U型能量樁與混凝土樁抗震性能對比分析*

趙 敏，黃會杰，鄭永輝

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

能量樁技術(shù)，是基于樁基基礎(chǔ)和傳統(tǒng)地埋管地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展起來的，通過在樁基中埋設(shè)U型管或W型管，實現(xiàn)樁體與土體冷熱交換，獲取低溫位的地?zé)崮?，從而減少對傳統(tǒng)化石能源的消耗，既有實現(xiàn)潛層地?zé)崮芾錈峤粨Q功能,又有滿足支持上部建筑荷載功能。德國的法蘭克福主塔美茵塔、奧地利某康復(fù)中心與我國南京朗詩國際街區(qū)及世博園的世博軸都曾使用這一技術(shù)，但總體而言能量樁技術(shù)還處在前期研究階段且國內(nèi)外建筑實際應(yīng)用并不普遍。文獻(xiàn)[1]研究能量樁樁體位移在多次溫度循環(huán)下的影響，其結(jié)果顯示經(jīng)過每次冷熱循環(huán)后能量樁樁體發(fā)生沉降且隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加沉降不斷加大，制冷工作時荷載對樁頂產(chǎn)生影響更大。文獻(xiàn)[2]研究W型、螺旋型與U型等不同埋管形式下能量樁的熱力學(xué)特性，施加熱荷載時樁體埋設(shè)方式為W型的能量樁熱效應(yīng)最為突出，同時其水平方向的土壓力和能量樁樁端阻力變化最大，在施加冷荷載時樁體發(fā)生明顯沉降。文獻(xiàn)[3-5]進(jìn)行現(xiàn)場試驗，結(jié)果顯示施加不同溫度荷載引起的樁體熱脹冷縮直接影響樁土相對位移，使得能量樁的側(cè)阻力、負(fù)摩阻力和軸力分布等與常規(guī)樁有明顯區(qū)別，由于現(xiàn)場試驗條件較難以控制、復(fù)雜程度高和試驗代價較大等，許多學(xué)者采用模型試驗與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法研究能量樁的工作特性及影響因素。文獻(xiàn)[6]對PCC能量樁循環(huán)溫度作用下熱力學(xué)特性進(jìn)行模型試驗，研究得出能量樁的熱循環(huán)(夏季模式)比冷循環(huán)(冬季模式)情況下?lián)Q熱效率高，冷熱循環(huán)都將改變樁頂位移值且產(chǎn)生塑性變形。文獻(xiàn)[7]通過加熱響應(yīng)試驗研究能量樁的換熱性能，現(xiàn)場試驗表明：能量樁樁體較大時采用沿樁壁均勻鋪設(shè)U型換熱管，管長越長換熱效率越高。樁體在加熱過程中會引起樁身側(cè)摩阻力變化，溫度荷載導(dǎo)致部分側(cè)摩阻力發(fā)生反向。目前在工程實際應(yīng)用中怎樣才能使能量樁具有更高的換熱效率與能量樁在長期冷熱循環(huán)換熱過程中能否滿足樁基沉降要求一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。然而能量樁在地震荷載作用下是否滿足抗震要求，且對能量樁抗震性方面的研究當(dāng)前鮮有涉足。為此，本文以U型埋設(shè)方式能量樁為研究對象，對能量樁在樁土非熱交換情況(春秋季非工作狀態(tài))下的抗震性能進(jìn)行研究，采用ABAQUS軟件建立能量樁模型，分析普通混凝土樁與U型能量樁在El波、蘭州波和人工波作用下的抗震性能，以期在實際應(yīng)用過程中為能量樁設(shè)計提供參考。

1 工程背景

本模型以西安市某小區(qū)為工程背景，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，按設(shè)計地震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅱ類，本場地設(shè)計特征周期為0.35 s。場地內(nèi)基礎(chǔ)以下各土層的材料參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

模型選擇承臺為4 m×4 m×2 m，并假定能量樁與承臺一體，根據(jù)地質(zhì)勘察報告選取30 m長，樁徑600 mm，土體按10 m×10 m×50 m進(jìn)行建模，U型管長29 m，U型管管徑25 mm，徑距500 mm。

2 抗震性分析

2.1 黏彈性邊界可靠性分析

巖土工程數(shù)值模擬分析中，地應(yīng)力平衡過程是求解研究土體初始地應(yīng)力場的過程。地應(yīng)力平衡所求解出的初始地應(yīng)力場還原出土體的實際情況。J.H.Atkinson和G.Sallfors將地基土在動、靜荷載作用下土的應(yīng)變分為三類:≥10-2為大應(yīng)變；10-5～10-2為小應(yīng)變；≤10-5為極小應(yīng)變。

實際工程測試結(jié)果表明，建筑物基坑、基礎(chǔ)與隧道周圍土體應(yīng)控制在小應(yīng)變范圍內(nèi)(10-4～10-3)。圖1為地應(yīng)力平衡后的應(yīng)力，圖2為地應(yīng)力平衡后的位移，從中可以發(fā)現(xiàn)土體移動的數(shù)量級在10-4m級，相對整體模型小很多，土體不會發(fā)生較大變形，能夠滿足實際工程要求。

圖1 地應(yīng)力平衡后的應(yīng)力

圖2 地應(yīng)力平衡后的位移

在工程抗震設(shè)計中，常用的人工邊界有彈性邊界、無限元和黏彈性邊界等。黏彈性邊界可以模擬散射波向無限域的傳播和實現(xiàn)人工邊界處介質(zhì)的彈性恢復(fù)等特點(diǎn)，在人工邊界節(jié)點(diǎn)的法向和切向設(shè)置并聯(lián)彈簧和阻尼元件操作上更為便捷，因此采用該方法。并在進(jìn)行地震作用分析前，對此處黏彈性邊界進(jìn)行測試，確定其可靠性。

驗證等效節(jié)點(diǎn)荷載的模型尺寸為6 m×6 m×50 m，網(wǎng)格尺寸為1 m，介質(zhì)的彈性模量為24 MPa，泊松比為0.2，密度為1 000 kg·m-3。

(1)

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為質(zhì)量密度；Vs為土的壓縮波波速。壓縮波速度為163.3 m·s-1。單位脈沖壓縮波在模型底部垂直向上輸入，壓縮波的位移函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中：u(t)為位移；t為時間；f為頻率。入射壓縮波位移函數(shù)如圖3所示，黏彈性邊界和等效節(jié)點(diǎn)荷載圖如圖4～5所示，Z軸正方向為壓縮波入射方向。圖6為計算結(jié)果與理論對比，由波動理論可知，自由表面絕對位移的理論解為考慮行波效應(yīng)延遲后放大2倍的入射位移時程。采用壓縮位移波理論計算壓縮波到達(dá)模型頂部時的土體最大豎向位移。表明黏彈性邊界能夠較好的對土體的地震波響應(yīng)進(jìn)行模擬。

圖3 入射壓縮波

圖4 黏彈性邊界

圖5 等效節(jié)點(diǎn)荷載圖

圖6 計算結(jié)果與理論對比

2.2 地震響應(yīng)分析

土-結(jié)構(gòu)相互作用中的基巖地震動一般有3種選取方法：① 地震危險性生成工程場址法；② 地面地震動記錄反演法；③ 使用地面地震動法。

綜合考慮場地的設(shè)防烈度和震中距等因素，使用SHAKE91程序來反演基巖波，計算理想半無限空間的水平均勻成層土在豎向傳播的剪切波作用下的響應(yīng)。利用等效線性化方法對土體的非線性性質(zhì)進(jìn)行頻域分析。

對于重要和不規(guī)則的建筑物通常采用時程法進(jìn)行分析，應(yīng)按設(shè)計地震分組與建筑場地類別選用不低于兩組實際地震記錄和一條人工模擬的加速度時程曲線。選取2條實際地震動及1條人工合成地震動，選用的地震動加速度時程曲線如圖7所示。

圖7 地震波加速度時程曲線

地震作用下能量樁與普通樁地震響應(yīng)對比以El波為主進(jìn)行分析，僅從加速度、位移、剪力和軸力4個方面進(jìn)行具體分析。

2.2.1 對能量樁與普通樁地震作用下加速度時程分析

截取加速度時程進(jìn)行分析，其中包含了樁體承臺頂部和樁底加速度時程的最大和最小加速度，從圖8～9可看出,在相同地質(zhì)條件下，能量樁與普通樁的加速度是不一樣的。

圖8 能量樁加速度時程

由表2可看出，在El波地震荷載作用下，X、Y方向上承臺頂部和樁底處普通樁的加速度均大于能量樁的加速度，這是因為能量樁相較于普通混凝土樁自重減小的緣故。

表2 地震響應(yīng)加速度分析

圖9 普通樁加速度時程

2.2.2 能量樁與普通樁地震作用下位移分析

對能量樁和普通樁施加El波地震荷載，選取承臺頂部和樁底底部作為樁體相對位移的參考點(diǎn)，圖10和圖11是能量樁與普通樁的相對位移時程，可以看出El波地震荷載作用下能量樁與普通樁在相同地質(zhì)條件下X、Y方向的位移在時間約為5 s與7 s 時都有明顯的突變，并且在這兩點(diǎn)處位移值達(dá)到一定數(shù)值。在5 s時能量樁產(chǎn)生了最大的Y向負(fù)位移，其最大值約為0.057 453 2 m。同時普通樁產(chǎn)生了最大的X向負(fù)位移，其最大值為0.056 265 4 m。由此可以看出地震波對普通樁和能量樁的加強(qiáng)激勵一致。地震響應(yīng)位移分析見表3。

圖10 能量樁相對位移時程

圖11 普通樁相對位移時程

表3 地震響應(yīng)位移分析

由表3可知，在E1波作用下,X方向上普通樁承臺頂部和樁底之間最大相對位移為0.037 040 8 m，能量樁最大相對位移為0.034 731 2 m，相對于普通樁，能量樁的位移值在X方向上減少6.24%；在Y方向上普通樁承臺頂部和樁底之間最大相對位移為0.057 453 2 m，能量樁最大相對位移為0.056 265 4 m，相對于普通樁，能量樁的位移值在Y方向上減少2.07%；在Z方向上普通樁承臺頂部和樁底之間最大相對位移為0.002 155 9 m，能量樁最大相對位移為0.002 014 9 m，相對于普通樁，能量樁的位移值在Z方向減少6.54%；可見能量樁對普通樁而言有一定位移差，且能量樁在X方向和Y方向上的位移值均小于普通混凝土樁，與能量樁在X方向和Y方向上的加速度值均小于普通混凝土樁相一致，一般情況而言樁體破壞常常因為水平剪力過大導(dǎo)致，由此可以表明能量樁抗震性能優(yōu)于普通樁。

2.2.3 能量樁與普通樁地震作用下剪力分析

在地震中地震波會對樁基產(chǎn)生剪應(yīng)力，較大的剪應(yīng)力常常會導(dǎo)致樁基出現(xiàn)剪切彎曲變形，故此要分析樁的水平剪力，見表4。在X方向上能量樁承臺頂部的剪力比普通樁減小，能量樁樁底部的剪力比普通樁減小；在Y方向能量樁承臺頂部的剪力比普通樁減小，能量樁樁底部的剪力比普通樁增加。

表4 地震響應(yīng)剪力分析

2.2.4 能量樁與普通樁地震作用下軸力分析

在地震中地震波會對樁基產(chǎn)生軸應(yīng)力，較大的軸應(yīng)力常常會導(dǎo)致樁基出現(xiàn)較大沉降，故此要分析樁的軸力，見表5。普通樁承臺頂部的軸力比能量樁小，普通樁樁底最大軸力比能量樁大。普通樁樁底軸力大于能量樁樁底軸力是由于能量樁樁體里面放置U型導(dǎo)管而導(dǎo)致樁體自身重量減少原因。對同一根樁而言，能量樁和普通樁樁底軸力均大于承臺頂部軸力這是由于樁底承受了樁本身荷載。

表5 地震響應(yīng)軸力分析

3 結(jié) 論

采用El波、蘭州波以及人工波對在非熱交換條件下U型能量樁與普通混凝土樁的地震響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析，得到結(jié)論為

1) 在設(shè)防地震條件下，能量樁地震響應(yīng)后的位移相較于普通樁，在X方向上減小，在Y方向上減小，在Z方向上減小。

2) 能量樁承臺頂部、樁底部X方向上的加速度幅值相較于普通樁均減??；能量樁承臺頂部、樁底部Y方向上的加速度幅值相較于普通樁均減小。

3) 通過與普通樁的對比發(fā)現(xiàn)，能量樁的整體呈現(xiàn)出柔性特性，且抗震性能U型能量樁優(yōu)于普通混凝土樁，在春秋兩季即非熱交換條件下能量樁滿足抗震要求。

在冬夏兩季即能量樁實際工作過程中總會伴隨能量樁與土體之間的溫度交換，今后在能量樁地震過程中與溫度進(jìn)行耦合，進(jìn)一步模擬能量樁在工作時遇到地震的動力響應(yīng)，全面分析能量樁的抗震性能，以驗證能量樁的抗震性能。