温度对地热能源桩承载性状的影响

作为一种地源热泵技术,地热能源桩以其经济、稳定、有效和环境友好等特点,应用范围越来越广。基于已开展的地热能源桩的现场原位试验和离心模型试验,分析温度变化前后地热能源桩的承载力、桩身附加应力和附加桩侧摩阻力的变化规律,同时进行了室内模型试验。结果表明,设于砂中的模型桩在温度升高时,会造成桩侧摩阻力的降低,这与已有的一些研究结果不同。最后对地热能源桩-土相互作用机理进行了分析。在温度升高时,桩的承载力有较大提高,上半部分桩的桩侧摩阻力降低,而下半部分桩的桩侧摩阻力增加,桩身截面应力会增大;温度降低时,上半部分桩的桩侧摩阻力增大,而下半部分桩的桩侧摩阻力减小,极端情况下桩端附近会出现拉应力,研究结果可为地热能源桩基的设计提供参考。     

冷水循环作用对半埋管能源桩承载特性影响试验研究

能源桩系统是一种新型节能环保的桩基础形式,主要是将地源热泵系统和桩基础结合而形成。针对半埋管能源桩开展了冷水温度循环作用下能源桩的承载特性变化规律研究,发现桩周土体温度、桩身温度、桩身轴力、桩侧摩阻力等随温度减小的变化规律。桩身温度变化最大影响范围为100 cm,随着深度的增加逐渐减小。冷水循环后桩身温度减小的幅度从上至下呈先减小后增大的趋势,说明在地基深处桩土热传递效果更加明显。研究表明,冷水作用下半埋入能源桩存在桩两端向中间收缩的情况,且收缩中心点位于埋管位置的下半部分。     

膨胀土地基中大比例模型桩浸水试验研究

通过对埋设在膨胀土地基中的一试桩的长时间浸水试验观测，模拟了自然降雨气候条件下单桩位移、沿桩身轴力、侧摩阻力分布、地基胀缩及其时间变化等基桩一系列工作性状和桩-土共同作用规律。试验结果显示：桩顶位移呈现出先下沉后回升并最后趋于稳定的3阶段特征；桩身全长受拉，轴力沿桩身分布呈“波峰”形态。基桩的最大轴力位于桩的中下部，轴力峰值历经由小到大的过程；中性点在浸水过程中，其位置有从桩下部上移的现象；桩侧摩阻力与桩端阻力荷载分担比随时间呈现出先减小后增大并渐趋稳定的3阶段特征。研究结果对膨胀土地基中的桩基设计和施工提供了理论依据。     

悬浮能量桩热-力学基本特性的数值模拟

采用多场耦合有限元数值分析方法,研究砂土地基中悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,桩的升温引起附加轴向压应力、上部桩身负摩阻力和桩头隆起。桩的降温引起附加轴向拉应力、上部桩身正摩阻力和桩头沉降。对于给定的温度荷载,能量桩的热-力学响应主要取决于桩头力学荷载的数值,温度荷载引起的桩身附加轴向应力随力学荷载数值的增加而增大,力学荷载超过某一临界值之后保持不变。地基土的温度变化在径向很快衰减,影响范围约为20倍的桩径。能量桩的热-力学特性受桩头约束条件的影响很大。桩头约束越强,温度荷载引起桩身轴向应力数值越大。     

夏季制冷循环下PCC能量桩负摩阻力特性研究

基于传统PCC(Large Diameter Pipe Pile by Cast-in-place Concrete)桩研发的新型PCC能量桩技术,具有埋管方便、热传导效率高等技术优点。目前针对循环温度下该新型能量桩负摩阻力特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度影响下PCC能量桩的静载荷试验,测得循环温度作用下PCC能量桩的荷载一位移关系,以及桩、土温度等变化规律曲线;进而,通过针对桩侧摩阻力的计算与分析,对实际运行过程中PCC能量桩的承载特性与负摩阻力进行了初步讨论。结果表明,风干砂土中PCC能量桩的竖向承载力随着桩体温度的升高而略有增加;PCC能量桩桩侧摩阻力变化规律与常规能量桩规律一致;制冷循环结束后,能量桩顶部出现负摩阻力区,工程设计人员需要格外关注。     

循环温度作用下砂土地基能量桩的长期工作特性

为了完善能量桩的设计,采用可反映土体循环力学特性的边界面模型,基于分步耦合方法,对热力耦合作用下干砂地基中能量桩单桩的长期工作特性进行了研究,分析了温度循环对桩体位移、桩侧阻力和承载力安全储备的影响。结果表明,温度循环导致桩顶出现沉降的累积,累积沉降随静力工作荷载水平和温度循环周数的增加而增加。温度位移零点位置决定了桩-土相对位移的模式,影响了桩侧阻力的分布及发挥过程。由于土体的剪缩,桩身上部出现负摩擦,下部则存在明显的侧阻力弱化现象,其是承载力减小的主要原因。     

循环温度荷载下管式能量桩荷载传递机理研究

基于模型试验方法,开展加热(制冷)工作模式下,实心和管式能量桩的热响应测试研究;分析多次加热/制冷循环作用下两种能量桩的热力耦合特性,实测桩顶位移、桩身应变、以及桩侧摩阻力等变化规律,并对实际运行过程中实心和管式能量桩的承载特性进行初步讨论。研究结果表明,相同直径的管式能量桩换热效率高于实心能量桩,管式能量桩对加热循环的热响应要高于实心能量桩;多次循环后,能量桩桩顶产生塑性沉降、桩身产生微小的塑性应变,桩侧摩阻力值增加。     

非均质地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨非均质地基中V-T联合受荷桩的承载特性,考虑地面处桩周土体剪切模量为非零值且随深度呈幂函数分布,计入桩-土接触面处位移非协调性及加载顺序的影响,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立桩身位移控制方程,并引入相应力和位移边界条件,导出桩周土体在不同受力状态下桩身的内力位移解析解,进而推导出不同加载顺序下V-T联合受荷桩的承载力,从而得到其承载力包络图。V-T联合受荷桩参数分析结果表明:桩身承载力随长径比L/D增大而增大,而随桩侧土体剪切模量与极限摩阻力分布常数比n、桩土弹性模量比λ增大而减小;桩顶所受扭矩T不断增大时,其能承受的竖向力V随之变小并最终趋于零,且T→V承载力包络线始终处于V→T承载力包络线内侧。     

冷-热循环下能量桩热-力学特性的数值模拟

能量桩与地基土的热交换取决于建筑物的年能源需求,故能量桩每年受到冷-热循环作用。采用多场耦合有限元数值模拟方法,研究在力学荷载和随时间按正弦函数变化的温度荷载共同作用下悬浮能量桩的热-力学特性。结果表明,随着能量桩冷-热周期性的循环,温度荷载引起的桩身附加轴向应力、桩头附加竖向位移和桩侧附加剪应力也随时间周期性变化,且相位与温度荷载曲线的相位相同。桩升温最大时桩身轴向压应力达到最大值,桩降温最大时桩头沉降达到最大值。地基土的温度改变量随时间周期性地变化,其幅值在桩的中部深度附近最大,在桩二端深度附近较小。地基土温度的变化滞后于温度荷载。离桩越远,地基土的温度达到其最大值的时间越滞后。     

喷灌挤压组合桩工作机理现场试验研究∗

通过5棵喷灌挤压组合桩破坏性静载试验,获得该桩工作机理,明确荷载传递机制、桩身轴力、侧摩阻力分布规律。不同荷载作用下,轴力沿桩身逐渐减小,在翼板顶轴力小幅度增大;桩身侧摩阻力随着外载的增加而逐渐增大,上部土体侧阻力先于下部土体发挥作用;揭示喷射注浆效应范围为7～8 m。喷灌挤压综合效应承载力增长显著,主要表现在侧摩阻:存在翼板时,喷射注浆与翼板共同作用,其侧摩阻极限值在砂土层中提高3～4倍,在黏土层中提高2～2.5倍。无翼板存在,但存在喷射注浆效应时,其侧摩阻力极限值提高了2～2.5倍。与普通长螺旋灌注桩相比其极限承载力提高25%～100%。     

不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切特性研究∗

采用 GDS 界面剪切仪,开展不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切试验,研究了沉贯过程中基础沉贯速率对吸力基础-黏土界面剪切特性的影响,分析了不同剪切速率、不同沉贯深度下的界面剪切特性。试验结果表明,吸力基础-黏土界面的抗剪强度随着法向应力的增加而增大,但随着剪切速率的增加而减小;界面峰值强度对应的剪切位移均在 1 mm 以内,且随着法向应力的增加而增大;界面凝聚力与剪切速率呈正相关,界面摩擦角则相反。在沉贯速率 1.0~1.2 cm/min 范围内,界面凝聚力增加幅度最大。摩擦系数在 0.27~0.34 变化,且随着沉贯速率的减小而增大,随沉贯深度的增加呈现减小趋势。     

考虑径向温度效应的能源桩荷载传递分析方法研究

针对能源桩受温度作用影响时的承载特性难以量化,提出考虑径向温度效应的荷载传递法对能源桩热-力耦合作用下的受力特性进行研究,评估温度变化对能源桩的影响,研究桩身轴力、桩侧摩阻力的分布状态,并以昆山能源桩的现场测试为依托,验证了本文方法的可行性。计算结果表明,温度作用对能源桩桩身应力应变状态有显著影响,当桩体受极限荷载与温度作用时,侧阻力发挥的作用几乎不大,在降温作用下能源桩桩顶会产生残余变形,因此在能源桩设计时应以降温作用时的沉降值为标准进行折减,考虑能源桩的设计承载力。     

不同含水率状态下黏性土-混凝土界面剪切特性室内试验研究

利用青岛理工大学自行研制的恒刚度直剪仪,完成了18%、20%、25%、28%共4组不同含水率黏性土与混凝土大型直剪试验,重点对不同含水率和法向应力下剪应力—剪切位移关系曲线进行分析,探讨了含水率的变化对黏性土与混凝土界面力学特性的影响规律。试验结果表明:黏性土与混凝土界面的剪应力—剪切位移关系曲线受到含水率变化的影响。当含水率较高时,界面剪应力达到峰值后剪切变形表现为典型的弹塑性变形;当含水率较低时,界面剪应力—剪切位移关系曲线呈现出折线型关系。界面抗剪强度随含水率的增大而减小,但抗剪强度与法向应力始终保持线性关系,黏聚力受临界含水率25%左右的影响,小于临界含水率时,黏聚力随含水率的增大而增大,大于临界含水率后,黏聚力随含水率的增大而减小;摩擦系数受含水率的影响较小,变化幅度仅为5.5%。     

包裹碎石群桩动应力响应振动台模型试验研究∗

开展了包裹碎石群桩复合地基振动台模型试验,分析了包裹碎石桩轴向动应力及桩土之间水平剪切应力的响应特性。结果表明：地震波作用下,包裹碎石桩轴向动应力沿桩身向下迅速衰减。在地震作用过程中,包裹碎石桩上部承受的水平应力较大。某一地震作用下,取包裹碎石桩桩顶水平应力时程曲线的最大值,发现该值随输入地震加速度波峰值(0.1g~0.4g)的增大先增大,之后随输入加速度波峰值(0.6g、0.9g)的增大而减小,这表明桩顶的剪切强度降低了。     

现浇X型混凝土桩的荷载传递机理初探

现浇X型混凝土桩技术是河海大学开发研制的用于地基加固处理的一项新技术。在模型试验的基础上,通过有限元方法研究了现浇X型混凝土桩的荷载传递机理,并与模型槽试验结果进行了对比,分析中考虑了桩和土之间的接触和土的非线性。通过数值分析,揭示了X型桩的截面形式对侧摩阻力分布、端阻力发挥的影响。计算结果表明,由于桩的泊松比效应,X型桩截面周边不同位置的侧阻力大小有所不同;X型桩中出现了类似于H型桩的"半封闭土塞",与圆截面桩相比,桩端附近的侧摩阻力有较明显的增加;X型桩的桩端承载力系数要小于圆截面桩的情况,体现了X型桩截面形状的影响。     

土体侧移作用下桩基侧向土压力的群桩效应∗

当前工程建设中受土体侧移作用影响的桩基问题越来越突出,桩侧土压力是桩?土相互作用研究中的重要问题,并且受群桩效应影响很大,运用岩土数值计算程序 FLAC3D ,针对粘土饱和不排水情况进行了平面应变数值模拟研究,土体采用摩尔?库伦理想弹塑性本构关系,桩基采用线弹性本构关系,桩?土之间建立接触面。研究结果表明,桩周粘结力对桩侧极限土压力有明显影响,达到桩侧极限土压力所需要的桩土相对位移随 E/Cu 的增大而减小。单排桩时,随着桩间距增大桩土荷载分担比降低,桩侧极限土压力值增大,达到极限土压力时所需要的桩土相对位移增大。双排桩时,当桩间距大约为 2D 时加筋和遮拦效应影响范围比较小,然后随桩间距增大加筋和遮拦效应影响范围增大,而排间距的增大会使遮拦和加筋作用降低,当排间距大于 6D 后遮拦和加筋效应基本消失,桩间距和排间距的增大都使达到桩侧极限土压力所需要的桩土相对位移量增大,并将计算结果与先前学者试验结果进行了对比与分析,具有较好的一致性并有所发展。     

冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性∗

建立了热-渗流-力(T-H-M)三场耦合能量桩有限元数值分析模型,研究了力学荷载组合不同热聚集度(桩的放热量与吸热量之比)温度荷载下黏土地基中能量桩的长期热-力学特性,包括桩身温度、桩头沉降、桩身轴向应力、 地基土温度和超孔隙水压力特性等。计算结果表明：冷-热平衡时桩头沉降随温度荷载循环的增加逐渐增大,桩头发生沉降累积,桩身轴向应力和地基土温度变化的幅值不随温度荷载循环而变化。当桩的放热量大于吸热量时, 桩身温度随温度荷载循环的增加而升高,桩头沉降随之减小,但热荷载循环对桩身轴向应力没有影响。桩周土温度随热循环的增加而逐渐增大,产生热聚集现象。温度荷载的热聚集度数值越大,桩身和桩周土的温度越高,桩身最小压应力越大,桩头沉降越小。温度荷载引起的超静孔隙水压力数值很小。     

太湖隧道试桩测试中分布式光纤监测技术应用研究

研究了分布式光纤传感技术在钻孔灌注桩静荷载试验中的应用,介绍了光纤测试的整个试验过程,并根据试验数据分析计算出桩身轴力与桩侧摩阻力随深度分布,桩端阻力、桩侧摩阻力随桩顶荷载增加的变化规律,并和传统方法焊接钢筋计监测结果进行相互对比论证分析,使得桩基测试结果更加准确可靠。     

能源桩-土体接触力学特征试验装置的研发与应用

研发了能源桩-土界面特性测试仪,在测试仪中安装可控温钢筋混凝土模型桩,在桩周围填充各类土体,模拟不同地基中的能源桩。通过对土体施加一定的恒定竖向荷载模拟不同深度的土层。模型桩中安装有换热管,利用低温恒温水浴,通过循环液控制桩体的温度,模拟能源桩吸热、放热过程。利用铂电阻温度传感器测量桩和土体的温度;利用安装在桩体表面上的微型土压力计测量桩-土界面的法向应力;利用FBG准分布式光纤传感技术测量桩体的周向变形。以砂土地基为例,通过冷热循环试验,准确得到了桩温、土温、桩-土界面的法向应力和桩的周向变形,说明EPSICA可以用于揭示桩-土界面的接触力学特征,为能源桩的热、力学行为研究提供了新的手段。     

温度荷载作用下灌注型能量桩热力响应原位试验研究

能量桩是一种利用浅层地热的建筑节能技术,具有比传统地源热泵系统更高的换热效率以及节约占地等优点。对能量桩试验基地的1#、2#足尺灌注型能量桩进行加热试验,测试桩身温度、应变、附加应力和侧摩阻力等分布规律,分析夏季工况仅温度荷载作用下(温升10 ℃)能量桩的热力响应。试验结果表明:沿桩壁对称布设多组U型换热管的灌注桩,其桩身温度分布较均匀,桩身应变呈现为两端大中间小,最大附加应力位于桩中部;随着温度荷载的增加,桩体桩侧摩阻力表现为上负下正,桩中部正负交界处的侧摩阻力增长要明显快于桩两端,温升达到7.5℃之后,其增长趋势减弱;本试验条件下,通过对桩体附加应力变化规律的拟合得出其值可能超过1.66 MPa,在设计时必须考虑温度荷载对桩承载力的影响。