能源樁適應(yīng)性初探①

程 冬， 景 騫

(1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

樁埋管地源熱泵作為一項(xiàng)新興的地源熱應(yīng)用技術(shù)以其在施工便利，節(jié)約投資，換熱效果好等優(yōu)勢(shì)日益被人們所關(guān)注.在西方發(fā)達(dá)國(guó)家這項(xiàng)技術(shù)已開(kāi)始被廣泛應(yīng)用，擁有相對(duì)成熟的技術(shù)以及相應(yīng)的配套規(guī)范和器械;在國(guó)內(nèi)已有成功的案例也取得了理想的效果，但是由于我國(guó)引入技術(shù)相對(duì)較晚，沒(méi)有太多的工程實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)相對(duì)落后不完善;所以這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用尚且處于起步階段很多的技術(shù)難題有待攻克.熱泵作為一種將低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置，而地源熱泵在埋管方式上分為水平埋管，垂直埋管和樁埋管三種類型.王文[1]提出，水平埋管式的特點(diǎn)工程量大，樁埋管的深度很淺，地表外部因素對(duì)其系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的影響.垂直埋管式相比水平埋管式換熱效率高，受地表環(huán)境溫度影響小，但其埋管深，一般為40～150m，相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致鉆孔費(fèi)用及高承壓聚乙烯塑料管等初投資費(fèi)用的增加[2].隨后，第三種埋管方法“樁埋管換熱器”的問(wèn)世標(biāo)志著地源熱泵技術(shù)得到較大發(fā)展，即把換熱器埋于建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，充分利用建筑物的面積，并且通過(guò)樁基與周圍大地形成換熱，從而減少鉆孔和埋管的費(fèi)用[3].

傳統(tǒng)的地源熱泵是將換熱管直接埋設(shè)在土層內(nèi)，需要大量的時(shí)間、金錢和精力來(lái)進(jìn)行鉆孔埋設(shè)等工作，并且這種換熱器占用大量地下空間使地下空間得不到有效的利用.夏才初[5]曾提出過(guò)能源地下工程這一概念，其實(shí)質(zhì)就是將地源熱泵系統(tǒng)的熱交換環(huán)路管埋入地下結(jié)構(gòu)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、基礎(chǔ)底板下、樁基內(nèi)、地鐵隧道內(nèi)以及新奧法施工的隧道內(nèi)，形成能源地下工程.能源樁也是這能源地下工程其中的一種.

1 能源樁沉降分析

1.1 能源樁溫度荷載對(duì)樁基沉降影響計(jì)算

1.1.1 傳統(tǒng)樁基沉降

假設(shè)灌注樁直徑1m，長(zhǎng)20m，C30，Et=3.0 ×104MPa;a(混凝土的線膨脹系數(shù))10×10－5/℃;土層全部是粉質(zhì)粘土，內(nèi)摩擦角φ=24°地下水位 ±0m，重度18kN/m3，土層e～p曲線見(jiàn)表1.

表1 土層e～p曲線

樁端荷載Q=4000kN.

(1)等效Ac=21.27m2等效基底寬度 b=4.61m等效直徑D=5.2m.

(2)地基分層0.4b=1.84m，取1.3m

(3)自重應(yīng)力 σcz=8.2 × z(z.20m).

(4)由分層總和法得基底附加應(yīng)力σ0=38.83kPa.

(5)確定層數(shù)為5層

(6)計(jì)算沉降

查表得ac進(jìn)而得到各分層點(diǎn)附加應(yīng)力的值.

表2 無(wú)溫度影響的沉降計(jì)算

總沉降為19.3mm.

1.1.2 溫度變化對(duì)沉降影響

假設(shè)樁只發(fā)生軸向變形.則Δl=a·Δt·l對(duì)應(yīng)于－10℃，－5℃，+5℃，+10℃ 時(shí)Δl為－2mm，－ 1mm，1mm，2mm.

這是僅僅考慮溫度對(duì)樁身變形的影響，可以與其他影響因素疊加.

表3 樁長(zhǎng)對(duì)溫度沉降影響的計(jì)算

溫度變化不增加由樁傳給地基的荷載，而深層土體又視作恒溫，故溫度變化對(duì)沉降的影響僅由樁身變化而引起.一般地源熱泵對(duì)樁身溫度影響不超過(guò)10℃，在不考慮強(qiáng)度問(wèn)題的情況下，沉降變化僅僅在 ±2mm范圍內(nèi).

1.2 參數(shù)敏感性分析

上述例子僅僅是單一情況下溫度對(duì)沉降的影響，得出的只是一般性的結(jié)論.缺乏對(duì)于具體的參數(shù)分析，所以在此對(duì)樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)溫度沉降slc的影響.

在研究參數(shù)敏感性之前，先要做一些基礎(chǔ)的假設(shè):

(1)一維溫度場(chǎng)

(2)樁身均勻材質(zhì)

(3)樁與土分開(kāi)計(jì)算

(4)樁長(zhǎng)保持不變(類似于荷載結(jié)構(gòu)法)(5)溫度變化為定值10℃

1.2.1 樁長(zhǎng)對(duì)溫度荷載引起的沉降的影響

沿用1.2的例子對(duì)樁長(zhǎng)L=20m，25m，30m，35m，40m，45m，50m時(shí)溫度荷載的影響.由前面的假設(shè)可以知道溫度荷載Qt=EaΔtAp=2356kN由此帶入計(jì)算沉降，則計(jì)算基底附加應(yīng)力.

(1)對(duì)應(yīng)等效 Ac=21.27m2，30.73m2，41.92m2，54.85m2，69.52m2，85.92m2，104.05m2.

等效半徑 D=5.2m，6.26m，7.31m，8.36m，9.41m，10.46m，11.51m.

(2)地基分層取 1.3m，1.56m，1.83m，2.09m，2.35m，61m，88m.

(3)自重應(yīng)力 σcz=8.2× z(z ＞20m)

(4)根據(jù)(1)基底附加應(yīng)力 σ0=110.77kPa，76.67kPa，56.20kPa，42.95kPa，33.89kPa，27.42kPa，22.64kPa，查表得 ac進(jìn)而得到各分層點(diǎn)附加應(yīng)力的值.

(5)確定層數(shù)

(6)計(jì)算沉降得到對(duì)應(yīng)沉降 79.40mm，53.70mm，35.80mm，12.90mm，20.00mm，13.50mm，13.30mm.

圖1 樁長(zhǎng)對(duì)溫度引起的沉降的影響

上文已經(jīng)得出溫度對(duì)樁基沉降的影響應(yīng)該在3%的樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，但是由于將土與樁分開(kāi)考慮導(dǎo)致溫度的附加應(yīng)力過(guò)大得出上圖(圖2).雖然有一定的錯(cuò)誤，但是可以看出對(duì)于溫度變化引起的沉降隨著樁長(zhǎng)的的增長(zhǎng)而減小當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值后沉降穩(wěn)定.

在樁長(zhǎng)為38m左右有明顯的突變由于樁徑在計(jì)算時(shí)固定為1m故溫度變化引起的附加荷載Qt為定值2356kN.故隨著樁長(zhǎng)的增加等效基底面積增大，溫度荷載引起的附加應(yīng)力就減小;并且在計(jì)算平面土體的自重荷載增大從而導(dǎo)致分層總和法的計(jì)算層數(shù)只有1層，但是層高怎增加最終導(dǎo)致在樁長(zhǎng)達(dá)到一定的數(shù)值后溫度變化引起的沉降穩(wěn)定在13mm左右.所以在溫度變化固定、樁的線膨脹系數(shù)和彈性模量為定值時(shí)，這個(gè)臨界值得確定跟樁的長(zhǎng)徑比有關(guān).

1.2.2 樁徑對(duì)溫度荷載引起的沉降的影響

繼續(xù)引用3.4的例子對(duì)于樁徑D=0.8m，1.0m，1.2m，1.4m，1.6m，1.8m，2m 時(shí)溫度變化引起的沉降變化.

計(jì)算方法同前，計(jì)算結(jié)果如下

表4 樁徑對(duì)溫度沉降影響的計(jì)算

同樣由于假設(shè)的錯(cuò)誤導(dǎo)致附加應(yīng)力過(guò)大進(jìn)而導(dǎo)致沉降過(guò)大，但是圖表還有一定的借鑒意義的.從上圖可以看出溫度沉降隨樁徑的變大沉降樣變大，從中我可以大膽的猜測(cè)這是成線性相關(guān)的.

圖2 裝進(jìn)對(duì)溫度沉降的影響

能源樁作為一種多功能樁基，由于樁身內(nèi)部有埋管其強(qiáng)度肯定會(huì)受到影響而降低.這方面已經(jīng)有人做出了相關(guān)的研究，得出埋管對(duì)樁構(gòu)件的極限承載力的影響較小，但對(duì)應(yīng)力的影響較大，對(duì)樁構(gòu)件受彎承載特性的影響較小，對(duì)樁構(gòu)件受拉承載特性的影響較小.而由于溫度變化對(duì)沉降的影響較小，工程上可以接受.

雖然由于計(jì)算前假設(shè)上的錯(cuò)誤導(dǎo)致樁基沉降計(jì)算出現(xiàn)過(guò)大的情況，但是計(jì)算結(jié)果還有又可以借鑒的地方.溫度變化引起的沉降隨樁長(zhǎng)的增大而變小隨樁徑的增大而增大的趨勢(shì)是基本可以確定的.

2 能源樁在上海的適應(yīng)性討論

2.1 能源樁的優(yōu)點(diǎn)

能源樁的產(chǎn)生有其必然性，即它有以往能源技術(shù)不可比擬的突出優(yōu)勢(shì).

(1)可再生能源:地?zé)崮軐偾鍧嵞茉矗沙掷m(xù)使用.

(2)高效節(jié)能:傳熱快效果好，比空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能約30%～50%.

(3)運(yùn)行費(fèi)用低:地下空間溫度變化小，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程高效經(jīng)濟(jì).

(4)環(huán)境效益:在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染，綠色環(huán)保.

(5)穩(wěn)定可靠:樁埋熱泵系統(tǒng)處于溫度恒定的土壤中，系統(tǒng)工作環(huán)境極佳.

(6)施工方便:可以與樁基施工協(xié)同進(jìn)行，工程量少，額外工程費(fèi)用少.

2.2 能源樁的缺點(diǎn)

(1)地源熱泵初裝費(fèi)用很高:昂貴的設(shè)計(jì)和初裝費(fèi)用，在一定程度上限制了能源樁在我國(guó)的推廣使用.

(2)地下環(huán)境溫度變化:系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)使土壤(水)的溫度會(huì)有微小的變化，長(zhǎng)期使用是否會(huì)影響生態(tài)環(huán)境，需要長(zhǎng)期觀察才能作出結(jié)論.

(3)隨著每年土壤(水)以及樁基的溫度的變化，對(duì)于構(gòu)筑物，地基的承載力、耐久性、沉降等肯定會(huì)產(chǎn)生一定的影響.這個(gè)問(wèn)題有待大量的工程實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究.

2.3 上海能源樁

上海地區(qū)已有不少能源樁的成功案例，這已說(shuō)明能源樁在上海的可行性.下文總結(jié)了幾點(diǎn)關(guān)于上海地區(qū)對(duì)能源樁的適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)

首先，上海作為典型的軟土地區(qū)，樁基礎(chǔ)被廣泛的應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)以滿足地基承載力和建筑物沉降控制的要求.在深厚軟粘土的樁基設(shè)計(jì)中，控制沉降十分重要，這一點(diǎn)在理論界和工程界已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同.樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)由傳統(tǒng)的承載能力控制標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向承載力和沉降雙控標(biāo)準(zhǔn)，在軟土地區(qū)更是以沉降控制為主.隨著樁基的廣泛應(yīng)用和巖土工程研究的深入，樁基沉降計(jì)算方法的研究得到了快速發(fā)展.

由于上海地區(qū)廣泛的應(yīng)用樁基礎(chǔ)，對(duì)樁基礎(chǔ)的施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制、糾偏和應(yīng)急處理等有著大量的施工實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，這使得能源樁的推廣有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

其次，上海地區(qū)作為全國(guó)范圍內(nèi)一線城市的領(lǐng)頭者，在技術(shù)的應(yīng)用方面有著自己得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)——基礎(chǔ)好且可以更好的接觸新技術(shù).上海已有的能源樁成功案例不僅解決了建筑能耗問(wèn)題，同時(shí)也是一個(gè)標(biāo)志一個(gè)里程碑，當(dāng)然也提供了不少施工、設(shè)計(jì)、管理、運(yùn)營(yíng)和檢測(cè)等方面的經(jīng)驗(yàn).

當(dāng)然事物總是有著其兩面性，上海有發(fā)展能源樁的優(yōu)勢(shì)當(dāng)然也存在需要解決的障礙.

首先，上海部分地區(qū)地下空間已經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)度，使得上海的地下空間的使用受到了一定的限制.由于能源樁需要有一定的深度才能滿足地下?lián)Q熱利用地?zé)豳Y源的條件，雖然上海一般的樁基較深，但有些地帶已經(jīng)沒(méi)有足夠的條件用來(lái)建設(shè)能源樁.

其次，就是本身設(shè)計(jì)施工方法的不完善、施工實(shí)例有限，風(fēng)險(xiǎn)不易評(píng)估等對(duì)能源樁的推廣有著不小的影響.雖然有一定的困難但總的來(lái)說(shuō)，能源樁技術(shù)在上海乃至全國(guó)都有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景.

3 結(jié)語(yǔ)

本文的研究工作初步探討了樁埋管地源熱泵(能源樁)的基本原理、沉降特點(diǎn)和適應(yīng)性，結(jié)合地?zé)豳Y源和傳統(tǒng)地源熱本技術(shù)較為全面的介紹分析了能源樁基本特點(diǎn)，并結(jié)合上海市情況分析了能源樁在上海的適用性.給出了具有一定被普遍意義的結(jié)論，如下:

(1)中國(guó)擁有豐富的地?zé)豳Y源，這就為中國(guó)地?zé)豳Y源的發(fā)展提供了良好的背景.

(2)能源樁的溫度變化對(duì)樁基的沉降有一定的影響，但在一般情況下(正常運(yùn)行)對(duì)沉降的影響是有限的;

(3)能源樁的溫度變化對(duì)樁基的沉降的影響隨著樁長(zhǎng)的增加而減小，隨著樁徑的增大而增大;

(4)上海有能源樁的施工經(jīng)驗(yàn)和施工實(shí)例，并且上海的地基處理一般是需要樁基礎(chǔ)的這就為能源樁在上海的發(fā)展提供了優(yōu)越的條件.

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