能量樁研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)分析

石雨恒　付長鄆　錢建

摘要：能量樁是一種將地源熱泵技術(shù)和傳統(tǒng)樁基相結(jié)合的新型樁基。與傳統(tǒng)樁基不同，能量樁工作時需同時承擔(dān)上部建筑荷載和樁體溫度變化的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于樁體溫度變化對能量樁工作特性影響的研究主要集中在溫度對能量樁承載特性的影響和對樁土接觸面力學(xué)特性的影響兩個方面。在前人研究的基礎(chǔ)上對能量樁的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合闡述，并提出能量樁的未來研究方向。

Abstract： The energy pile is a new type of pile foundation which combines ground source heat pump technology with traditional pile foundation. Different from the traditional pile foundation， the energy pile needs to bear the influence of the upper building load and the temperature change of the pile body at the same time when it works. At present， domestic and foreign scholars' research on the influence of temperature change on the working characteristics of the energy pile mainly focuses on the influence of temperature on the bearing characteristics of the energy pile and the mechanical characteristics of pile-soil interface. On the basis of previous studies， this paper comprehensively expounds the research status of energy piles， and puts forward the future research direction of energy piles.

關(guān)鍵詞：能量樁;溫度變化;承載特性;樁土接觸面

Key words： energy pile;temperature change;bearing characteristic;pile-soil interface

中圖分類號：TU473.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0137-02

0? 引言

隨著人類社會的發(fā)展，人們對建筑功能多樣化的綠色節(jié)能建筑的需求越來越高，綠色能源逐步走上舞臺，地?zé)崮鼙闶瞧渲兄?。為了有效利用淺層地?zé)崮?，地源熱泵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但是，地源熱泵技術(shù)將換熱管直接埋置于地下，施工工期長、成本高，而且極大使用地下空間。為了能夠有效地利用淺層地?zé)崮芎捅苊鈧鹘y(tǒng)地源熱泵技術(shù)的缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者們將換熱管埋置于傳統(tǒng)樁基內(nèi)，使得樁體能夠同時承擔(dān)上部建筑荷載和作為換熱管的載體。能量樁相較于傳統(tǒng)樁基具有很大優(yōu)勢，不僅施工工期短、成本低，換熱效率高，而且很大程度上節(jié)約了地下空間的使用。因此，近年來學(xué)者們對能量樁進(jìn)行了較深入的研究，在樁體溫度變化對能量樁工作特性影響方面獲得了很多研究成果。

1? 溫度對能量樁承載特性的影響

1.1 樁身應(yīng)力

樁體升溫和降溫時會發(fā)生膨脹和收縮變形，這種變形會受到樁頂、樁側(cè)和樁端的約束作用，樁體內(nèi)部隨之產(chǎn)生溫度附加應(yīng)力。桂樹強(qiáng)等[1]通過能量樁現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁體內(nèi)部附加溫度應(yīng)力大約為100-300kPa/℃。Cecinato等[2]對能量樁運(yùn)行過程中溫度變化的研究表明，能量樁工作時樁體溫度可提高25-30℃。由此可見，能量樁內(nèi)部的附加溫度應(yīng)力可以達(dá)到兆帕量級。Bourne-Webb等[3]在倫敦進(jìn)行的能量樁熱力學(xué)特性試驗(yàn)研究表面，樁體附加溫度應(yīng)力的大小和分布與樁體約束條件密切相關(guān)，兩端自由時的樁身軸力如圖1所示。

1.2 樁側(cè)摩阻力

樁體溫度變化對能量樁的樁側(cè)摩阻力也有明顯的影響。孔綱強(qiáng)等[4]通過能量樁室內(nèi)模型槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁體升溫導(dǎo)致樁側(cè)上部產(chǎn)生負(fù)摩阻力，下部產(chǎn)生正摩阻力，樁體降溫情況相反。Stewart等[5]開展了端承型能量樁的離心機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明升溫使樁體完全向上變形，樁側(cè)均為負(fù)摩阻力。Amatya等[6]對樁側(cè)摩阻力的分析具有類似的結(jié)果，如圖2所示。

1.3 樁頂沉降

樁體升溫會使得樁頂向上隆起，降溫會引起樁頂附加沉降。所以，在滿足樁基承載力的前提下，還需要控制樁頂沉降以使建筑物沉降控制在合理范圍內(nèi)。國內(nèi)外學(xué)者們也紛紛開展了對能量樁樁頂沉降的研究。Ng等[7]開展了能量樁離心機(jī)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)多次溫度循環(huán)后樁頂產(chǎn)生了明顯的附加沉降。Cesar Pasten等[8]提出了一種能夠考慮溫度影響的荷載傳遞法，通過此法對有樁頂荷載作用的能量樁進(jìn)行計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)長期溫度循環(huán)會引起樁體的塑性變形，使樁頂處產(chǎn)生累積沉降，其值與溫度循環(huán)周數(shù)有關(guān)。

1.4 極限承載力

現(xiàn)有研究表明，溫度變化對能量樁極限承載力的影響與地基土的類別有關(guān)。Wang等[9]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂土地基中的能量樁極限承載力基本不受溫度變化影響。Rosenberg[10]通過研究粉土地基中能量樁的極限承載力指出，當(dāng)溫度提高20℃和41℃時，極限承載力分別提高了20%和33%。Goode等[11]的離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果同樣表明砂土地基中的能量樁極限承載力基本不受溫度變化影響，而粉土地基中能量樁的極限承載力隨溫度增加有明顯的提高。

2? 溫度對樁土接觸面力學(xué)特性的影響

樁土接觸面力學(xué)特性對樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮和樁體沉降有著十分重要的影響，目前用來描述常規(guī)樁基樁土接觸面力學(xué)特性的樁土接觸面模型主要有理想彈塑性模型、Clough與Duncan[12]提出的雙曲線模型、三折線模型等。但是，由于能量樁工作時樁土接觸面呈現(xiàn)循環(huán)加卸載特性，以上傳統(tǒng)的樁土接觸面模型不能用來描述能量樁的樁土接觸面力學(xué)特性。目前學(xué)者們較多地利用曼辛法則來構(gòu)建能夠描述能量樁循環(huán)加卸載特性的樁土接觸面模型，但是均未考慮溫度對模型參數(shù)的影響。季節(jié)不同，能量樁工作時經(jīng)歷的溫度變化情況不同。在夏季模式中，樁和樁周土的溫度逐漸上升到穩(wěn)定值后會保持一段時間，運(yùn)行結(jié)束后溫度恢復(fù)。在冬季模式中，溫度變化情況相反。針對這一問題，需要考慮不同溫度下的樁土接觸面力學(xué)特性。目前相關(guān)領(lǐng)域研究較多的是凍土和結(jié)構(gòu)之間接觸面的力學(xué)特性，對能量樁工作溫度變化范圍內(nèi)的樁土接觸面力學(xué)特性的研究還很少。有限的試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對樁土接觸面力學(xué)特性的影響與土的類別有關(guān)，砂土中的影響不大，而黏土中的影響較為明顯。

3? 結(jié)論與研究展望

通過對前人研究成果的整理歸納，可以看出樁體溫度變化對能量樁工作特性的影響主要集中在能量樁的樁身應(yīng)力、樁側(cè)摩阻力、極限承載力和樁土接觸面力學(xué)特性等方面。但是，由于能量樁在溫度變化和樁頂荷載耦合作用下的工作特性較為復(fù)雜，學(xué)者們對能量樁的研究尚未結(jié)束。在未來的研究中，需要著重研究能量樁工作溫度變化范圍內(nèi)的樁土接觸面力學(xué)特性以及溫度對土體力學(xué)特性的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]桂樹強(qiáng)，程曉輝.能源樁換熱過程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)原位試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（6）：1087-1094.

[2]Cecinato F， Loveridge F A. Influences on the thermal efficiency of energy piles[J]. Energy， 2015， 82： 1021-1033.

[3]Bourne-Webb P J， Amatya B， Soga K. A framework for understanding energy pile behaviour[J]. Proceedings of the ICE-Geotechnical Engineering， 2012， 166（2）： 170-177.

[4]孔綱強(qiáng)，王成龍，劉漢龍，等.多次溫度循環(huán)對能量樁樁頂位移影響分析[J].巖土力學(xué)，2017，38（4）：0-7.

[5]Stewart M A， McCartney J S. Centrifuge modeling of soil-structure interaction in energy foundations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2013， 140（4）： 04013044.

[6]Amatya B L， Soga K， Bourne-Webb P J. Thermo-mechanical behavior of energy piles[J]. Geotechnique， 2012， 62（6）：503-519.

[7]NG， C. W. W. et al. Centrifuge modelling of energy piles subjected to heating and cooling cycles in clay[J]. Geotechnique letters， 2014， 4（4）： 310-316.

[8]Pasten C， Santamarina J C. Thermally induced long-term displacement of thermoactive piles[J]. J. Geotech. Geoenviron. Eng. 2014， 140（5）：70-75.

[9]Wang B， Bouazza A， Haberfield C. Preliminary observations from laboratory scale model geothermal pile subjected to thermal-mechanical loading[C]. Geo-Frontiers 2011@ Advances in Geotechnical Engineering. ASCE， 2011： 430-439.

[10]Rosenberg J E. Centrifuge modeling of soil-structure interaction in thermo-active foundations[D]. University of Colorado at Boulder， 2010.

[11]Goode J C， Zhang M， McCartney J S. Centrifuge modelling of energy foundations in sand[C]. ICPMG2014–Physical Modelling in Geotechnics： Proceedings of the 8th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics. 2014： 729-735.

[12]Clough G W， Duncan J M. Finite element analyses of retaining wall behavior[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division， 1971， 97（12）： 1657-1673.