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。     

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。     

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。     

非均匀温度场中的单桩内力响应模型试验研究

浅层地温能开发利用在建筑地基中形成非均匀温度场,使桩基两侧的温度存在差异,并处于动态变化过程中,温差可能造成桩身产生弯曲变形。采用室内模型试验,构建非均匀温度场,研究在温度平衡过程中,土体温度场、桩身温度以及桩两侧应变的变化,分析非均匀温度场对桩身内力的影响。根据桩两侧的FBG应变分布可知,非均匀温度场会使桩身产生弯曲变形,沿深度桩身弯矩的分布与桩两侧的温差有关。因此,在应用地下能源结构或地源热泵开发利用浅层地温能时,应考虑非均匀温度场对结构内力的影响,开展相关研究对于揭示桩体内力的变化具有重要意义。     

饱和砂土地基相变桩的热力学特性试验研究

能源桩是一种新型的能源地下结构,相变材料能够改变自身状态来提供潜热。制作相变混凝土能源桩来实施室内大尺寸模型试验,将直径为0.2 m,长度为1.5 m的相变能源桩放入长宽高分别为2.45 m×2.45 m×2 m的模型箱中,模型箱中为饱和砂土地基。随后对能源桩施加三次循环温度荷载,测量桩体内部以及桩周土体温度的分布,并对相变能源桩的力学特性进行监测和分析,研究了循环温度荷载下相变能源桩的应力应变以及桩顶位移。研究结果表明:① 能源桩在循环温度荷载作用下产生的温度变化会给桩周土体带来一定的温度累积;② 沿桩身深度方向及桩体内部同一平面内都存在着不均匀的应力应变分布;③ 桩顶位移随温度循环过程变化,温度循环结束后会产生不可恢复的塑性位移。     

饱和土中考虑竖向荷载的端承桩水平振动响应解析解

考虑土体应力-应变的梯度变化及桩土耦合振动,对竖向荷载作用下饱和土中端承桩水平振动问题进行了理论研究。采用Euler模型模拟桩基,建立了竖向荷载作用下桩基水平振动控制方程;通过势函数解耦土体Biot动力固结方程,并利用Laplace变换和分离变量法得到土体应力和位移解析表达式;结合桩土连续性条件得到桩基位移、内力和桩顶水平动力复阻抗解析解。将退化解与已有文献进行对比,验证了解的合理性。通过算例分析,讨论了竖向荷载和长径比对桩基位移和内力的影响,研究结果表明:竖向荷载和长径比均会使桩身位移和内力发生重分布;在进行桩基水平向承载力设计时,有必要考虑竖向荷载的影响。     

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‑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。     

桩基础荷载对近接隧道影响的数值分析

为研究某拟建桥梁的桩基对近接沪昆高铁山岚桥隧道可能产生的影响,利用MIDAS/GTS有限元软件建立三维实体模型,分别以桩隧水平净距,桩长和桩基布置位置为基本变化参数进行模拟分析,结果表明:隧道拱腰两侧布置桩基时,隧道中段拱顶竖向位移、拱腰水平位移与桩长及桩隧间距成反比;桩基平面处隧道拱底、拱腰竖向位移随桩长的增大而先增大后减小,在桩长与拱腰深度相等时,拱腰竖向位移达到最大,在桩长与拱底深度相等时,拱底竖向位移达到最大;在隧道横截面的单侧布桩时会出现与双侧布桩时不同的非协调变形,近桩侧隧道的竖向位移要明显大于远桩侧的;以桩隧净距(S)为一倍桩径(1d)为基准,桩基荷载对隧道的影响分区可划分为S4d的强影响区,4dS12d的一般影响区和S12d的弱影响区。研究结果对于相似工况隧道工程的安全稳定有借鉴意义。     

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。     

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。     

黄土地基湿陷时桩的负摩阻力最大值出现深度研究

负摩阻力及中性点的定义表明,负摩阻力沿桩身(从桩顶两侧到中性点位置)的变化并不均匀,其间应存在一个最大值,最近的黄土地基浸水湿陷试验证明了这一点。本文利用该试验的资料,从理论上对桩的负摩阻力最大值出现深度进行分析研究,结果表明负摩阻力随深度的变化受到某一深度(如负摩阻力最大值处)以上土体有效重量和该深度桩周土体的有效沉降量这两个主要因素的制约,并由此推导出不同沉降性能土体湿陷时桩的负摩阻力最大值出现的深度。通过与实测资料的对比可见,本文提出的确定桩的负摩阻力最大值出现深度的理论是可信的,由此得到的计算黄土地基湿陷时桩身总的负摩阻力的方法更具合理性。     

地铁竖井深基坑与龙门吊轨道基础共同作用分析∗

为合理设计地铁区间隧道竖井基坑支护方案和龙门吊基础，以厦门市轨道3号线某区间隧道竖井工程为研究背景，采用PLAXIS 3D岩土有限元数值分析软件建立竖井基坑、龙门吊轨道基础结构及邻近渣坑堆土相互作用的三维数值模型，模拟计算12种龙门吊荷载不同作用位置及偏压作用工况，结果表明：龙门吊行车作用下的地表最大沉降为4 mm，基坑围护墙结构最大变形值为16 mm，约为基坑开挖深度的0.64‰；基坑开挖变形引起的龙门吊轨道基础结构内力变化最大值为270 kN?m，变化幅度约为16.4%；周边堆土对竖井基坑变形及轨道梁内力变化量不超过13%，主要需满足未堆土工况下的侧壁自身稳定性；最后通过对基坑的监测数据分析，表明数值模型可靠，基坑总体上安全稳定，龙门吊基础设计合理，且有足够的安全度。     

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。     

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。     

压缩空气下FRPC能源桩承载特性分析

可再生能源储存系统是利用钢筋混凝土桩基础来储存由太阳能板产生的可再生能源,可再生能源以压缩空气的形式储存在空心截面的桩基内,桩基础作为上部结构的承载结构,不仅要承受上部结构荷载,还要承受土体的反作用力和压缩空气的压力。然而,混凝土在拉应力作用下易产生裂缝,导致钢筋混凝土桩储存能源的使用性能和耐久性受限。为了克服传统钢筋混凝土能量桩的这些缺陷,针对各种FRP(Fiber Reinforced Polymer)-混凝土复合桩基础储能和承载的双功能进行研究。综合考虑结构荷载、土体的反作用和压缩空气热动力循环引起的内部空气压力的共同作用,对多种形式的复合能量桩基础体系的适用性进行了综合有限元分析。研究表明,内侧和外侧的FRP管可以有效提高使用性能和耐久性,相对于钢筋混凝土桩,FRPC管桩的使用可靠性和耐久性性能更高。     

软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基工作状态分析

软土场地碎石桩因具备桩体侧向变形大、超孔隙水压力消散慢的问题,导致出现基础沉降大、土体固结排水速度慢等工程病害。路堤下采用加筋碎石桩复合地基是处理软土场地的主流方法。本文采用二维有限元方法,建立考虑路堤填筑过程的软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基数值模型,探讨了加筋碎石桩复合地基承载力的影响因素。基于达西定律和比奥固结理论,分析高地下水位场地条件下加筋体刚度和桩数对加筋碎石桩复合地基工作状态的影响规律。研究表明:增大褥垫层厚度和减小褥垫层模量均能够提高桩土应力比,改善桩顶应力集中的问题。与传统碎石桩相比,高地下水位条件下加筋碎石桩复合地基中超孔隙水压力消散速率快,桩数增加可以有效提高复合地基排水速率。     

地基土特性变化对桩基抗震反应的影响

地震荷载作用下的桩基动力反应在工程设计中越来越受到重视。基于桩-土-结构整体动力有限元法,结合工程实例,建立有限元分析模型,设置粘弹性人工边界,研究水平地震荷载作用下地基土层特性变化对桩基抗震反应的影响。着重探讨了上软下硬和上硬下软两种土层分布情况下,软硬土层相对厚度及弹模比变化对桩基抗震反应的影响。结果显示:桩基和筏基交接处桩顶截面和软硬土层分界处的桩身截面均可能是内力最大截面,桩顶截面和软硬土分界处桩身截面都应是设计需考虑的控制性截面,地基土层特性变化对于桩基弯矩的影响较剪力的影响显著。