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。     

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。     

爆破地震作用下桩-土-结构相互作用的数值模拟

土-结构动力相互作用是地震工程和结构抗震的重要研究内容,但目前对爆破地震作用下土-结构动力相互作用的研究较少。运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了桩-土-结构相互作用体系的三维有限元模型,由桩尖输入实测爆破地震波,取得了良好的计算效果。计算结果表明:考虑桩-土-结构相互作用后,群桩基础中每个桩的位移、加速度和剪应力幅值均呈桩顶大、桩尖小的倒三角分布,桩与承台的接合部比较容易受到损坏;桩-土-结构相互作用体系在爆破地震波冲击后,还会发生几次振动,但是这些振动产生的影响要小于爆破地震产生的影响,这与实测结果相符合;爆破地震波冲击下,群桩基础中,角桩顶部表面的桩土接触压力较大,但在爆破地震波冲击后,中心桩顶部表面的桩土接触压力较大,且具有一定的周期性,直至衰减为零。     

温度循环下桩土界面特性及桩侧摩阻力数值模拟

通过改进的剪切实验系统,测定桩土界面剪切强度与温度循环次数间的关系及桩土界面摩擦系数随温度循环的变化,并通过建立数值计算模型研究温度循环下桩侧平均侧阻力的变化规律。研究表明,桩土界面在经历多次温度循环后,界面剪切强度随循环次数的增加而减小。且法向应力越大,经历温度循环后界面剪切强度的损失在增大。升温过程中,桩土界面的摩擦系数减小,桩侧平均侧摩阻力在减小;降温过程中,界面的摩擦系数在增加,桩侧平均侧摩阻力在增大。经过多次温度循环后,桩土界面的摩擦系数基本保持不变,桩侧平均侧摩阻力在升温和降温过程中变化越来越平稳。     

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。     

PCC桩水平承载特性足尺模型试验与数值模拟

通过进行大型模型槽足尺模型试验,根据桩身变形和桩身弯矩的试验结果,分析了水平荷载作用下现浇混凝土大直径管桩(以下简称PCC桩)的水平承载特性和桩-土共同作用性状。采用大型通用有限元软件ABAQUS对PCC桩的水平承载特性进行了数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好,并进一步探讨了PCC桩水平承载特性的主要影响因素。结果表明:表层土体的弹性模量对水平受力性状影响较大,表层土体的厚度对桩身水平位移也有较大影响,因此可以通过改良表层土体来控制桩身水平位移,以达到工程设计要求;土体强度参数对水平承载特性也有影响,尤其是内摩擦角和粘聚力较小时更为明显。     

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。     

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。     

扩底桩抗拔承载特性数值分析

基于通用软件ABAQU S,建立了扩底抗拔桩三维弹塑性有限元模型,通过对模型的计算与分析,探讨了扩底桩的抗拔承载特性。为验证数值模型的可靠性,将数值计算得到的荷载—位移关系曲线与试桩资料进行比较,两者吻合较好,表明本文所建立的模型可较好地模拟扩底抗拔桩的工作性状。通过计算与分析,探讨了扩底抗拔桩的轴力、侧摩阻力分布特征,桩身和扩大头周围土体变形与塑性应变的发展规律,以及扩大头的挤压作用对扩大头周围土体竖向应力的影响。同时,通过变动参数研究了扩大头的形状、土体的性质对扩底桩抗拔承载力的影响,结果表明,扩大头直径和扩大头周围土体的性质对抗拔承载力的影响较大,而扩底高度的影响相对较小。     

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。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

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。     

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。     

冻融作用下非饱和土热水力耦合数值模拟

基于多孔介质力学建立非饱和土在冻结过程中的耦合方程并进行单向冻融过程的数值求解及模拟分析。把非饱和冻土当作固体土颗粒、未冻水、冰晶及孔隙气组成的多孔多相介质,在小变形假定下建立了考虑冰-水、水-水汽相变的非饱和冻土的质量守恒、动量守恒方程,以及能量方程、耗散不等式、热平衡方程。结合冻融过程中的渗透特性以及应力应变关系,对单向冻融条件下的非饱和土柱封闭系统进行了数值求解,计算结果表明冷端冻结温度的数值对非饱和土柱的顶部位移影响较大,而对温度场的分布规律以及冻结区的含水率分布影响较小。研究结果可为寒区非饱和土工程的设计和施工提供指导。     

低矮房屋屋面局部风压干扰特性的数值模拟

将一个体型比为1.5∶1∶1的双坡低矮房屋模型屋面划分成若干个典型区域,并进行了屋面局部风压的数值模拟,数值结果与风洞试验结果的对比验证了数值模拟技术在分析低矮房屋表面风压的可靠性。基于数值模拟,分析了施扰房屋模型相对位置变化对受扰房屋屋面局部区域风载体型系数的影响。结果表明:串列布置下,受上游施扰房屋的遮挡影响,受扰房屋屋面各区域体型系数减小明显;并列布置下,受扰房屋屋面各区域体型系数整体增大;错列布置下,受扰房屋屋面各区域体型系数表现出一定的规律性,其大小取决于受扰房屋受到间隙流与施扰房屋尾流影响程度而不同。     

玻璃球动弹性模量特性试验和数值模拟研究

堆石料颗粒形状较为复杂,且存在明显的颗粒破碎特征。为剔除颗粒形状对堆石料动力特性的影响,在不考虑颗粒破碎的情况下,采用玻璃球模拟堆石料进行动三轴试验,分析了试验围压对玻璃球动弹性模量的影响。基于动三轴试验成果,开展了细观数值模拟研究。研究表明:玻璃球的动弹性模量变化规律与堆石料的基本一致;三维颗粒流方程能较好地模拟该材料的动弹性模量特性;随着粗细颗粒直径跨度增大,试样级配关系增强,最大动弹性模量随之增大;细颗粒直径变小和粗颗粒直径变大都将引起最大动弹性模量的增大。试样的动弹性模量随着细观剪切模量的增大而增大,近似为幂函数关系,动应变降低。     

季冻区山岭公路隧道冻胀力学特征数值模拟研究

季冻区的极端低温气候严重威胁着隧道的运营安全,围岩的冻胀作用是隧道冻害发生的外力根源。以吉林省某高速公路隧道为例,基于伴有相变的瞬态传热理论和abaqus有限元模型模拟了围岩冻结温度场动态分布规律以及围岩冻胀后的衬砌内力及变形特征。计算结果表明围岩冻结从拱部开始发生,发展至边墙,最后延伸至仰拱底部形成冻结圈;冻结深度的分布规律为拱部边墙仰拱;冻结发展速度与气温变化相关,但表现出一定的滞后性。围岩冻胀后,衬砌整体呈现"横鸭蛋"的收缩变形趋势,边墙水平收敛和仰拱不均匀隆起影响最大,边墙与仰拱连接处出现的应力集中也可能会影响结构整体的稳定性。此外,冻胀引起的衬砌转角变形在距离拱顶48°和96°处达到正负峰值,可视为冻胀敏感点作为转角监测的最优布设点。     

高喷插芯组合群桩竖向承载特性的数值分析

高喷插芯组合桩(简称JPP)是一种新型的复合材料桩,具有承载力高、造价低等优点。利用岩土工程专业软件FLAC3D对JPP群桩竖向承载特性进行了数值模拟分析,讨论了桩数、桩间距、桩长、不同组合形式、不同水泥土弹性模量等对竖向承载特性的影响。结果表明:承载力随着桩数的增加而减小,但16根群桩与25根群桩的承载力相差不多,16根群桩承载力可以代表16根以上群桩的承载力;桩间距越大,承载力越小,桩间距宜采用3倍的JPP组合桩径或4倍的芯桩桩径;承载力随着桩长的增加而增加;分段组合形式承载力效果较好,实际工程施工中宜采用之;水泥土弹性模量对竖向位移没有影响,但水泥土弹性模量越大,芯桩轴力越小。     

浆固碎石桩荷载传递特性试验与数值分析

通过室内模型试验,对浆固碎石桩这一新型桩基技术的承载性状、荷载传递特性进行了探讨。试验结果显示,浆固碎石桩极限承载力明显大于桩底注浆桩和素混凝土桩的极限承载力,说明浆固碎石桩中水泥砂浆胶结桩侧泥皮和桩底沉渣改善了桩侧摩阻和端阻能力。通过对模型桩P—S关系、桩端阻力Q_p—P关系的分析,初步了解了浆固碎石桩在竖向荷载作用下的承载性状,同时给出了浆固碎石桩的端阻力及侧摩阻力的提高系数。在此基础上,利用Flac~(3D)三维有限差分软件对模型试验进行计算分析,进一步研究浆固碎石柱的承载性状,揭示了模型桩受荷后的荷载传递规律。