石雨恒　付長(zhǎng)鄆　錢建

摘要：能量樁是一種將地源熱泵技術(shù)和傳統(tǒng)樁基相結(jié)合的新型樁基。與傳統(tǒng)樁基不同，能量樁工作時(shí)需同時(shí)承擔(dān)上部建筑荷載和樁體溫度變化的影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于樁體溫度變化對(duì)能量樁工作特性影響的研究主要集中在溫度對(duì)能量樁承載特性的影響和對(duì)樁土接觸面力學(xué)特性的影響兩個(gè)方面。在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)能量樁的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合闡述，并提出能量樁的未來(lái)研究方向。

Abstract： The energy pile is a new type of pile foundation which combines ground source heat pump technology with traditional pile foundation. Different from the traditional pile foundation， the energy pile needs to bear the influence of the upper building load and the temperature change of the pile body at the same time when it works. At present， domestic and foreign scholars' research on the influence of temperature change on the working characteristics of the energy pile mainly focuses on the influence of temperature on the bearing characteristics of the energy pile and the mechanical characteristics of pile-soil interface. On the basis of previous studies， this paper comprehensively expounds the research status of energy piles， and puts forward the future research direction of energy piles.

關(guān)鍵詞：能量樁;溫度變化;承載特性;樁土接觸面

Key words： energy pile;temperature change;bearing characteristic;pile-soil interface

中圖分類號(hào)：TU473.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）33-0137-02

0? 引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑功能多樣化的綠色節(jié)能建筑的需求越來(lái)越高，綠色能源逐步走上舞臺(tái)，地?zé)崮鼙闶瞧渲兄?。為了有效利用淺層地?zé)崮埽卦礋岜眉夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但是，地源熱泵技術(shù)將換熱管直接埋置于地下，施工工期長(zhǎng)、成本高，而且極大使用地下空間。為了能夠有效地利用淺層地?zé)崮芎捅苊鈧鹘y(tǒng)地源熱泵技術(shù)的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們將換熱管埋置于傳統(tǒng)樁基內(nèi)，使得樁體能夠同時(shí)承擔(dān)上部建筑荷載和作為換熱管的載體。能量樁相較于傳統(tǒng)樁基具有很大優(yōu)勢(shì)，不僅施工工期短、成本低，換熱效率高，而且很大程度上節(jié)約了地下空間的使用。因此，近年來(lái)學(xué)者們對(duì)能量樁進(jìn)行了較深入的研究，在樁體溫度變化對(duì)能量樁工作特性影響方面獲得了很多研究成果。

1? 溫度對(duì)能量樁承載特性的影響

1.1 樁身應(yīng)力

樁體升溫和降溫時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹和收縮變形，這種變形會(huì)受到樁頂、樁側(cè)和樁端的約束作用，樁體內(nèi)部隨之產(chǎn)生溫度附加應(yīng)力。桂樹強(qiáng)等[1]通過(guò)能量樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁體內(nèi)部附加溫度應(yīng)力大約為100-300kPa/℃。Cecinato等[2]對(duì)能量樁運(yùn)行過(guò)程中溫度變化的研究表明，能量樁工作時(shí)樁體溫度可提高25-30℃。由此可見(jiàn)，能量樁內(nèi)部的附加溫度應(yīng)力可以達(dá)到兆帕量級(jí)。Bourne-Webb等[3]在倫敦進(jìn)行的能量樁熱力學(xué)特性試驗(yàn)研究表面，樁體附加溫度應(yīng)力的大小和分布與樁體約束條件密切相關(guān)，兩端自由時(shí)的樁身軸力如圖1所示。

1.2 樁側(cè)摩阻力

樁體溫度變化對(duì)能量樁的樁側(cè)摩阻力也有明顯的影響?？拙V強(qiáng)等[4]通過(guò)能量樁室內(nèi)模型槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁體升溫導(dǎo)致樁側(cè)上部產(chǎn)生負(fù)摩阻力，下部產(chǎn)生正摩阻力，樁體降溫情況相反。Stewart等[5]開(kāi)展了端承型能量樁的離心機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明升溫使樁體完全向上變形，樁側(cè)均為負(fù)摩阻力。Amatya等[6]對(duì)樁側(cè)摩阻力的分析具有類似的結(jié)果，如圖2所示。

1.3 樁頂沉降

樁體升溫會(huì)使得樁頂向上隆起，降溫會(huì)引起樁頂附加沉降。所以，在滿足樁基承載力的前提下，還需要控制樁頂沉降以使建筑物沉降控制在合理范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們也紛紛開(kāi)展了對(duì)能量樁樁頂沉降的研究。Ng等[7]開(kāi)展了能量樁離心機(jī)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)多次溫度循環(huán)后樁頂產(chǎn)生了明顯的附加沉降。Cesar Pasten等[8]提出了一種能夠考慮溫度影響的荷載傳遞法，通過(guò)此法對(duì)有樁頂荷載作用的能量樁進(jìn)行計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期溫度循環(huán)會(huì)引起樁體的塑性變形，使樁頂處產(chǎn)生累積沉降，其值與溫度循環(huán)周數(shù)有關(guān)。

1.4 極限承載力

現(xiàn)有研究表明，溫度變化對(duì)能量樁極限承載力的影響與地基土的類別有關(guān)。Wang等[9]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂土地基中的能量樁極限承載力基本不受溫度變化影響。Rosenberg[10]通過(guò)研究粉土地基中能量樁的極限承載力指出，當(dāng)溫度提高20℃和41℃時(shí)，極限承載力分別提高了20%和33%。Goode等[11]的離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果同樣表明砂土地基中的能量樁極限承載力基本不受溫度變化影響，而粉土地基中能量樁的極限承載力隨溫度增加有明顯的提高。

2? 溫度對(duì)樁土接觸面力學(xué)特性的影響

樁土接觸面力學(xué)特性對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮和樁體沉降有著十分重要的影響，目前用來(lái)描述常規(guī)樁基樁土接觸面力學(xué)特性的樁土接觸面模型主要有理想彈塑性模型、Clough與Duncan[12]提出的雙曲線模型、三折線模型等。但是，由于能量樁工作時(shí)樁土接觸面呈現(xiàn)循環(huán)加卸載特性，以上傳統(tǒng)的樁土接觸面模型不能用來(lái)描述能量樁的樁土接觸面力學(xué)特性。目前學(xué)者們較多地利用曼辛法則來(lái)構(gòu)建能夠描述能量樁循環(huán)加卸載特性的樁土接觸面模型，但是均未考慮溫度對(duì)模型參數(shù)的影響。季節(jié)不同，能量樁工作時(shí)經(jīng)歷的溫度變化情況不同。在夏季模式中，樁和樁周土的溫度逐漸上升到穩(wěn)定值后會(huì)保持一段時(shí)間，運(yùn)行結(jié)束后溫度恢復(fù)。在冬季模式中，溫度變化情況相反。針對(duì)這一問(wèn)題，需要考慮不同溫度下的樁土接觸面力學(xué)特性。目前相關(guān)領(lǐng)域研究較多的是凍土和結(jié)構(gòu)之間接觸面的力學(xué)特性，對(duì)能量樁工作溫度變化范圍內(nèi)的樁土接觸面力學(xué)特性的研究還很少。有限的試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)樁土接觸面力學(xué)特性的影響與土的類別有關(guān)，砂土中的影響不大，而黏土中的影響較為明顯。

3? 結(jié)論與研究展望

通過(guò)對(duì)前人研究成果的整理歸納，可以看出樁體溫度變化對(duì)能量樁工作特性的影響主要集中在能量樁的樁身應(yīng)力、樁側(cè)摩阻力、極限承載力和樁土接觸面力學(xué)特性等方面。但是，由于能量樁在溫度變化和樁頂荷載耦合作用下的工作特性較為復(fù)雜，學(xué)者們對(duì)能量樁的研究尚未結(jié)束。在未來(lái)的研究中，需要著重研究能量樁工作溫度變化范圍內(nèi)的樁土接觸面力學(xué)特性以及溫度對(duì)土體力學(xué)特性的影響。

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