熱—力耦合下能源樁沉降和荷載傳遞特性的數(shù)值分析

路樂(lè)樂(lè)，趙少飛,易海洋，張澤朋

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2. 華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

在當(dāng)今節(jié)約資源和可持續(xù)發(fā)展的世界大趨勢(shì)下，降低能耗節(jié)約資源成為各行各業(yè)的迫切要求，建筑行業(yè)的耗能占社會(huì)總耗能很大一部分[1，2]。因此，利用地?zé)豳Y源為建筑物供暖制冷將成為一個(gè)新的趨勢(shì)。我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始了這方面的研究，像歐美日等許多發(fā)達(dá)國(guó)家也已經(jīng)在大力推進(jìn)和發(fā)展這一技術(shù)[3，4]。通過(guò)在建筑樁基中埋設(shè)地源熱泵換熱管路與周?chē)膸r土體進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)淺層的可再生地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用的這一新型樁基被稱(chēng)為能源樁[5]。這一技術(shù)在我國(guó)也已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，但要實(shí)現(xiàn)廣泛的關(guān)鍵問(wèn)題在于對(duì)能源樁荷載傳遞特性和沉降規(guī)律的研究。

文獻(xiàn)[6]進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析能源樁橫向以及樁周巖土體的傳熱規(guī)律，發(fā)現(xiàn)能源樁相比于一般的鉆孔埋管換熱器具有更好的換熱性能，而且更加經(jīng)濟(jì)，推廣應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)性的意義。文獻(xiàn)[7]通過(guò)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)能源樁與普通樁體的力學(xué)特性不能簡(jiǎn)單的歸結(jié)為樁體的熱脹冷縮，還應(yīng)考慮傳熱過(guò)程中，樁體與樁側(cè)巖土體的荷載傳遞規(guī)律的變化對(duì)樁體的承載特性的影響。目前，能源樁的研究多集中在其傳熱效率方面[8，9]，對(duì)能源樁的力學(xué)特性研究相對(duì)較少,不能全面地揭示能源樁在熱—力耦合作用下的力學(xué)特性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論公式以及數(shù)值模擬等多種方式研究能源樁的荷載傳遞特性和沉降規(guī)律。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行不同溫度循環(huán)條件下的熱交換樁的承載模型驗(yàn)以及利用Abaqus有限元軟件建立考慮熱-力耦合情況下的樁土模型，將模型試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)而討論了在溫度影響下樁身軸力和側(cè)摩阻力的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[11]總結(jié)國(guó)際上極少的能源樁現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合某工程項(xiàng)目的摩擦型能源樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，獲得了樁身溫度、樁體位移、樁身的軸力，分析了摩擦型能源樁在熱力耦合作用下的承載力特性，以及荷載沿樁體的傳遞規(guī)律；文獻(xiàn)[9]現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀察能源樁在溫度變化情況下，樁體的應(yīng)力應(yīng)變變化和沉降，并且通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)于樁體的傳熱特性進(jìn)行對(duì)比；文獻(xiàn)[12]通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到了樁身的徑向溫度變化對(duì)樁基的承載力有顯著影響的結(jié)論；文獻(xiàn)[13-14]通過(guò)使用離心機(jī)試驗(yàn)，觀察樁體內(nèi)部的應(yīng)變變化，以及在黏土中反復(fù)的進(jìn)行熱、冷循環(huán)，觀察樁體的熱力學(xué)效應(yīng)。

盡管，能源樁在荷載傳遞方面得到了深入的研究。但熱—力耦合下能源樁的荷載傳遞機(jī)理與沉降規(guī)律仍然需要深入研究。本文基于London實(shí)驗(yàn)建立數(shù)值模型，分析在溫度效應(yīng)下單樁及其樁側(cè)巖土體的沉降規(guī)律以及荷載傳遞特性。對(duì)于進(jìn)一步研究能源樁和預(yù)防建筑物沉降過(guò)大具有重要意義。

1 基于London實(shí)驗(yàn)的能源樁數(shù)值模擬分析

利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)能源樁單樁在熱-力耦合作用進(jìn)行模擬，研究地?zé)釋?duì)能源樁的承載特性以及能源樁體發(fā)生的沉降的影響；而對(duì)于該數(shù)值模擬的正確性、合理性，通過(guò)已有的London試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；再對(duì)能源樁在不同溫度下的承載特性以及樁體沉降進(jìn)行定性地研究。

1.1 數(shù)值模型的建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬的能源樁樁體為鉆孔灌注樁，樁體為圓柱形，樁體直徑為0.6 m,樁體長(zhǎng)23 m。在數(shù)值模擬過(guò)程中，假設(shè)樁體的溫度不沿著軸向發(fā)生變化。為使計(jì)算過(guò)程中滿(mǎn)足樁體換熱以及樁體力學(xué)計(jì)算精度的要求，土體的計(jì)算區(qū)域水平方向取為4.0 m×4.0 m4.0×4.0 m于豎向取26 m。限制土體邊界兩個(gè)方向的水平位移以及底部邊界的水平位移。

首先根據(jù)試驗(yàn)樁的尺寸設(shè)定了模型的尺寸，建立樁體及土體的本構(gòu)模型，其中樁體采用各向同性的彈性模型，樁側(cè)巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型；然后在樁土接觸位置處設(shè)置接觸面，樁側(cè)與土體建立樁土界面(interface1)，在樁底部與樁底土體建立接觸面(interface2)，再單獨(dú)建立樁體的單元體，模型劃分104000個(gè)網(wǎng)格數(shù)，為了更好地分析與計(jì)算樁土接觸界面上的力學(xué)性能，對(duì)于樁土界面處的網(wǎng)格劃分較為密集。由于受力模型是軸對(duì)稱(chēng)的，為減少重復(fù)計(jì)算，提高計(jì)算的精度，取模型的一半，如圖1所示，利用FLAC3D中的移來(lái)移去法，將樁體移入土體中。土體與能源樁體的混凝土通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量交換。

為驗(yàn)證能源樁的數(shù)值模擬的正確性以及合理性，通過(guò)結(jié)合文獻(xiàn)[16]中London試驗(yàn)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并且與London試驗(yàn)的結(jié)果與模擬和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖1 能源樁及其樁側(cè)土縱、橫斷面

樁側(cè)土體重度黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°壓縮模量/MPa樁側(cè)土彈性模量/MPa樁端土彈性模量/MPa土體抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比2500627.112.355.55.510.3

表2 能源樁樁體的材料參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果討論與驗(yàn)證

1.2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2是在1200 kN的荷載作用下，能源樁的樁身軸力分布，其中VWSG是London現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果。從圖2可以看出：能源樁在單一荷載作用下和在熱—力耦合下，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果與London試驗(yàn)的結(jié)果在總體趨勢(shì)上是一致的，都是沿著樁體軸向逐漸減小的趨勢(shì)。

1.2.2 London實(shí)驗(yàn)分析

文獻(xiàn)[16]在英國(guó)Lambeth學(xué)院開(kāi)展了能源樁的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)。其中，該鋼筋混凝土樁的安全系數(shù)為2.5，樁體直徑為600 mm，樁體長(zhǎng)為23 m，樁體的設(shè)計(jì)荷載為1200 kN，樁體的熱膨脹系數(shù)為8.5×10-6，能源樁樁體的彈性模量為40 GPa。通過(guò)使用鋼弦式應(yīng)變儀(VWSG)和光纖傳感器(OFS)兩種測(cè)試儀器測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，并連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。London試驗(yàn)沿樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的土層信息和土體參數(shù)表所示。0～4 m范圍內(nèi)的土層為粗砂，4～30 m 范圍內(nèi)的土層為超固結(jié)倫敦黏土。

London能源樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)內(nèi)容包括：在靜力加載階段，施加外荷載1200 kN；接著保持1200 kN的外荷載作用下，樁體溫度降低19℃；在1200 kN的外荷載作用下，樁體溫度升高10℃。

沿樁體深度方向，在4～30 m的范圍內(nèi)土體的變形模量可取為45 MPa，樁體與樁側(cè)土體的相互作用仍舊處于彈性狀態(tài)，土體的泊松比取為0.5。

在表3中，能源樁側(cè)場(chǎng)地土體在0～4 m的砂礫石的標(biāo)貫擊數(shù)SPT-N，根據(jù)文獻(xiàn)[17]所提供的方法，由標(biāo)貫擊數(shù)可以確定樁側(cè)土體的變形模量取為45 MPa。

1.2.3 結(jié)果分析

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬兩種情況下的結(jié)果具有差別，原因主要有以下幾個(gè)方面：

1) London試驗(yàn)0～4 m土體為力學(xué)性質(zhì)較差的砂礫石，而數(shù)值模擬過(guò)程均為性質(zhì)良好的倫敦黏土；

2) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況較為復(fù)雜，受復(fù)雜地質(zhì)條件和地下水的影響，存在較多的不確定性，而數(shù)值模擬所對(duì)應(yīng)的都是理想條件；

3) 在本文中的數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)于傳熱和加載作為兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，而London試驗(yàn)是兩者連續(xù)進(jìn)行的；

4) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受材料不均勻性、測(cè)量?jī)x器精度以及人為因素等影響。因此，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有一定的差異，但兩者的變化趨勢(shì)基本一致，而且數(shù)值模擬的結(jié)果曲線平滑，符合基礎(chǔ)工程中樁體在荷載作用下軸力的分布。

綜上所述，可以表明數(shù)值模型的結(jié)果基本上可以反映工程實(shí)際，具有一定的合理性。

圖2 樁體軸力分布

表3 樁側(cè)土層信息

2 熱—力耦合下樁體的荷載特性與沉降規(guī)律

2.1 荷載傳遞規(guī)律

圖3為不同荷載水平作用下，僅單一荷載作用和熱—力耦合作用的樁身軸向應(yīng)力的分布?？梢钥闯觯瑑H在荷載作用時(shí)，樁體與巖土體溫度相同，樁體不與樁側(cè)土體進(jìn)行熱量交換，樁體在不同荷載水平下軸向應(yīng)力的分布曲線連續(xù)且平滑，應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，與基礎(chǔ)工程中樁體在外荷載作用下樁體軸力分布一致；在熱-力耦合作用時(shí)，樁側(cè)土體與能源樁存在溫差，樁體與巖土體進(jìn)行熱量對(duì)流傳導(dǎo)時(shí)，樁體的軸向應(yīng)力相對(duì)于僅荷載作用增大，成下降趨勢(shì)，但曲線不再平滑，樁身軸力在樁頂和樁底有增大趨勢(shì)，這種趨勢(shì)與文獻(xiàn)[16]London現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果曲線一致。這種現(xiàn)象主要是由于樁側(cè)土體在向樁體傳輸熱量過(guò)程中，使得樁體產(chǎn)生了軸向膨脹，樁體從中間向兩端膨脹，導(dǎo)致樁體軸力增加，從而改變樁體的力學(xué)性能。

2.2 沉降規(guī)律

在1200 kN的荷載作用下，樁體將相對(duì)于樁側(cè)土體發(fā)生沉降。其中文獻(xiàn)[18]的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明樁體在溫度升高將會(huì)產(chǎn)生膨脹，樁體的上半部分相對(duì)于樁側(cè)土體向上運(yùn)動(dòng)，樁頂部的沉降量減小；樁體溫度降低，樁體將會(huì)收縮，樁體的上半部分相對(duì)于樁側(cè)土體向下運(yùn)動(dòng)，樁頂部的沉降量增大。表明樁體溫度變化會(huì)影響樁頂位移的變化，在不斷地傳熱溫度變化過(guò)程中，將會(huì)使樁體產(chǎn)生附加沉降，影響樁體的正常工作性能和威脅到上部結(jié)構(gòu)的安全，這一過(guò)程將需要引起我們的高度重視。

圖3 不同荷載下樁身軸力分布

圖4 在1200 kN下荷載作用下樁體位移分布

從圖4和圖5中可以看出：FLAC3D模擬的樁體在荷載作用下，沿軸向樁體上各點(diǎn)的位移連續(xù)變化且位移曲線平緩。僅荷載作用下，樁側(cè)土體在徑向靠近樁體的位置處沉降量較大，并隨著距樁體距離增大而逐漸減??；隨著深度的增加，樁側(cè)土體的沉降量逐漸減小，在樁體底部一定距離處土體不再產(chǎn)生位移。熱-力耦合作用下，樁體因溫度升高而膨脹，樁體的上半部分相對(duì)于樁側(cè)土體向上運(yùn)動(dòng)，樁體的下半部分相對(duì)于樁側(cè)土體向下移動(dòng)，使得能源樁樁體頂部的沉降量減小；樁側(cè)土體在熱-力耦合作用下相對(duì)于僅有荷載作用時(shí)的沉降量減小。

圖5 1200KN下荷載作用下樁及樁側(cè)土體位移分布

3 結(jié)論

(1) 本文建立的熱—力耦合數(shù)值模型模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的一致性，能夠較好的反映能源樁的受力特性。不同荷載水平下，僅荷載作用、熱—力耦合作用兩個(gè)階段中，樁身軸力的變化趨勢(shì)基本一致；熱—力耦合作用下，由于樁體產(chǎn)生從中間向兩端的膨脹，導(dǎo)致樁體軸力增加，從而改變樁體的力學(xué)性能。

(2) 熱—力耦合作用下，樁體的上半部分相對(duì)于樁側(cè)土體向上運(yùn)動(dòng)，樁體的下半部分相對(duì)于樁側(cè)土體向下移動(dòng)，使得樁體頂部的沉降量減?。粯秱?cè)土體在熱-力耦合作用下的沉降量小于僅有荷載作用時(shí)，樁側(cè)土體在靠近樁體位置處沉降量較大，并隨著距樁體距離增大而逐漸減?。浑S著深度的增加，樁側(cè)土體的沉降量逐漸減小，在樁體底部一定距離處土體不再產(chǎn)生位移。

(3) 考慮能源樁內(nèi)部液體的流動(dòng)性，和管路換熱的均勻性，本文建立模型過(guò)程中設(shè)定熱量只沿樁體的徑向傳遞，未考慮軸向的溫度變化對(duì)樁體力學(xué)特性的影響；未進(jìn)一步研究樁側(cè)土體在傳熱過(guò)程的承載力特性。