田 軍，劉俊平，劉大鵬，季偉偉

(1.銀西鐵路有限公司，寧夏 吳忠 751100；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

隨著能源問題和環(huán)境污染問題的重要性日益增加，節(jié)能減排問題成為了人們現(xiàn)在需要面對(duì)的重要課題。地源熱泵技術(shù)作為一種節(jié)能、環(huán)保、高效的新型技術(shù)，近年來得到了快速發(fā)展。然而占用地下空間較大以及鉆孔費(fèi)用相對(duì)較高等問題，在一定程度上限制了其大量推廣應(yīng)用。樁基在路堤、房建等建筑物中作為承載基礎(chǔ)大量使用[1-2]。能量樁技術(shù)就是將傳熱管埋設(shè)在原有建筑結(jié)構(gòu)物中，形成開發(fā)淺層地?zé)崮艿募夹g(shù)。劉漢龍等[3]研發(fā)的現(xiàn)澆大直徑管樁(即PCC樁)，在我國浙江東南沿海區(qū)域得到了較大的運(yùn)用。PCC樁具有較大的直徑內(nèi)腔，因此劉漢龍等[4-5]將能量樁技術(shù)運(yùn)用到PCC樁基礎(chǔ)上，利用PCC樁與土體大面積的接觸，獲得了較大的熱能交換。

研究人員進(jìn)行了大量關(guān)于其力學(xué)特性的研究，得出以下成果：Laloui等[6]將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，其得出溫度影響造成的樁體熱應(yīng)力較大。趙明華等[7-8]和鄭俊杰等[9]對(duì)樁體接觸面上，樁體或土體膨脹帶來的承載力特性影響進(jìn)行了分析，為能量樁的熱應(yīng)力引起的側(cè)摩阻力變化提供了理論支持。桂樹強(qiáng)等[10]針對(duì)某區(qū)域能量樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行分析，開展熱力耦合特性的研究。McCartney等[11]采用離心機(jī)試驗(yàn)得出能量樁溫度升高45℃時(shí)，其將使側(cè)摩阻力升高40%。對(duì)熱交換樁的承載力特性進(jìn)行了研究，然而還不足以對(duì)能源樁的安全性提出規(guī)范性的指導(dǎo)。Bourne-webb基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論性分析，假設(shè)樁體受到熱線膨脹作用的作用，在自由膨脹和約束條件下分布線性的理論模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了理論的真實(shí)可靠性，但是試驗(yàn)并沒有對(duì)樁-土的復(fù)合地基的承載力特性進(jìn)行相應(yīng)的分析[12-14]。Li等[15]和Hueckel等[16]從線性熱源的熱傳導(dǎo)方法出發(fā)，假設(shè)能量樁的熱傳導(dǎo)為持續(xù)的無限熱源在復(fù)雜的圓柱體媒介中進(jìn)行傳播，用解析解的方法對(duì)能量樁的能量的傳導(dǎo)性質(zhì)及其造成的溫度場(chǎng)等進(jìn)行了分析。

綜上可知，現(xiàn)有的研究大多集中在其傳熱效率和機(jī)理方面的，對(duì)循環(huán)溫度下，能量樁的承載特性研究相對(duì)較少。

因此，本文擬展開能量管樁在飽和砂土中，冷-熱循環(huán)條件下對(duì)周圍環(huán)境溫度場(chǎng)的影響研究分析，并對(duì)在冷熱循環(huán)溫度場(chǎng)作用下的荷載承載力特性及荷載傳遞特性進(jìn)行分析。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)概況

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇

本文模型試驗(yàn)采用混凝土結(jié)構(gòu)建造一個(gè)內(nèi)邊的尺寸為1 200 cm×75 cm×75 cm(高×長×寬)的模型槽，總共有4個(gè)模型槽，統(tǒng)一采用防水土工布作為防水措施, 具體的試驗(yàn)槽如圖1所示。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆恫捎每招牡匿X管樁，樁長和樁徑分別為1 000 mm和50 mm(長徑比為16)，有效樁長為800 mm，所采用鋁樁的彈性模量為70 GPa，熱膨脹系數(shù)及熱傳導(dǎo)率分別為23×10-6/℃和237 W/(m·k)，樁體依靠導(dǎo)熱管循環(huán)導(dǎo)熱液體進(jìn)行溫度場(chǎng)的施加，內(nèi)部采用管徑15 mm的熱循環(huán)導(dǎo)管，能量樁系統(tǒng)的導(dǎo)熱循環(huán)系統(tǒng)以及能量管樁的橫截面示意圖如圖2所示。

圖1 模型試驗(yàn)實(shí)物圖

圖2 溫度場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)及能量樁橫截面示意圖(單位:mm)

土體為南京地區(qū)砂土，室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得物理力學(xué)參數(shù)見表1，砂土顆粒級(jí)配圖見圖3。

表1 土樣參數(shù)表

試驗(yàn)時(shí)，每級(jí)填入56.5 kg的試驗(yàn)所用砂土，每級(jí)控制標(biāo)高為6 cm，共計(jì)分20級(jí)均勻填筑，均勻壓密以保證土體密實(shí)度均勻，填筑完成后將槽內(nèi)砂土加水飽和。

圖3 砂土顆粒級(jí)配圖

1.2 模型試驗(yàn)過程與測(cè)量

1.2.1 溫度荷載和結(jié)構(gòu)荷載

試驗(yàn)分為四組進(jìn)行，5℃、15℃(常溫)、35℃、50℃四種工況，35℃和50℃兩種加熱工況下，循環(huán)溫度荷載采用功率為125 W的全自動(dòng)型冷-熱水自吸泵來對(duì)能量樁進(jìn)行溫度加載(夏季模式，熱量從室內(nèi)傳遞至巖土層中)；5℃降溫工況，循環(huán)溫度荷載的施加采用在水浴箱中放置大量碎冰塊來控制(冬季模式，熱量從巖土層傳遞至室內(nèi))；其最大流量控制為15 L/min，最大吸程控制為9 m。通過泵將傳熱管內(nèi)的導(dǎo)熱液體以固定的流速傳入樁身傳熱管內(nèi)，導(dǎo)熱液體攜帶熱量進(jìn)入樁身后，溫度冷卻后重新流回加熱水槽中，在加熱5 h～6 h后，能量樁的樁體溫度從15℃上升到了約35℃(循環(huán)導(dǎo)熱液體的溫度為50℃)。

通過樁身溫度傳感器及進(jìn)出口溫度計(jì)測(cè)量所需的溫度，樁身溫度計(jì)分布如圖4所示，溫度的讀數(shù)儀器采用的是江蘇海巖制造的X05型多功能頻率儀。

采用砝碼堆載的方式進(jìn)行外部荷載施加，分15級(jí)加載，每次加載單塊砝碼100 N，共計(jì)1 500 N。

1.2.2 傳感器布設(shè)

樁端測(cè)力采用土壓力盒進(jìn)行讀取，外徑為50 mm，樁頂位移采用百分表，且加載板共放置兩個(gè)百分表，采用取中值的方式減小測(cè)量誤差。樁身上布置對(duì)稱的等間距應(yīng)變片，應(yīng)變片及溫度傳感器的讀數(shù)如圖4所示。

1.2.3 試驗(yàn)終止條件

正常進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)樁體和土體的溫度連續(xù)兩次測(cè)量后差值小于10%后，試驗(yàn)即可終止，即可認(rèn)為循環(huán)加載進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 應(yīng)變計(jì)、溫度傳感器、壓力計(jì)安裝示意圖(單位：mm)

2 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樁身溫度變化規(guī)律分析

35℃和5℃進(jìn)行熱、冷循環(huán)前后的溫度沿樁身的變化規(guī)律結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，熱循環(huán)(夏季循環(huán))時(shí)，進(jìn)水口溫度為50℃，待循環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定階段， 在樁頂溫度達(dá)到34.5℃后，溫度不再上升，樁底溫度穩(wěn)定在19.8℃，可以發(fā)現(xiàn)樁身溫度沿深度不斷降低，說明越靠近樁底熱交換越難。

圖5 樁身在常溫及循環(huán)穩(wěn)定時(shí)的軸向溫度分布圖

在冷循環(huán)(冬季循環(huán))時(shí)，進(jìn)水口溫度為5℃，待循環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，樁身溫度不再變化時(shí)，樁頂溫度達(dá)到9.2℃，溫度沿著樁深遞增，樁底溫度達(dá)到12.5℃。同理于熱循環(huán)，樁頂進(jìn)水口處循環(huán)液體溫度最低，隨著熱循環(huán)的進(jìn)行，沿樁深增加循環(huán)液體溫度逐漸升高，樁體穩(wěn)定時(shí)樁身溫度逐漸升高，樁頂以下20 cm位于砂土層之上，樁身與空氣接觸，熱交換更易進(jìn)行，故樁頂溫度并不顯著高于樁頂下20 cm。

在冷熱循環(huán)中，發(fā)現(xiàn)能量樁樁身溫度并不能均勻地分布，樁頂溫度遠(yuǎn)高于裝底部，且不均勻，因此需要充分考慮到樁身的不均勻溫度變化。

2.2 樁頂位移變化規(guī)律分析

圖6給出了不同循環(huán)溫度作用下，樁頂荷載-位移的關(guān)系曲線。

由圖6可以看出，在相同的荷載作用下，溫度升高將使樁頂位移逐漸變小，樁的承載力也將不斷提高。

圖6 不同溫度場(chǎng)作用下的樁頂荷載位移曲線

通過對(duì)砂土的直剪試驗(yàn)，可以看出溫度場(chǎng)變化時(shí)，砂土的抗剪強(qiáng)度基本不變，因此可以忽略其影響?？梢缘贸鰳扼w承載力的提高是由于能量柱樁身溫度提高后，樁土接觸面的側(cè)摩阻力在提高。

通常，樁身極限側(cè)摩阻力[17]可以由下式得出：

(1)

(2)

(3)

Δa=a0αΔT

(4)

假設(shè)溫度場(chǎng)作用下，樁土接觸面達(dá)到屈服臨界點(diǎn)，可以由計(jì)算公式[17]得到，如式(5)所示：

(5)

式中:a0為樁徑;b為計(jì)算模型邊界距樁軸心距離，本文為模型槽短邊的一半。

(6)

圖7給出了試驗(yàn)中常溫(T=15℃)和熱循環(huán)(T=50℃)的歸一化Q-S曲線與McCartney等[11]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，從圖中可以得出本文溫度場(chǎng)作用下樁體承載力的變化趨勢(shì)與McCartney的結(jié)果一致，在加載初期， 樁身極限側(cè)摩阻力的提高會(huì)導(dǎo)致樁的承載力的提高，當(dāng)極限側(cè)摩阻力達(dá)到極大之后，結(jié)構(gòu)荷載將有部分樁端阻力承擔(dān)，樁體的承載力將不會(huì)顯著提高，Q-S曲線可近似認(rèn)為平行。本文溫度場(chǎng)對(duì)承載力作用相比較McCartney的小的原因是文中樁體溫度達(dá)到的實(shí)際最大值是34.5℃小于McCartney的溫度變化。

圖7 樁頂荷載位移曲線和McCartney的結(jié)果比較

2.3 樁身應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律分析

根據(jù)Laloui等假定，樁體均勻應(yīng)變?chǔ)臫在樁端無約束時(shí)，εT=αΔT(ΔT為溫度場(chǎng)變化值)，若樁兩端部沿樁軸向被完全約束εT,那么樁身長度不會(huì)發(fā)生變化，一個(gè)均勻分布的軸向力將會(huì)作用于樁體P=εTAE(其中A是樁體的橫截面面積，E是樁體的剛度)。當(dāng)樁置于均質(zhì)土中時(shí)，樁受溫度場(chǎng)的影響，樁土界面的豎向有效應(yīng)力將在一定程度上影響樁的熱膨脹和收縮，導(dǎo)致樁的軸向應(yīng)變小于完全自由膨脹和收縮的軸向應(yīng)變。

從Laloui等簡化模型出發(fā)，分析本文樁體在實(shí)際情況中的應(yīng)力應(yīng)變曲線。常溫15℃時(shí)和35℃時(shí)的樁身軸向應(yīng)變圖如圖8所示；當(dāng)作用有溫度場(chǎng)后，樁身在溫度荷載和上部荷載共同作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)變比僅作用有上部荷載時(shí)的應(yīng)變值大，表明隨著溫度的升高，樁體的軸向應(yīng)變逐漸變大，樁身應(yīng)力有一個(gè)明顯的提高，從圖8中可以看出作用有溫度荷載時(shí)產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最大值為668.5 με，僅有上部荷載作用時(shí)產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最大值為260 με，溫度場(chǎng)引起的軸向應(yīng)變值近乎上部荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)變的2倍。因而，在作用有溫度荷載的時(shí)候，會(huì)引起一個(gè)顯著的軸向熱應(yīng)力，其大小要比上部荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值大很多，使得樁體本身的安全性受到威脅，在樁體設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮熱應(yīng)力的影響，以防止樁體本身在熱應(yīng)力和上部荷載產(chǎn)生的應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生破壞，從而威脅到基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)的安全性。

圖8(a)中同時(shí)描述了Laloui等和Bourne-webb等的試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁身軸向應(yīng)變圖，Laloui等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，樁頂上部作用有已經(jīng)完工的建筑結(jié)構(gòu)，其上端部可認(rèn)為受到較完全的剛性約束作用，有效的約束了樁頂?shù)奈灰疲鴺兜撞糠殖袚?dān)于一個(gè)堅(jiān)硬高強(qiáng)度的巖石層上，同樣有效的約束了樁底的位移，因此可以將該樁體看做完全的剛性約束，因而其樁身應(yīng)力應(yīng)變沿樁深呈線性增加，其最大的軸向荷載大于上部荷載的兩倍，其在樁端部的荷載增加值較大。圖8(a)同樣給出了Bourne-webb等的試驗(yàn)結(jié)果，樁頂施加的荷載并不是完全剛性的結(jié)構(gòu)，樁底也并沒有作用在堅(jiān)硬的巖石層上，其端部的位移都沒有受到完全的約束，因而溫度場(chǎng)作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力應(yīng)變的增加值沿樁深方向并不是線性的，其最大軸向荷載比上部荷載大70%左右，且樁底部的應(yīng)力應(yīng)變?cè)黾又挡⒉幻黠@。

圖8 樁身軸向應(yīng)變圖

本文模型試驗(yàn)中，上部荷載施加采用堆載，樁底部置于標(biāo)準(zhǔn)南京砂土層上，端部受到的約束都較小，其約束情況可以看做柔性約束，和Bourne-webb等的試驗(yàn)相近。由圖8(a)可知，樁身軸向應(yīng)變并不是沿著樁身線性增加，且樁底的軸向應(yīng)變?cè)黾硬幻黠@，這和Bourne-webb等的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)比三組試驗(yàn)結(jié)果，樁體端部的約束會(huì)極大影響溫度荷載產(chǎn)生的力和應(yīng)變。樁身應(yīng)力在端部為剛性約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生線性的變化。圖8(b)給出了模型試驗(yàn)中能量管樁在冷循環(huán)時(shí)，受溫度荷載和上部荷載共同作用時(shí)的軸向應(yīng)變圖(Laloui等和Bourne-webb等的試驗(yàn)中并未分析冷循環(huán)效果，故未給出其應(yīng)變圖)。在能量樁冬季溫度荷載下，樁身上半部分受到的應(yīng)力和應(yīng)變與原應(yīng)力、應(yīng)變方向一致，因此樁的上部應(yīng)變是大于僅受上部荷載時(shí)的樁身應(yīng)變大。這和本文基本假定相一致；此外，還可以看出樁體軸向應(yīng)力、應(yīng)變的值比常溫時(shí)小，這也驗(yàn)證了圖6中5℃時(shí)的樁體承載力比常溫時(shí)要低的部分原因：樁身發(fā)生了徑向收縮，引起了樁-土接觸面的有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致了樁身極限側(cè)摩阻力減小。

3 結(jié) 論

本文通過飽和砂土中能量管樁的靜載模型試驗(yàn)，可以得出了如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 本文試驗(yàn)條件下，在溫度循環(huán)溫度場(chǎng)作用下，由于熱脹冷縮的原理，樁身受熱膨脹后，會(huì)增加樁身極限側(cè)摩阻力，進(jìn)而樁的承載力也會(huì)增加，其增加最大值約為54%，而樁端阻力值隨溫度的變化并不明顯，上部荷載增加值超過極限側(cè)摩阻力后，樁的承載力提升并不明顯；在冷循環(huán)溫度場(chǎng)作用下，樁體受冷徑向收縮，能量樁的極限側(cè)摩阻力降低，其降低最大值約為16%，樁端阻力值在整體基樁荷載分擔(dān)中的比值有所增加。樁體溫度每升高1℃，能量管樁樁基極限承載力近似提高1.5%。

(2) 溫度場(chǎng)對(duì)能量樁樁身應(yīng)力應(yīng)變的作用大小受樁端約束條件影響較大，在兩端受剛性約束時(shí)，樁身應(yīng)力應(yīng)變沿樁深呈線性增加，其在樁端部的荷載增加值較大；而兩端受柔性約束時(shí)，樁身軸向的熱應(yīng)力應(yīng)變并不呈線性變化，且在端部變化值較??；本文試驗(yàn)結(jié)果和條件與柔性約束時(shí)的變化情況相一致。

(3) 在冷循環(huán)時(shí)，溫度場(chǎng)引起的應(yīng)力應(yīng)變?cè)跇扼w上半部分和下半部分分別與樁端壓力引起的應(yīng)力應(yīng)變方向相反。土體溫度場(chǎng)對(duì)樁身應(yīng)力影響較大，需要考慮溫度熱應(yīng)力的影響。