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。     

桩顶约束下桥梁大直径能量桩热力响应现场试验北大核心CSCD

能量桩是一种绿色新技术,符合工程建设节能减排与绿色发展理念。为了研究大直径能量桩的热力学特性及结构响应,依托河南省三门峡灵宝市国道310底董桥台2×2群桩基础,在大直径灌注桩内埋设换热管形成能量桩。开展了无荷载夏季工况能量桩热响应现场试验,实测能量桩运行期间出、入水口温度、应力、回温后残余温度、温度变化量-热致应力/轴力关系、桩顶位移等变化规律。试验结果表明:三组不同流速试验下,流速增大,桩身温度、应力有小幅增大;停止试验后回温5 d后残余温度仍有16%~28%,7 d后回温残余温度约11%~17%;桩身最大应力约为3.5 MPa;能量桩桩顶累积变形-0.98 mm(约仅为桩径的0.81‰);桩顶在单桩无荷载、无荷载承台群桩约束、单桩逐级加载、恒载承台群桩约束的不同条件下,K值分别为28.6%、37.8%、43.2%和71.4%;试验流速为0.6、0.8 m/s,每平米桩-土接触面积换热量q分别是0.4 m/s流速下q的53%和128%。     

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。     

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。     

锥型组合桩竖向承载力模型试验研究北大核心CSCD

阶梯型变截面桩竖向承载力大,但其在变径处应力集中现象明显,限制了该桩型的适用范围,为减轻其在变径处的轴力突变,将水平变截面设置为一定倾角,形成锥型组合桩。为了摸清该新桩型的竖向承载性能,基于室内模型试验对锥型组合桩在竖向荷载作用下的力学响应进行测试,并与传统等截面桩、阶梯型桩进行对比,揭示锥型组合桩的竖向承载机理。模型试验依据相似理论进行设计,在试验中保持三种桩型的体积近似相等,竖向荷载采用分级加载,获取桩顶沉降曲线以及桩身轴力分布。研究结果表明:(1)等截面桩的竖向承载力最小,阶梯型桩的竖向承载力居中,锥型组合桩的竖向承载力最大;(2)等截面桩的轴力随深度增大近似线性减小,阶梯型桩在截面变小处轴力发生突变,产生应力集中,锥型组合桩在上下两个截面变化处轴力未发生显著突变,在下变截面处往下一定位置产生轴力极大值,轴力分布较为均衡;(3)等截面桩侧阻力占比随荷载增大急剧减小,阶梯型桩侧阻力占比随着荷载非线性变化,锥型组合桩侧阻力占比稳定在55%左右;(4)锥型组合桩既可以发挥阶梯型桩承载力大的优点,又可以克服阶梯型桩在变截面处的轴力突变问题,竖向承载力大于阶梯型桩,具有良好的工程应用价值。     

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。     

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。     

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%。     

桩顶荷载对桩基负摩阻力特性的影响

比较了在桩顶荷载作用下的负摩阻力特性与无桩顶荷载时的差异,指出不考虑桩顶荷载的中性点位置最低,下拽力最大。分析结果表明,当有桩顶荷载作用时,中性点的位置明显高于无桩顶荷载时,下拽力也明显小于无桩顶荷载时,而且随着桩顶荷载的增加,中性点上移和下拽力减小的趋势也很明显;桩顶荷载较小时,负摩阻力对于桩基沉降的影响基本上是线性的;在桩顶荷载作用下,长桩比短桩的中性点位置和下拽力的变化都小些,这对桩基负摩阻力特性的研究是有益的。     

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%。     

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。     

哑铃桩模型试验与承载力计算方法研究

对自主研发的哑铃桩进行了系列试验和理论分析。通过与不同截面形式的桩进行承载性能试验对比,分析了存在顶盘、扩头情况下的哑铃桩与传统单桩等桩型在不同外力荷载作用下的承载力差异,及其与桩端受力、荷载沉降等的关系。研究表明,本文模型试验中,周围填土是砂的条件下,哑铃桩桩端阻力分担了绝大部分的桩顶荷载,可把哑铃桩视作端承桩进行设计,其承载力较之其它桩型显著提高,且在达到桩基极限承载力时,其所对应的桩顶沉降较之普通预制桩明显减小。此外,还针对哑铃桩的构造特点提出了哑铃桩承载力计算公式,并通过与试验数据的对比,验证了其合理性。     

CFG桩复合地基加固高速公路软基的现场试验研究

CFG桩复合地基处理高速公路软基的设计参数是否合理,应看其实际发挥的承载能力及承载时变形的性状。通过对CFG桩复合地基桩、土应力和表面沉降的现场观测,研究了路堤荷载下CFG桩复合地基桩顶、桩间土的应力和沉降变化规律,根据实测数据分析了褥垫层厚度、桩间距及桩体强度等设计参数的合理性。结果表明,路堤荷载下,CFG桩、土最终可达到变形协调,桩、土应力比与桩、土沉降差有着密切的关系,疏桩形式时桩间土承担着大部分荷载;同时,CFG桩复合地基作为路堤荷载的地基时,可设计为桩间距较大的疏桩形式,桩体设计强度可以取得低一些,褥垫层厚度也应适当取大。     

不同埋管形式的预制能量管桩热响应试验研究

能量桩是通过在传统桩基础内安装换热管的新型节能减排技术。通过在PHC桩芯内埋设换热管形成预制能量管桩。现场采用单U和双U热响应试验,利用分布式光纤传感技术,对桩身的温度和应变分布进行了监测,得到了试验过程中能量桩的温度和应变变化规律;发现换热初期热量会堆积在能量桩内无法快速传递到桩外,整个过程桩体升温幅度不大,热量传递效率较低;揭示了预制能量管桩的热、力学变化特征,为预制能量管桩的优化设计和换热能力的评价提供了依据。     

冲刷作用下两种不同直径的单桩基础循环加载特性∗

海上风电大直径单桩基础长期承受来自环境效应的循环荷载以及海床的冲刷作用，冲刷条件下的水平受荷单桩的循环加载特性是海上风电桩基础设计关注的内容。开展了砂土中大直径和小直径单桩基础冲刷条件下长期循环加载的模型试验，探讨了冲刷深度和循环加载幅值对两种基础形式长期承载变形特性的影响。试验研究表明：砂土中循环加载提高了循环后的单桩承载力，其中小直径桩循环后的水平承载力提高更为显著。冲刷导致循环后的单桩承载力下降，随着冲刷深度增加该效果越明显。在循环加载初期，小直径桩残余累积变形的增加速度小于大直径桩。循环次数大于1 000次冲刷深度为2倍桩径条件下，小直径桩的累积变形趋于稳定，大直径桩的累积变形仍继续发展。通过在无量纲循环加载幅值参数中引入冲刷深度对承载力的影响，建立了冲刷条件下两种不同直径桩基的水平循环累积位移计算模型，适用于考虑冲刷影响的单桩长期水平循环累积变形预测。     

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。