能源桩试验材料热力学参数测试研究

提出在传统混凝土能源桩的基础上加入相变材料和钢纤维来提高能源桩的换热效率,通过钢球封装相变材料不仅将相变材料应用于混凝土,而且钢纤维和钢球的高导热特性可以改善相变材料导热性能上的不足,提高相变储能混凝土的导热性,为相变材料在能源桩工程的应用提供参考依据。通过相变钢纤维混凝土材料不同热力学参数测试的具体过程和结果发现纤维增强型混凝土破坏时没有明显的碎块和崩落,是因为钢纤维与裂缝两边混凝土之间的粘结应力起着约束裂缝开展的作用,从而降低混凝土脆性破坏程度;另外钢纤维可以很好的补偿低导热的相变材料所带来的缺陷,使能源桩整体的导热性能得以提高;钢纤维会降低混凝土的比热容,但砂率对混凝土的比热容有明显的影响。此结果会为后续评估和优化能源桩热交换系统提供参数指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

回填土钻孔灌注桩-承台混凝土水化作用效应现场试验

混凝土早期水化作用释放大量热量,会引起桩身温度和桩身应力变化,从而影响桩基承载性能。通过开展现场试验,研究回填土地基中钻孔灌注桩-承台混凝土水化热对桩身及桩基周围土体的影响,实测并分析了桩身及桩基周围土体温度随时间、深度的变化规律和桩基应力随时间的变化规律。研究结果表明,试桩混凝土浇筑完成后,0.7 d时桩体不同深度处的温度均达到最大值,21.4d时其温度基本稳定;桩体温度随时间变化规律可分为快速上升、快速下降、缓慢降低和基本稳定4个阶段。承台混凝土水化热效应仅对桩基周围浅层土体温度有一定影响,当深度大于3 m时,其对土体的温度作用效应基本可以忽略。桩基约束应力变化表现为先迅速增长再缓慢下降最终趋于稳定,最大约束应力值与混凝土轴心抗拉强度十分接近。     

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。     

长期循环温度下能源桩‑土热传播特性研究∗

开展了桩长 52.5 m、桩径 1.05 m 的能源桩?土热传导离心模型试验,揭示了三十个周期的冷热循环温度作用下能源桩?土传热规律,基于 ABAQUS 有限元数值模拟,建立了桩周土体温度场长期数值计算模型,并将其与离心模型试验结果进行了对比验证。结果表明：各循环温度区间变化模拟值与实测值整体波动具有很好的一致性,各周期内最大相对误差为 5.6%,整体误差较小,验证了模型的合理性;长期冷热循环温度作用下,能源桩整体运行效率存在降低趋势;桩端土体的温度变化滞后于桩体中部区域土体,因此在进行能源桩内管道布设时可以考虑桩端部分区域内适当加密,提高能源桩的换热性能;热循环阶段,模拟值变温区峰值高于实测变温区峰值,而在冷循环末期,模拟值较小,且距桩不同距离位置处实测值相对应的变温时间区间,相较模拟值变温区间均存在一定程度的后延,且循环周期越多时间区间后延效应越明显。     

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。     

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。