循環(huán)溫度場作用下能量樁熱-力學(xué)性能的試驗研究*

常 虹 劉津男 孟慶宇

(1.吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院, 長春 130118； 2.吉林省工程技術(shù)有限公司， 長春 130012；3.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司, 沈陽 110169)

能量樁是集建筑樁基和地源熱泵于一身，既起到承擔(dān)上部荷載的作用,同時也是與淺層地溫能進行熱交換的媒介。與傳統(tǒng)的地源熱泵技術(shù)相比具有節(jié)約能源、減少污染、節(jié)約土地等優(yōu)點[1-3]。在溫度場作用下，樁身會產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，進而引起樁頂位移、側(cè)摩阻力及樁端阻力的變化。Gashti對能量樁進行的有限元數(shù)值分析結(jié)果表明：能量樁受溫度影響會產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，這些應(yīng)力約為普通C30混凝土極限抗壓強度的1/5[4]；桂樹強等利用信陽高鐵項目開展了能量樁現(xiàn)場荷載-溫度試驗和監(jiān)測，探討了能量樁受溫度荷載作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律[5]；王成龍等利用室內(nèi)試驗對循環(huán)溫度場下能量樁的承載性能進行了研究，得出隨循環(huán)次數(shù)的增加樁頂沉降不斷累積增加，進而會影響能量樁的穩(wěn)定性[6]；路宏偉等通過現(xiàn)場測試對摩擦型能量樁在不同荷載水平及溫度條件下樁身的溫度、應(yīng)力及樁頂沉降進行了研究，得出在熱-力耦合作用下，其承載性狀與普通樁體存在明顯區(qū)別，按照常規(guī)的樁基設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不足以保證能量樁的安全性及經(jīng)濟性[7]；劉干斌等對飽和黏土中能量樁承載特性進行了模型試驗，研究表明：樁側(cè)摩阻力隨著溫度的升高而增大，單樁極限承載力也隨之增大[8]；方鵬飛等基于能源樁現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)模型試驗，觀察了溫度變化對樁的承載力、樁身附加應(yīng)力及側(cè)摩阻力等產(chǎn)生的影響，得到了溫度作用下能量樁的受力變化規(guī)律[9]；孔綱強等對進行多次的溫度循環(huán)后能量樁的測試，得出樁體會產(chǎn)生熱應(yīng)變及側(cè)摩阻力，并得到多次冷熱循環(huán)下樁頂會產(chǎn)生累積沉降[10]；郭浩然等以Masing’s循環(huán)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)樁-土間荷載傳遞關(guān)系進行修改，得到了更適合能源樁與周圍土體之間荷載傳遞的關(guān)系，很好地解釋了能量樁在長期工作荷載和冷熱溫度荷載下產(chǎn)生累積沉降等的問題[11]；駱湘勤等建立了溫度影響下樁土間的荷載傳遞模型，并通過室內(nèi)試驗證實了其可行性，試驗表明：溫度升高會提高能源樁的極限承載力，其側(cè)摩阻力也會隨之增大[12]。本研究在前人的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)模型試驗的方法，通過在樁基中埋設(shè)應(yīng)變計、土壓力盒及溫度傳感器，對循環(huán)溫度場作用下能量樁的樁頂沉降、樁側(cè)阻力及端阻力的變化規(guī)律展開研究。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置及儀器

1.1.1試驗臺

試驗桶主要由底座、側(cè)壁板、鋼筋箍三部分構(gòu)成，底座由圓形木板做成，側(cè)壁板由亞克力板圍成，外側(cè)用鋼筋籠箍住。模型試驗桶內(nèi)側(cè)鋪上透明塑料布，防止內(nèi)部土體水分流失。試驗桶直徑為780 mm、高為1 100 mm。

1.1.2試驗儀器

測量樁體應(yīng)變主要為應(yīng)變片和數(shù)顯應(yīng)變采集儀，應(yīng)變片采用120-50AA免焊接應(yīng)變片，數(shù)顯應(yīng)變采集儀為江蘇東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)；測量土體溫度主要采用PT100鉑熱電阻溫度傳感器連接西安亞星溫度采集儀，在試驗中要考慮應(yīng)變片讀數(shù)的溫度效應(yīng)；樁端壓力采用電阻式微型土壓力盒測量，測量范圍為0～600 kPa；樁頂位移使用數(shù)顯式百分表測量，百分表最大量程為12.7 mm；試驗中水溫控制儀器為上海力辰科技有限公司生產(chǎn)的HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，使用功率為150 W的全自動自吸水泵進行水循環(huán)，循環(huán)水速為22 L/min。

1.2 試驗材料物理性質(zhì)

試驗所用土體取自于吉林省延吉市太平街以東延北街以北萬城公館項目，所取土為黃褐色的可塑黏土，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1 。

試驗用模型樁樁長為900 mm，直徑為107 mm，埋入土中800 mm；換熱管采用單U形304不銹鋼管，U形兩肢相距39 mm，管外徑為16 mm、管壁厚為1.5 mm；材料參數(shù)如表2所示。桶內(nèi)填土采用分層填筑，每層厚度不超過200 mm，每虛鋪一層夯實一層，填土?xí)r先在桶底部填筑100 mm土作為樁端土，并在樁端固定好土壓力盒。

表1 試驗用土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical indexes of test soil

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

1.3 測點布置

試驗中應(yīng)變片貼在樁頂、距樁頂1/4處、距樁頂1/2處、距樁頂3/4處以及樁底處兩側(cè)。土壓力盒固定在樁端模型槽正中位置，分層填筑樁周圍土體，在填筑過程中，在樁體左側(cè)將溫度傳感器分上、中、下三層布置在距離樁底54,161, 268 mm處，具體見圖1。

圖1 測點布置 mmFig.1 Arrangements of observation points

1.4 試驗工況

試驗?zāi)Ｐ筒贾煤煤?，先將水浴鍋水溫升至指定溫度，升溫過程約為30 min，待溫度穩(wěn)定后，通過自吸水泵抽取水浴鍋中的水流經(jīng)能量樁模型后流回水浴鍋，形成循環(huán)回路，達到指定溫度后維持該溫度24 h，然后將循環(huán)液體冷卻至5 ℃并維持5 h。試驗分五種工況進行，試驗過程中記錄不同溫度荷載下樁頂位移、樁身應(yīng)力以及土體溫度，具體試驗方案見表3。

表3 試驗方案Table 3 Test schemes

2 試驗結(jié)果分析

2.1 樁周土體溫度

分析選擇工況3中樁周土體的溫度變化，取能量樁1/2樁長處水平面及距離樁中心線2倍樁徑處豎直面溫度傳感器測得溫度繪制土體沿徑向和豎向深度方向的溫度隨時間的變化曲線，如圖2所示。

a—土中徑向; b—土中豎向。圖2 土中溫度-時間曲線Fig.2 The time history of temperature in soil adjoining piles

從圖2可以看出：由于通入熱水前，樁周土體溫度與室溫接近，故初始土溫為20 ℃左右，加熱過程中土體溫度隨時間增長都在升高，但靠近樁體的土體溫度上升最高，同時在降溫過程中，靠近樁側(cè)的溫度降低最快，而距離模型樁最遠(yuǎn)處土體溫度基本沒有變化，由于受室溫影響，土體溫度降至室溫附近基本保持穩(wěn)定。觀察土體溫度沿深度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：升溫過程中任意時刻土體豎直面上的溫度曲線呈現(xiàn)梭形；降溫過程如沙漏，這說明接近能量樁中間部位的土體溫度擴散速度快于樁上、下兩端。

2.2 樁頂位移變化

不同溫度下樁頂位移隨時間變化曲線見圖3，規(guī)定向上的位移為正，向下位移為負(fù)。

圖3 不同溫度下樁頂位移-時間曲線Fig.3 The time history of displacement for the pile top at different temperatures

從圖3可看出：在升溫階段樁頂位移逐漸增大，這是由于樁體受熱膨脹隆起，四種工況下樁頂累計位移分別為0.067 1，0.111 1，0.138 0，0.174 1 mm。24 h后對樁體進行制冷，樁體發(fā)生收縮，故樁頂位移逐漸下降，制冷結(jié)束后，4種工況下樁頂最終沉降位移分別為-0.042 9，-0.036 8，-0.034 5，-0.029 3 mm。此時樁頂在最初樁頂標(biāo)高以下，說明單次循環(huán)結(jié)束后樁體受冷收縮的變化要大于受熱膨脹的變化，且樁端黏土由于樁體膨脹產(chǎn)生變形，所以溫度循環(huán)過后，樁頂沉降位移為負(fù)，與文獻[7,13]結(jié)論相同。而在同一時刻溫度升高越多位移向上越大；雖然制冷時溫度驟降，但由于升溫導(dǎo)致的膨脹很大，所以最終制冷造成的收縮量隨溫度增長而遞減。

循環(huán)溫度作用下樁頂位移的變化情況以工況5為例進行說明，五次循環(huán)下樁頂位移變化見圖4，第一次循環(huán)結(jié)束后產(chǎn)生的附加沉降為-0.02 6 mm，之后每次附加沉降分別為0.002 52, 0.002 405,0.001 99,0.001 21 mm。

圖4 經(jīng)五次溫度循環(huán)的樁頂位移-時間曲線Fig.4 The time history of displacement for the pile top subjected to five temperature cycles

由圖4可看出:除第一次產(chǎn)生負(fù)的附加沉降以外，之后每次循環(huán)產(chǎn)生附加沉降均為正且隨循環(huán)次數(shù)增加，附加沉降逐漸減小，說明隨循環(huán)次數(shù)增加樁頂位移變化始終為向上膨脹，且這種膨脹是無法自行恢復(fù)的，在實際應(yīng)用中，能量樁可能會使用很多年，在北方地區(qū)四季冷熱交替，需要考慮能量樁在使用過程中，長期冷熱循環(huán)產(chǎn)生的累積沉降對上部建筑物的影響。

2.3 樁端土壓力變化

單次溫度循環(huán)樁端土壓力隨時間的變化見圖5，加熱結(jié)束后，工況1～4樁端土壓應(yīng)力分別為0.127 7,0.173 6,0.202 2,0.254 3 MPa；制冷結(jié)束后，4種工況下樁端土壓應(yīng)力分別為0.094 7,0.117 4,0.133 4,0.157 0 MPa。

圖5 單次溫度循環(huán)樁端土壓力-時間曲線Fig.5 The time history of earth pressure under pile bottoms subjected to single temperature cycling

整體上看，樁端壓應(yīng)力曲線隨時間增長逐漸升高，這是因為樁體受熱膨脹，樁端壓應(yīng)力隨之增大并逐漸趨于平衡，而在24 h之后，對樁體進行制冷，樁體收縮，故樁端壓力逐漸減小。由于40 ℃時，樁體本身膨脹收縮不明顯，因此樁端壓力變化很小。

以工況5為例，對多次溫度循環(huán)作用下樁端土壓力情況進行分析，土壓力的變化曲線見圖6，從中可以看出:隨循環(huán)次數(shù)的增加，樁端土壓力逐漸減小，每一次循環(huán)所導(dǎo)致的樁端土壓力增量也呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，不僅與樁側(cè)土的變化有關(guān)，也與樁端土性質(zhì)有關(guān)，土體隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加逐漸壓密。

圖6 多次溫度循環(huán)樁端土壓力-時間曲線Fig.6 The time history of earth pressure under pile bottoms subjected to temperature cycles

2.4 溫度荷載引起的樁身附加應(yīng)力

由于溫度荷載和土體的約束作用，樁體發(fā)生變形時在樁體內(nèi)部會產(chǎn)生軸向附加應(yīng)力。這種由于溫度荷載引起的樁身軸向應(yīng)力可由式(1)得出：

σT=Eε

(1)

式中:E為樁體彈性模量；ε為應(yīng)變。

試驗選取的應(yīng)力點分別為距樁頂L/4、L/2、3L/4處以及樁底四個位置，定義樁身產(chǎn)生的壓應(yīng)力為負(fù)，產(chǎn)生的拉應(yīng)力為正。

2.4.1單次溫度循環(huán)

圖7所示為在升溫結(jié)束時(第24小時)及制冷結(jié)束時(第29小時)樁身應(yīng)力隨埋置深度變化的曲線，曲線趨勢與Cartney得到結(jié)論[14]一致。從圖7可看出：在加熱過程中，樁體熱膨脹受到樁周及樁端土體的約束作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力在靠近樁中心偏下的位置最大，而樁頂壓應(yīng)力要小于樁端壓應(yīng)力，這可能是由于樁頂無約束可自由伸長的緣故；而在樁端有土體的約束，樁體的下部分由于不能自由膨脹，故產(chǎn)生的壓應(yīng)力較樁頂要稍大一些。同一深度處溫度越高產(chǎn)生的壓應(yīng)力越大；各種工況下最大壓應(yīng)力分別為0.516 6，0.602 4，0.688 2，0.774 0 MPa；制冷結(jié)束第29小時時的樁身應(yīng)變小于第24小時時的樁身應(yīng)變，最大壓應(yīng)力分別為0.371 3，0.412 1，0.452 8，0.493 5 MPa，此時雖然是制冷階段但顯示的仍然為壓應(yīng)力，考慮之前24 h樁體一直處于加熱狀態(tài)，由于熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力并未完全抵消的緣故。此時樁端土體對樁底無約束，樁體可視為自由變形，樁體內(nèi)產(chǎn)生防止其收縮的應(yīng)力，應(yīng)力沿深度先增大后減小，與加熱過程相同，也是在樁體下半部分應(yīng)力達到最大，制冷時溫差越大壓應(yīng)力減小越快。

a—第24小時時；b—第29小時時。40 ℃; 50 ℃；60 ℃; 70 ℃。圖7 第24、29小時時樁身附加應(yīng)力-深度曲線Fig.7 Variation curves of additional stress in pile shafts at the 24th and 29th hours

2.4.2多次溫度循環(huán)

圖8所示為五次循環(huán)溫度作用時的樁身應(yīng)力沿深度變化曲線，圖9為樁身應(yīng)力隨時間的變化曲線。

a—加熱結(jié)束時(第24小時)； b—制冷結(jié)束時(第29小時)。第一次循環(huán); 第二次循環(huán)； 第三次循環(huán); 第四次循環(huán)； 第五次循環(huán)。圖8 循環(huán)溫度作用下應(yīng)力-深度曲線Fig.8 Stress development curves in pile shafts subjected to cyclic temperature

由圖8可以看出：隨循環(huán)次數(shù)的增加，樁身由溫度升降引起的附加應(yīng)力逐漸增大，這是由于每次循環(huán)下樁身的應(yīng)力發(fā)生了累積，冷熱循環(huán)多次，樁身最大應(yīng)力位置均在距樁頂3L/4位置處，未發(fā)生改變。在加熱情況下，第三次循環(huán)開始，隨循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力變化值趨于穩(wěn)定，此時熱應(yīng)力累積逐漸減小甚至消失，在制冷時，從第二次溫度循環(huán)開始，樁體的拉應(yīng)力就基本維持不變，冷熱循環(huán)多次，樁身最大應(yīng)力位置在距樁頂3L/4位置處，基本沒變。

圖9 循環(huán)溫度作用下樁身應(yīng)力-時間曲線Fig.9 The Time history of compressive stress in pile shafts subjected to cyclic temperature

圖9中各時間點分別對應(yīng)每一次循環(huán)的升溫結(jié)束和降溫結(jié)束時間點，共五個循環(huán)。從圖9可知：隨循環(huán)次數(shù)增加，樁體壓應(yīng)力呈先增大后減小，并以此反復(fù)的趨勢，這是由于樁體反復(fù)脹縮引起壓應(yīng)力或拉應(yīng)力，而圖中未出現(xiàn)拉應(yīng)力則是因為制冷時間較短，產(chǎn)生的拉應(yīng)力還未將壓應(yīng)力完全抵消。

2.5 樁身側(cè)摩阻力變化規(guī)律

能量樁在冷熱循環(huán)過程中，樁體會發(fā)生熱脹冷縮，而周圍土體因?qū)δ芰繕兜募s束，樁體與土體之間會產(chǎn)生相對位移和側(cè)摩阻力，定義側(cè)摩阻力向上的為正，向下的為負(fù)。升溫結(jié)束第24小時時各工況下樁身側(cè)摩阻力沿深度的變化見圖10。

圖10 第24小時時樁身側(cè)摩阻力-深度曲線Fig.10 Curves of side frictional resistance along pile shafts at the 24th hour

從圖10可知：樁體受熱發(fā)生膨脹，樁體兩端分別向上和向下運動，樁體上半部分產(chǎn)生負(fù)的側(cè)摩阻力、樁體下半部分產(chǎn)生正的側(cè)摩阻力，在距樁頂3L/4位置偏下側(cè)摩阻力為零，即位移零點，而最大側(cè)摩阻力在距樁端L/2處產(chǎn)生。由制冷結(jié)束時(第29小時)樁身側(cè)摩阻力分布曲線(圖11)可知：降溫使樁體收縮，在下半部分產(chǎn)生負(fù)的側(cè)摩阻力，與升溫結(jié)束時一樣，最大側(cè)摩阻力點為距樁頂L/2處、中性點位置在距樁頂3L/4位置處。無論加熱還是制冷情況，樁端附近產(chǎn)生的側(cè)摩阻力數(shù)值均小于樁體上半部分側(cè)摩阻力數(shù)值，考慮是因為樁端土的約束作用使得樁土相對位移較小的緣故。

圖11 第29小時時樁身側(cè)摩阻力-深度曲線Fig.11 Curves of side frictional resistance along pile shafts at the 29th hour

多次溫度循環(huán)作用下樁身側(cè)摩阻力隨時間的變化以工況5為例，具體見圖12。

圖12 循環(huán)溫度作用下樁身側(cè)摩阻力-時間曲線Fig.12 The time history of lateral friction along pile shafts

從圖12可看出：樁身側(cè)摩阻力的變化趨勢與熱應(yīng)力曲線變化趨勢相同，側(cè)摩阻力中性點始終在距樁頂3L/4偏下位置，而隨循環(huán)次數(shù)的增加，不同深度處側(cè)摩阻力最大值逐漸增加，這是由于隨循環(huán)次數(shù)的增加，樁側(cè)土體產(chǎn)生壓密變形對樁體的約束作用增加的緣故。

3 結(jié)束語

樁周土溫度的傳播以換熱管為中心圓環(huán)形向外擴散，接近能量樁中間部位的土體溫度擴散速度快于樁上、下兩端；溫度升降在樁體內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，應(yīng)力沿樁身從樁頂?shù)綐抖顺尸F(xiàn)先增大后減小趨勢，最大值在靠近樁體下半部分；樁端壓應(yīng)力及側(cè)摩阻力隨溫度升高而逐漸增大趨勢，隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加，樁端最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，且溫度的變化會在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，在設(shè)計時要適當(dāng)考慮；樁頂位移隨溫度升高逐漸增大、隨溫度降低逐漸減小，每次溫度循環(huán)結(jié)束后，在樁頂會產(chǎn)生附加沉降，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮多次溫度循環(huán)引起的累積附加沉降，是否會影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。