资助，获得了如下几点研究成果：. （1）成功研发了一种新型PCC能量桩、新型预埋管能量桩的设计方法、制作工艺以及质量检测方法等成套技术。基于大比尺模型试验和土工离心机试验方法，揭示了PCC能量桩、新型预埋管能量桩的热、力学工程特性及桩/土位移场与温度场分布规律；为国家行业标准《桩基地热能利用技术标准》（送审稿）的制定，提供技术支撑。. （2）分别基于COMSOL和ABAQUS有限元软件，通过修改软件内置材料方程、耦合渗流和固体力学控制方程、添加计算边界面内塑性应变偏微分方程的方法对一热力耦合边界面本构模型进行了二次开发。利用所开发模型，对一维固结问题、常温等向压缩问题、排水条件下等向升-降温问题和不同温度下不排水三轴压缩问题进行了模拟，验证了所提方法的可靠性和有效性，为能量桩热-力耦合特性研究奠定了基础。. （3）基于Laloui教授等提出的土体热本构模型（ACMEG-T），建立了一种考虑非等温条件下热塑性塑料土孔膨胀的理论解。通过将ACMEG-T纳入孔扩张的理论框架，产生了一系列偏微分方程；通过使用数学软件数值求解ODE来获得桩体膨胀（应力，超孔隙压力和位移）响应参数的理论解。. 依托本项目研究，发表标注本项目基金号（51378178）学术论文29篇（其中SCI收录12篇、EI收录9篇），授权国家发明专利8项，培养博士后1名、博士研究生5名、硕士研究生3名。研究成果将丰富并创新能量桩热-力耦合特性及桩-土相互作用机理，对指导能量桩工程设计、施工具有重要的应用价值和社会经济效益。