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。     

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。     

螺旋式热源PCC能量桩桩身变形数值模拟研究

采用多场耦合软件,建立了螺旋式热源PCC能量桩数值分析模型,分析了温度、荷载、热源匝数、桩长、混凝土密度及混凝土弹性模量等因素对能量桩桩身应变分布的影响。研究结果表明:在无热源情况下,PCC能量桩桩身应变随着桩顶荷载的增大而增大,沿着桩身自上而下逐渐减小;热源的存在会导致桩身应变由正变负,说明了温度因素的主导性;桩身应变会随热源温度的升高而减小,在同一热源温度下相同位置处桩身应变均随着桩顶荷载的增加而增加;设定在热源温度50.5 ℃和桩端顶面40 kN荷载条件下,热源匝数数量的减少会导致桩身应变的增大;桩身应变随着桩长的不断减小而减小;混凝土密度的减小使得桩身应变不断减小;混凝土弹性模量减小导致桩身应变的增大。     

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。     

灌注桩检测中BOTDR温度补偿试验研究

运用基于布里渊光时域反射计(简称BOTDR)的温度自补偿方法,采用特殊封装的温度传感光纤,检测了灌注桩在混凝土养护期内由温度变化引起的应变变化量和静载荷试验过程中的温度变化。结果表明:混凝土养护末期由温度引起的应变变化量很小,说明在混凝土养护末期,其水化热已消散;在灌注桩静载荷试验过程中,由温度补偿光纤所测的温度变化引起的应变量值也很小。因此,在灌注桩光纤分布式检测中,由温度引起的光纤应变检测误差可忽略不计。     

基于BOTDR技术的隧道衬砌应变测量温度补偿实例分析

应变数据的温度补偿一直是光纤应变传感技术(如BOTDR)应用于实际工程的主要障碍,虽然目前有了不少理论方法试图解决这个问题,但实际运用起来却效果不佳。本文通过对云南白泥井3号隧道光纤应变监测项目的实例分析,提出了一种新的BOTDR温度补偿方法。应用该方法对白泥井3号隧道进行的温度场分析表明,隧道内空气温度场的温度变化明显要大于隧道结构温度场,而在总体的温度变化趋势上,它们都同当地的气候条件保持一致。     

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。     

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。     

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。     

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。     

BOTDR光纤温度监测技术在土木工程中的应用研究

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一种新型的分布式光纤传感技术。布里渊光频移量不仅与光纤的应变状态相关,还与光纤的温度存在相应的线性关系,因此BOTDR可以用作分布式的温度监测。本文对基于BOTDR的分布式温度监测技术及其在土木工程中的应用展开了实验研究,研究选用的是美国康宁公司900μm单模紧套光纤,实验标定布里渊光频移量对温度的敏感度为1.43 MHz/℃。通过室内外实验以及在实际隧道工程中的应用,验证了BOTDR的温度测量精度达2℃,因此将该技术应用于分布式温度监测是可行的,长期稳定性良好。     

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。     

弹卡式连接预应力混凝土方桩接头抗拉性能研究

为了解决预制混凝土桩现场拼接工作量大、接头易腐蚀等问题,创新研发了弹卡式连接预应力混凝土方桩接头。通过单个弹卡连接件的拉伸试验以及3种常用桩型方桩接头试件的足尺度抗拉性能试验,研究该方桩接头的抗拉承载力、变形延性以及破坏特征。结果表明:单个弹卡连接件的极限抗拉承载力大于150 kN,涂满环氧树脂后其极限抗拉承载力、变形延性和整体性均有所提高;弹卡式连接预应力混凝土方桩接头试件的极限抗拉承载力试验值均大于其桩身极限抗拉承载力规范公式计算值;方桩接头试件的破坏形式有桩身受拉破坏和弹卡连接接头受拉破坏两种;建立的数值模型可以较好地模拟方桩接头试件从加载到破坏全过程,模拟得到的极限抗拉承载力与试验结果相接近。     

基于离散元法的能源管传热过程模拟

采用自主研发的离散元软件MatDEM,依据能源管桩的现场热响应试验,提出了能源桩离散元数值模拟的建模方法,对能源管桩的热响应试验过程进行了模拟研究,得到了桩周土体的位移分布,桩芯和桩周土体的温度分布,通过与现场实测数据的对比,验证了利用离散元法研究能源桩换热性能的有效性,该方法在研究能源桩与土体的热-力学行为特征方面具有广阔的应用前景。     

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%。     

薄壁钢-轻质混凝土组合楼板的受火后力学性能及评估模型研究

对5块内置钢骨架的轻集料混凝土组合楼板在火灾后的受力性能进行了试验研究,并基于试验结果给出了火灾后组合楼板综合承载力的评估模型。结果表明,该组合楼板在火灾作用后仍具有较高的剩余承载力和整体刚度,其主要影响参数包括轻骨料混凝土预制板中的配筋数量、受火时的荷载分布方式与荷载值以及火灾升温后所采用的冷却方式。受火时组合楼板试件中钢骨架主、次构件正上方的混凝土表面首先出现裂缝,且火灾后加载时进一步发展。火灾下均匀堆载的组合楼板试件的名义刚度较局部堆载的试件刚度提高18.5%;采用人工喷淋冷却方式较之自然冷却,其火灾后组合楼板试件静载试验的残余位移增大23.9%;所建立的综合指标模型可用于评估火灾后组合楼板试件的综合承载力。     

基坑外设置隔离桩对土体水平位移的隔断效果分析

目前对于隔离桩是否能有效减小基坑外地下结构的变形问题仍存在争议。为研究隔离桩对基坑开挖引起的土体水平位移的隔断效果,结合二阶段分析方法及地层补偿法,提出了求解基坑开挖后隔离桩外土体位移的三阶段分析方法,并对其合理性进行了验证。结果表明:基于该方法的计算,不同基坑开挖深度和不同围护墙变形模式下,隔离桩的存在可减小坑外地坪下一定深度范围内的土体水平位移,但可能增大深层土体水平位移;隔离桩刚度越大,对土体上部水平向位移的隔离效果越好,但同时深层土层位移增大的情况也越明显;合理的隔离桩桩顶埋深可一定程度减小隔离桩对深层土体的牵引作用。为保护基坑外的地下结构而设置隔离桩时,应根据模拟计算结果、工程实际情况及当地经验综合分析其可行性。     

扩底桩桩侧土水平抗力的分布特性

桩侧土的水平抗力是计算桩基水平承载力的重要因素。本文对扩底桩基础桩侧水平抗力特性进行研究。制定模型试验方案,进行扩底桩水平加载室内模型试验。整理模型试验加载数据获得扩底桩在水平荷载作用下的桩顶加载位移曲线、桩侧土抗力、桩底土抗力的分布曲线等重要数据,分析各数据获得扩底桩桩侧土水平抗力的分布规律。通过有限元软件模拟不同桩长、扩底尺寸的扩底桩承受水平荷载时的加载情况,通过对数值模拟结果的分析获得扩底桩受水平荷载作用时的受力变形特性,研究不同尺寸参数对扩底桩水平受力特性的影响情况。研究表明,桩长越短越有利于发挥扩大头的嵌固作用。根据对桩底扩大头处土抗力分布曲线的分析研究扩大头的嵌固力作用,进而提出扩大头嵌固力的计算方法。