冬季工况下微型钢管桩热力响应特性数值分析

结合微型钢管桩热力响应特性现场试验,基于数值模拟方法,研究了冬季工况下流速、布桩形式等因素对微型钢管能量桩热力响应特性的影响规律。研究结果表明:换热效率增幅随流速的增加成非线性增长且最终趋于稳定,就本项目微型钢管桩而言,最佳流速为0.51~0.77 m/s;桩身轴向最大附加拉应力约为桩身混凝土抗拉强度设计值的53.8%,不会导致桩体破坏;桩身轴向最大附加拉应力与温度改变之间的关系约为σ-T=110ΔT。     

基于热力荷载传递原理的能量桩长期响应研究

为研究能量桩的长期工作特性,通过引入Masing准则来建立桩-土荷载传递循环加卸载曲线,进而基于热力荷载传递原理来模拟循环温变荷载作用下能量桩的响应,然后基于现场原位试验,验证模型的可行性,最后研究不同冷热循环方式和桩顶荷载水平对能量桩长期响应的影响。研究结果表明:①循环温变荷载作用会使能量桩桩顶沉降和桩顶轴力不断增大,并最终趋于稳定;②相较于只提供制冷需求的能量桩循环方式,同时提供制冷制热需求的能量桩更容易引起桩顶残余沉降和残余温度应力的持续积累;③相较于桩顶轴力增量,建筑荷载的增大更容易引起桩顶残余沉降的积累。     

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。     

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。     

桩端约束对桩身热力学特性影响的模拟分析

能量桩是一种在传递上部建筑荷载的同时承担地热能源传热器作用的新技术。实际运行过程中,桩身温度发生变化导致桩体膨胀或收缩;桩周及桩端土体对桩身的自由膨胀约束作用,使桩体内会产生附加应力。基于模型试验和数值模拟方法,开展冷-热温度循环荷载作用下桩基在不同桩端约束条件下的桩身应力和位移特性研究。结果表明,温度荷载作用下桩体最大应力出现在桩身中部;加热阶段桩端约束对桩身应力分布影响比制冷时大;桩身位移变化规律受温度与桩端约束的共同影响,温度变化量增加,桩身上部位移变化量变大,下部位移受影响较小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不封底PCC能量桩与传统能量桩换热效率对比研究

PCC能量桩是一种基于PCC桩的新型能量桩技术,目前针对PCC能量桩在制冷和供热过程中的换热效率及热传导特性的研究仍相对较少。基于模型试验方法,开展循环温度作用下不封底PCC能量桩、传统能量桩的温度响应测试,实测获得桩身、桩周土热响应变化规律;继而,结合数值模拟方法,对比分析进/出水温度等因素对不封底PCC能量桩换热效率的影响规律。研究结果表明,本文试验条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的热响应略大于传统能量桩,而冬季供热模式下差异不大;相同条件下,夏季制冷模式下不封底PCC能量桩的换热效率较传统能量桩高出24%,而冬季供热模式下仅高7%。     

考虑桩身热容的能量桩传热性能分析

与传统垂直钻孔地埋热交换器相比,能量桩桩径较大,需考虑桩身热容对能量桩传热的影响。利用无限长线热源模型与无限长桩热源模型的解析解对不同桩身热容的能量桩在饱和黏土中的传热过程进行对比计算,分析桩身热容对能量桩传热性能的影响。当桩身为混凝土时,不同粗集料引起的热容差异对能量桩传热初期造成影响,桩径是影响能量桩传热的主要因素之一,而混凝土桩与钢桩的热容差异对能量桩传热的影响较大。分析表明,整个传热过程分为两个阶段,初期热源向桩内外传递的比例取决于桩身和桩周物质热扩散系数的相对值,桩身的热扩散系数相对越大,向桩内传递热量越快,桩外过余温度越低;当桩内温度达到均衡时,向桩内传递的热量取决于桩面处土体的温度以及桩身的热容。对于第一阶段,桩热源模型比线热源模型更能精细地描述能量桩的传热性能;对于第二阶段,两种模型的计算结果差别很小。     

桩土刚度比及布桩位置对桩身内力分布的影响研究

桩土刚度比及布桩位置直接影响抗滑桩的桩身内力分布及边坡加固效果。采用数值模拟的方法,考虑不同桩土刚度比和布桩位置,分别进行了计算分析。结果表明:(1)桩身剪力近似呈反"S"型分布,弯矩呈现向桩后的凸型分布,且桩身剪力和弯矩均随桩土刚度比的增加而增大,呈现先陡后缓的变化趋势;(2)桩位一定时,桩身正负最大剪力分别出现在桩身1/2和1/4高度位置,对应位置应加强抗剪箍筋的配置;桩身弯矩最大的位置出现在桩身1/3高度位置,即边坡滑带所在的位置,对应位置应加强抗弯钢筋的配置;(3)布桩于边坡中部及两侧时,加固后边坡的安全系数提高明显,桩身剪力和弯矩较大,而且对塑性区有明显的隔断作用。考虑到一般边坡中部的滑体厚度较深,在坡体中部位置布桩无论在技术上还是经济上都不太合适,因此,建议布桩于边坡中部两侧的位置,可取得较好的加固效果。     

桩体材料弹性模量对桩基负摩阻力特性的影响

分析了桩体材料弹性模量对于桩基负摩阻力特性的影响,指出不同的桩体材料弹性模量会使得桩身压缩值不同,对于复合地基中常用的低弹性模量桩应当考虑桩身压缩对于桩基性状的影响。有限元分析结果表明,影响桩基负摩阻力特性的桩体材料弹性模量存在一个临界值。当桩体材料模量大于此值时,可以忽略桩身材料模量的影响;桩体材料模量小于此值时,桩身压缩变形增大,桩顶位移和桩端位移会有很明显的差异,会造成中性点位置上移,桩身中最大附加应力降低。这对复合地基中桩体负摩阻力特性的研究是有益的。     

不同承台形式斜直交替群桩⁃土⁃结构地震相互作用特性分析∗

为研究不同承台形式斜直交替群桩?土?结构在地震互相作用, 利用FLAC^3D有限差分软件作为研究工具，采用El Centro地震波作为动荷载。分别建立了斜直交替群桩?土?结构的低承台、高承台数值模型。并对地震作用下可液化土体的孔压比变化、桩基的受力与位移、桥墩顶部的位移进行分析研究。研究结果表明：在地震作用下,土层中孔隙水压力分布是自上而下逐渐增大。振动加速度峰值时部分土体由于发生剪胀孔压出现瞬时负值。砂土层中桩基中部区域容易产生液化现象。同一模型中，直桩的最大弯矩小于斜桩的最大弯矩。在低承台模型中，直桩和斜桩的最大水平位移均发生在桩基顶端，直桩的竖向位移沿埋深是一恒值，而斜桩的竖向位移沿埋深是变化的。在高承台模型中，斜桩的水平位移沿埋深不再是单调变化，最大值发生在砂土层中。高承台模型中斜桩和直桩的竖向位移和水平位移均明显大于低承台模型桩体。两个模型的桥墩顶部最大水平位移出现的时刻基本相同。     

浆固碎石桩成桩注浆渗透影响分析

浆固碎石桩作为一种新型软土地基处理技术,其主要通过注浆改善桩体的加固效果,同时通过浆体渗透来改善桩周土体的物理力学性质,从而减小浆固碎石桩复合地基沉降。针对浆体对桩周土体的渗透作用,按照平面轴对称问题,推导出注浆渗透影响范围的计算方法和浆固区压缩模量计算公式,并通过室内模型试验研究,验证了浆固区压缩模量计算公式的正确性。随后,利用数值计算分析,对浆固区影响范围进行量化分析,并通过数值拟合得到了考虑注浆渗透影响的桩体等效半径计算公式。所得结果对工程设计具有重要的指导意义。     

支桩沉降的非线性组合算法∗

提出一种适用于支桩沉降分析的非线性组合算法。基于荷载传递法,对桩侧摩阻力计算采用三折线模型,对桩端阻力采用双曲线模型,提出符合支部结构力学构造的支端阻力与位移的非线性表达。为验证支桩沉降的组合计算方式,建立了模型试验,试验数据与计算数据较为吻合,具有较好的适用性及操作性。     

相变能量桩段模型传热模拟

针对能量桩体材料普通混凝土储热性能差问题,将相变材料引入普通混凝土中构建相变能量桩。利用简化能量桩段有限元数值模型模拟了普通能量桩与相变能量桩的传热过程,对比分析了两者的传热差异;并通过添加不同质量分数相变材料,研究了添加量对能量桩桩体、桩周土传热的影响。研究结果表明:在换热管吸放热工况下,相变材料的添加可在相变温度区间内明显延缓桩体升降温速度;相变材料的添加量越多,升降温延缓作用越明显;能量桩中添加相变材料只对桩体的传热影响显著,对桩周土的温度场影响较小。     

浆固碎石桩单桩轴向荷载传递分析

浆固碎石桩是一种新型的桩基技术,已成功应用于铁路、高速公路等工程中。但由于浆固区的存在,浆固碎石桩荷载传递机理的复杂性制约了其发展和工程应用。荷载传递分析法是桩荷载传递机理分析的重要方法之一。本文采用线性弹塑性和双折线传递函数,分别模拟桩侧土体的非线性和桩端土的硬化特性,同时考虑浆固区存在对桩荷载传递的影响,推导出一种浆固碎石桩单桩荷载传递分析方法。最后,通过对工程实例进行计算,验证了本文计算方法的实用性。结果表明,浆固碎石桩除具有一般刚性桩的桩体置换作用外,浆固区的存在对提高浆固碎石桩承载力、减小沉降量也有着重要作用。     

受侧向土体位移斜桩的特性

通过三维有限单元法分析了斜桩受侧向土体位移的特性。变动柱和土体参数进行敏感性分析,得出桩的柔度、侧向土体位移的大小、桩顶约束条件、土体位移形状和土体移动层厚度等对斜桩的影响。刚性桩的挠度小于柔性桩,但弯矩和剪力大于柔性桩。斜桩非线性弹簧的土抗力—位移关系(p-y曲线)表现为双曲线特征,可基于直桩的Winkler地基反力法对斜桩进行简化计算分析,但应对直桩的极限土抗力值进行修正,以期更好的反映斜桩的特性。     

桩基础影响下既有地铁隧道截面内力计算研究∗

城市已建地铁隧道的保护是目前市政建设中需要考虑的重要问题之一,针对非挤土桩和挤土桩两种桩型新建桩基础影响下既有地铁隧道的截面内力计算展开研究。采用"二阶段"法研究思想,首先基于桩基础荷载传递法、Mindlin位移解及柱孔扩张理论,分别计算得到非挤土桩和挤土桩在隧道截面位置处产生的土体位移。之后,将隧道衬砌简化为环形弹性地基梁模型,同时考虑土体抗力的影响,并将土体位移施加到环形地基梁模型,从而得到2种桩型引起的隧道衬砌截面的内力分布。研究过程中将理论结果与既有土工离心机试验进行了对比分析。研究结果表明:①计算方法得到的衬砌内力与既有文献土工离心式试验值差别不大且趋势一致,验证了计算方法的合理性;②挤土桩施工引起的隧道弯矩最大值增量远大于非挤土桩在极限荷载时的增量;③隧道截面弯矩最大值位置与桩端-隧道圆心相对位置有直接关系,大约位于桩端-隧道圆心连线相交处。