埋深條件下含承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)換熱效率及熱力響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

陳 玉，孔綱強(qiáng),2，孟永東，王樂(lè)華，劉紅程

(1. 三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002；2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

0 引 言

淺層地溫能是一種豐富、清潔且可靠的可再生能源，能量樁將傳統(tǒng)地源熱泵所需的換熱管直接設(shè)置在樁基礎(chǔ)中，可有效地獲取并利用淺層地溫能源，達(dá)到為建筑物供暖或制冷的目的[1]。與傳統(tǒng)的地源熱泵技術(shù)相比，能量樁技術(shù)具有節(jié)省費(fèi)用、傳熱性能好及節(jié)省用地面積等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，并逐漸應(yīng)用于路面或橋梁的除冰融雪中[4-5]。能量樁在運(yùn)行期間不僅要承擔(dān)上部建筑物的荷載，還要與周圍土體交換熱量，其熱力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。針對(duì)單根能量樁的換熱效率及熱力響應(yīng)特性，相關(guān)研究人員開(kāi)展了一系列研究。通過(guò)控制間歇冷卻或加熱作用下能量樁熱性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知，能量樁可以提供足夠的熱交換能力，能量樁的運(yùn)行對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的影響可以忽略[6-7]。Chen等[8]對(duì)能量樁在加熱及冷卻期間的性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在加熱60 h后，能量樁對(duì)周圍土壤的溫度影響范圍為距離樁中心約0.5 m區(qū)域?？紤]溫度循環(huán)和上部建筑結(jié)構(gòu)荷載的聯(lián)合作用，桂樹(shù)強(qiáng)等[9]、路宏偉等[10]實(shí)測(cè)了不同荷載等級(jí)下能量樁的樁身溫度、應(yīng)力分布及樁頂位移變化規(guī)律，探討了熱致應(yīng)力及熱致位移等影響規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，費(fèi)康等[11]建立了熱-力耦合作用下能量樁承載力的簡(jiǎn)化理論計(jì)算方法。這些研究對(duì)了解能量樁的換熱性能及熱致應(yīng)力特性具有重要的意義。針對(duì)含承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)，Ren等[12]依托微型鋼管樁形成的能量樁研究了間歇循環(huán)的加熱及制冷作用下的熱力響應(yīng)特性，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，能量樁換熱效率隨著循環(huán)加熱或制冷次數(shù)的增加而略有降低。劉漢龍等[13]、Fang等[14-15]、李任融等[16]對(duì)含承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)分別開(kāi)展模擬加熱或制冷工況下的熱力響應(yīng)特性試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了承臺(tái)及能量樁的熱力響應(yīng)特性，結(jié)果表明，能量樁運(yùn)行將對(duì)承臺(tái)、鄰近樁產(chǎn)生一定的影響。

綜上可知，既有含承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)的研究中，承臺(tái)都是位于地表，尚未考慮承臺(tái)上部覆蓋回填土?xí)r的情況，既有埋深條件下含承臺(tái)能量樁的換熱效率及熱力響應(yīng)測(cè)試研究相對(duì)不足。因此，本文基于2×2低承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)，開(kāi)展3 m埋深條件和夏季運(yùn)行模式下能量樁的熱力響應(yīng)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)能量樁及承臺(tái)的熱力響應(yīng)特性，并探討有/無(wú)基礎(chǔ)埋深對(duì)換熱效率及熱力響應(yīng)特性的影響規(guī)律，以期為低承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1 依托工程背景

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依托三峽大學(xué)水科學(xué)與工程樓樁基工程，位于湖北省宜昌市。水科學(xué)與工程樓包括主樓、副樓及架空層；主樓為地上15層、地下1層，副樓為地上5層、地下1層，架空層為地上3層(圖1)。建筑樁基為鉆孔灌注樁，在鉆孔灌注樁鋼筋籠內(nèi)綁扎換熱管形成能量樁，低承臺(tái)-能量樁系統(tǒng)布置于建筑物后方的空白場(chǎng)地內(nèi)，現(xiàn)為大樓的停車場(chǎng)地。選取一個(gè)低承臺(tái)2×2群樁作為研究對(duì)象，能量樁樁長(zhǎng)L為18 m，樁頂以下0～4.5 m范圍內(nèi)樁徑為1.0 m，樁頂以下4.5～18.0 m范圍內(nèi)樁徑為0.8 m；正方形布置，樁間距為3.8 m，承臺(tái)尺寸為5.2 m(長(zhǎng))×5.2 m(寬)×1.2 m(高)，承臺(tái)頂部埋深3.0 m，樁身及承臺(tái)混凝土等級(jí)為C40。

1.2 換熱管及傳感器布設(shè)

換熱管、振弦式應(yīng)變計(jì)/溫度計(jì)傳感器均綁扎在鋼筋籠上，周圍澆筑混凝土。應(yīng)變計(jì)/溫度計(jì)采用JTM-V5000B型振弦式應(yīng)變計(jì)/溫度計(jì)。能量樁采用雙U型埋管形式，換熱管為外徑25 mm、壁厚2 mm的PE管，能量樁換熱管及傳感器布設(shè)實(shí)物如圖2所示。沿樁深方向每間隔3 m在A樁和C樁中對(duì)稱布置6組軸向傳感器，其中首組傳感器分別距A樁樁頂3 m，距C樁樁頂2 m。在A樁底部，對(duì)稱布置2個(gè)土壓力盒，同時(shí)在承臺(tái)中布置2層水平傳感器，其底層儀器距承臺(tái)底部15 cm，頂層儀器距承臺(tái)頂部25 cm，具體布置如圖3所示。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)土性參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)土層為回填土，主要為黏土質(zhì)砂和砂巖層。黏土質(zhì)砂層中礫石以上顆粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%～15%，且礫石含量隨深度增加而增加，在約14.0 m深度處出現(xiàn)了薄卵石層，在約17.5 m深度為砂巖層，適合作為樁基的持力層；樁基嵌入砂巖層約0.5 m。地下水位為地表以下4.0 m，樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)無(wú)地下水滲流。具體的土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。基于KD2-Pro熱導(dǎo)率儀，測(cè)得樁周土體的熱物性參數(shù)，樁深度范圍內(nèi)的土層平均熱導(dǎo)率約為1.70 W·(m·K)-1。

對(duì)能量樁通入常溫水進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，然后根據(jù)樁體布設(shè)的傳感器讀取得到的具體數(shù)值獲得現(xiàn)場(chǎng)含基礎(chǔ)土層的初始溫度。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)四季的土層溫度沿樁深方向變化曲線如圖4所示[14]。由圖4可知：受地表大氣溫度的影響，近地表層土體隨季節(jié)變化呈現(xiàn)一定的差異；土層溫度隨著樁深增加而逐漸趨于穩(wěn)定，在樁深12.0 m處的土層溫度約為21.7 ℃。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土層基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and Mechanical Properties of In-situ Layered Soils

1.4 試驗(yàn)過(guò)程與工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)M能量樁夏季運(yùn)行模式，借助溫控開(kāi)關(guān)控制加熱棒的啟停，以保證保溫水箱中水的溫度恒為35.0 ℃；用循環(huán)水泵以恒定的循環(huán)流速0.5 m3·h-1導(dǎo)入A樁，將熱量釋放到樁周巖土體，流經(jīng)樁體降溫后的水再次返回到保溫水箱中循環(huán)流動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)間自2020年10月28日至11月5日，共192 h。通過(guò)安裝在換熱管進(jìn)/出口處的溫度計(jì)和能量樁內(nèi)部的振弦式應(yīng)力計(jì)/溫度計(jì)，測(cè)試3.0 m埋深條件下低承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)的進(jìn)/出口水溫、樁體溫度及應(yīng)變數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與無(wú)埋深條件低承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)(上部荷載約440 kN)[14]的換熱效率及熱力響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

2 能量樁熱力響應(yīng)特性分析

2.1 換熱效率分析

35.0 ℃持續(xù)加熱192 h后A樁的進(jìn)/出口水溫及試驗(yàn)期間大氣溫度如圖5(a)所示。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間受晝夜溫差變化及整體試驗(yàn)設(shè)備的保溫措施等因素影響，監(jiān)測(cè)得到的各項(xiàng)溫度均存在輕微波動(dòng)。試驗(yàn)期間環(huán)境溫度基本維持在21 ℃左右，存在些許波動(dòng)，但對(duì)試驗(yàn)影響有限。由于受最初的加熱影響，進(jìn)水溫度經(jīng)歷了快速的上升；后由于溫度控制器對(duì)水箱溫度的控制，進(jìn)而控制了加熱棒的啟停，進(jìn)水溫度最終恒定在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的35 ℃。出水溫度保持著和進(jìn)水溫度相似的變化規(guī)律，并同時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。進(jìn)/出口溫度差最大可達(dá)5.4 ℃，在進(jìn)/出口溫度穩(wěn)定后，二者間的平均溫度差為4.7 ℃。

運(yùn)行期間換熱液流速穩(wěn)定在0.5 m3·h-1左右，其換熱效率Q由式(1)計(jì)算可得。

Q=ΔTvρC

(1)

式中：ΔT為能量樁換熱液進(jìn)/出口溫度差；v為換熱液的流速，本文試驗(yàn)為0.5 m3·h-1；ρ為換熱液的質(zhì)量密度，取1×103kg·m-3；C為換熱液的比熱容，取4.2×103J·(kg·℃)-1。

有/無(wú)埋深條件下低承臺(tái)2×2能量樁基礎(chǔ)中單根能量樁的換熱效率結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，由于受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境的干擾，在加熱約96 h后有/無(wú)埋深條件下?lián)Q熱效率均呈穩(wěn)定的波動(dòng)變化。本文試驗(yàn)條件下穩(wěn)定階段的換熱效率值約為2.65 kW，在相同的試驗(yàn)地層條件下，較Fang等[14]在無(wú)埋深條件下的換熱效率值1.57 kW提升了約69%。這主要是由于無(wú)埋深條件下，上層樁體與大氣的熱交換更為明顯，極易受環(huán)境的影響，也更容易出現(xiàn)熱的散失；相較之下，上覆3 m埋深的土體存在一定的持熱能力，可以減少這部分的熱損失，進(jìn)而呈現(xiàn)出比無(wú)埋深條件下更大的換熱效率。

2.2 樁身熱致應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)192 h的加熱后，A樁樁身溫度沿樁深的變化規(guī)律曲線如圖6所示。樁身各部位的溫度均出現(xiàn)了一定的提高，但各部位的溫度升幅卻并不均勻，其中樁身中部的溫度升幅最大，樁底最小，整體的溫度升幅沿樁身先增大后減小?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間正處于秋季，樁周土壤溫度沿深度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此相較于樁頂，中部更易達(dá)到較大的溫度升幅。能量樁在靠近樁端有0.5 m的樁身處于砂巖層，樁端的熱量消散速率較樁身其他部位大，因此樁底產(chǎn)生了最小的溫度升幅。Fang等[14]在進(jìn)行試驗(yàn)(2018年3月23日至4月1日)時(shí)是處于春季時(shí)期，沿深度方向土壤溫度逐漸上升至穩(wěn)定，與本文試驗(yàn)時(shí)的土壤溫度發(fā)展趨勢(shì)相反，因而在樁頂處更易達(dá)到較大的溫度升幅。在本文和文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)過(guò)程中，樁身中部及樁端產(chǎn)生了相似的溫度升幅。

在樁體溫度升高的同時(shí)，樁體也隨之發(fā)生熱膨脹變形，由于受到樁側(cè)摩阻力及樁端約束作用，實(shí)際測(cè)量得到的樁身軸向變形小于無(wú)約束情況下自由膨脹的變形。樁身約束應(yīng)力為限制樁體變形產(chǎn)生的應(yīng)力，受熱膨脹時(shí)，軸向約束應(yīng)力σa為壓力，假定為負(fù)值，其計(jì)算公式為

σa=E(εFree-εObs)

(2)

式中：E為混凝土的彈性模量，樁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)取值32.5 GPa；εObs為實(shí)際觀測(cè)的應(yīng)變值；εFree為試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)約束條件下的樁身應(yīng)變值。

由于試驗(yàn)過(guò)程中未改變樁頂荷載等條件，因此只需考慮自由熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)變，εFree計(jì)算公式為

εFree=αΔT

(3)

式中：α為混凝土的熱膨脹系數(shù)，取1×10-5℃-1。

豎向應(yīng)變、約束應(yīng)力沿樁深方向的分布規(guī)律曲線如圖7所示，其中，埋設(shè)在A樁中樁深12 m及15 m處的傳感器出現(xiàn)故障，無(wú)法測(cè)得這2個(gè)位置處的約束應(yīng)變。由圖7可知，約束應(yīng)力在有/無(wú)埋深條件下沿樁深的分布規(guī)律都同自由應(yīng)變沿樁深方向的分布規(guī)律類似。考慮到自由應(yīng)變直接與樁身的溫度升幅ΔT相關(guān)，因此約束應(yīng)力也與溫度升幅ΔT存在著一定的關(guān)系。對(duì)于能量樁在3 m埋深條件下的運(yùn)行情況，樁身中部的溫度差最大，其對(duì)應(yīng)的樁身約束應(yīng)力也最大。在樁頂處，其約束主要來(lái)源于低承臺(tái)結(jié)構(gòu)及上部回填土；在樁身中部，樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步對(duì)樁體形成約束；在樁底，其處于巖土層，受到的熱擾動(dòng)影響較小，約束應(yīng)力也較其他部位要小。

在無(wú)埋深條件下進(jìn)行同工況試驗(yàn)時(shí)，樁頂?shù)臏囟炔畲笥跇渡碇胁浚@兩處的約束應(yīng)力相當(dāng)，反映出樁身不同部位受到的約束大小會(huì)對(duì)約束應(yīng)力產(chǎn)生影響。將有/無(wú)埋深條件下的約束應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比可知，樁頂處的約束應(yīng)力在無(wú)埋深條件下遠(yuǎn)大于上覆3 m埋深土體，這主要是由于當(dāng)承臺(tái)上部無(wú)埋深時(shí)，樁頂雖然也有約440 kN的塔吊荷載及低承臺(tái)結(jié)構(gòu)的約束，但樁身上層土壤受環(huán)境溫度的影響較為明顯，受到的熱干擾影響較大，因此產(chǎn)生了較大的約束應(yīng)力；在埋深條件下，承臺(tái)上部有約3.0 m的回填土覆蓋，土壤具有一定的持熱能力，抵消了部分熱干擾的影響，進(jìn)而減小了部分約束應(yīng)力。樁身中部由于受到了樁側(cè)摩阻力的約束，因此有埋深條件下的約束應(yīng)力略微小于無(wú)埋深條件的。樁底受巖土層約束及較小的熱干擾影響，使得樁底的約束應(yīng)力在有/無(wú)埋深條件下均對(duì)應(yīng)最小。

能量樁約束應(yīng)力與溫度升幅的關(guān)系如圖8所示，其中，Δσ3 m，Δσ6 m，Δσ9 m，Δσ18m分別為樁深3，6，9，18 m的約束應(yīng)力。由圖8可知，約束應(yīng)力σ與溫度升幅ΔT之間存在線性關(guān)系。由于本文試驗(yàn)過(guò)程中約束應(yīng)力僅由溫度變化產(chǎn)生，因此當(dāng)溫度升幅為0 ℃時(shí)相應(yīng)的約束應(yīng)力也將為0，對(duì)應(yīng)的擬合直線經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，擬合直線的斜率越大，約束越強(qiáng)。

《樁基地?zé)崮芾眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 438—2018)給出了單根能量樁熱致應(yīng)力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，即

σ=EαΔT

(4)

式中：E取32.5 GPa；α取1×10-5℃-1。

由式(4)可知，約束應(yīng)力與樁身溫度升幅的擬合直線斜率存在著上限，即由于溫升產(chǎn)生的熱膨脹變形被完全約束，對(duì)應(yīng)于本文擬合曲線斜率的上限值為0.325。樁頂由于低承臺(tái)及上覆回填土的限制作用，斜率值最大，所受的約束也最大，對(duì)應(yīng)的約束應(yīng)力占完全約束的74.2%，樁側(cè)阻力提供的約束比頂部荷載要小。隨著樁身長(zhǎng)度的增加，低承臺(tái)及上覆回填土對(duì)樁身的影響作用減弱，樁側(cè)阻力的約束作用增加，樁身中部6.0 m與9.0 m處的斜率值相當(dāng)；由于巖土層約束及較小的熱干擾，樁端對(duì)應(yīng)的斜率值也最小，僅為0.060 1，為完全約束的18.5%。有/無(wú)埋深條件下樁身熱致應(yīng)力最大值分別出現(xiàn)在樁身中部和樁頂，為1.66 MPa和2.14 MPa，分別為完全約束應(yīng)力的85.0%及74.2%。

不同樁深處軸向約束應(yīng)力與完全約束應(yīng)力的比值分布如圖9所示。本文試驗(yàn)條件與李任融等[16]及Bourne-Webb等[17]的試驗(yàn)條件接近：李任融等[16]試驗(yàn)樁為樁筏結(jié)構(gòu)中的能量樁，上部荷載為約3 500 kN的8層建筑物荷載，其樁頂約束力為完全約束應(yīng)力的44.3%；Bourne-Webb等[17]在樁頂施加了1 200 kN的荷載作用，樁頂約束應(yīng)力占完全約束應(yīng)力的96.7%。約束應(yīng)力關(guān)于溫度升幅的斜率最大值均出現(xiàn)在樁頂附近，這也與本文的試驗(yàn)結(jié)果較為接近。Fang等[14]在無(wú)埋深條件下的試驗(yàn)結(jié)果則與桂樹(shù)強(qiáng)等[9]及Laloui等[18]的試驗(yàn)樁1(樁頂無(wú)建筑物荷載的試驗(yàn))結(jié)果較為接近，斜率最大值均出現(xiàn)在樁身中部。桂樹(shù)強(qiáng)等[9]由于未設(shè)置筏板，樁頂約束僅占完全約束的21.0%，樁身中部這一比值增加到53.7%。Laloui等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在樁頂無(wú)荷載條件下，樁身中部約束應(yīng)力出現(xiàn)了最大值，占完全約束的35.6%。Fang等[14]雖然也設(shè)置了低承臺(tái)結(jié)構(gòu)，且承臺(tái)上部設(shè)置有約440 kN的塔吊結(jié)構(gòu)荷載，但其上部未有回填土覆蓋，能量樁上部土壤受環(huán)境溫度影響較為明顯，且在能量樁運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱消耗，進(jìn)而減小了樁側(cè)阻力的約束，導(dǎo)致最大約束應(yīng)力出現(xiàn)在樁身中部。上述約束分布現(xiàn)象與Amatya等[19]提出的建筑荷載-溫度聯(lián)合作用下，能量樁約束應(yīng)變分布的簡(jiǎn)化模型較為接近。該簡(jiǎn)化模型表明：樁頂無(wú)約束時(shí)，樁身中部處約束應(yīng)變較大；樁頂存在約束時(shí)，約束應(yīng)變最大值位于樁頂附近[19]。因此，樁頂荷載對(duì)樁身約束應(yīng)力分布有一定的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

2.3 樁端土壓力分析

試驗(yàn)運(yùn)行192 h所對(duì)應(yīng)的A樁樁端土壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著能量樁的運(yùn)行，樁端土壓力呈現(xiàn)出先增加后減小至穩(wěn)定的趨勢(shì)，其最大值約為20 kPa，出現(xiàn)在加熱24 h后。這一趨勢(shì)與能量樁進(jìn)/出口的溫度差變化趨勢(shì)一致。能量樁運(yùn)行時(shí)加熱階段對(duì)應(yīng)于樁端土壓力的增加，在溫度穩(wěn)定時(shí)樁端土壓力出現(xiàn)一定的下降并最終趨于穩(wěn)定。

圖11為樁端土壓力變化值ΔP與進(jìn)/出口溫度差的關(guān)系曲線。由圖11可知，樁端土壓力變化值與進(jìn)/出口溫度差呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于能量樁在夏季工況運(yùn)行期間，樁身受到溫度上升的影響產(chǎn)生一定的熱膨脹變形，引起樁端土壓力的上升；在正常穩(wěn)定運(yùn)行期間，由于熱損失及樁身溫度是進(jìn)/出口溫度的均值，進(jìn)/出口溫度差較加熱階段有一定的降低，導(dǎo)致樁端土壓力的下降并最終趨于穩(wěn)定。

3 承臺(tái)熱力響應(yīng)結(jié)果與分析

能量樁在加熱192 h后，承臺(tái)頂部及底部各測(cè)點(diǎn)的溫度升幅及約束應(yīng)力的變化情況如圖12所示。由圖12(a)可知，能量樁在加熱工況下，承臺(tái)產(chǎn)生了一定的溫度增加，約為3.6 ℃，這一溫度升幅小于無(wú)埋深條件下的11.0 ℃，這是由于無(wú)埋深條件下承臺(tái)上部直接與大氣環(huán)境進(jìn)行了部分熱量交換，受環(huán)境的影響較大，因此出現(xiàn)了較大的溫度升幅。承臺(tái)中部及非加熱樁對(duì)應(yīng)對(duì)角承臺(tái)部位溫度升幅相對(duì)較小，僅0.2 ℃，說(shuō)明能量樁短期的運(yùn)行熱量傳遞及影響范圍有限，對(duì)角樁幾乎不產(chǎn)生熱致影響。由于上覆回填土的影響，承臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂層和底層的溫度升幅差異不大，體現(xiàn)出土體具有一定的持熱能力。

3 m埋深條件下的約束應(yīng)力小于無(wú)埋深條件下承臺(tái)的約束應(yīng)力，這是由于無(wú)埋深條件下未覆蓋回填土，直接“裸露”于大氣環(huán)境中，熱干擾影響產(chǎn)生了較大的約束；3 m埋深條件下能量樁運(yùn)行時(shí)，承臺(tái)產(chǎn)生了0.65 MPa的約束應(yīng)力，承臺(tái)中部及對(duì)角樁的約束應(yīng)力分別為0.13 MPa及0.04 MPa，說(shuō)明能量樁的運(yùn)行導(dǎo)致承臺(tái)出現(xiàn)了細(xì)微的差異變形。無(wú)埋深條件下的試驗(yàn)工況下，這種不平衡傾斜現(xiàn)象更明顯，能量樁運(yùn)行部位對(duì)應(yīng)的承臺(tái)約束應(yīng)力約為2.34 MPa，大于承臺(tái)中部的1.15 MPa及非運(yùn)行能量樁對(duì)應(yīng)承臺(tái)部位的1.04 MPa。因此，在低承臺(tái)能量樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意能量樁在夏季運(yùn)行模式下出現(xiàn)的承臺(tái)壓應(yīng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)含承臺(tái)的能量樁基礎(chǔ)在3 m埋深條件下?lián)Q熱效率穩(wěn)定階段約為2.65 kW，較相同試驗(yàn)工況無(wú)埋深條件下的換熱效率1.57 kW提升了約69%，體現(xiàn)了上覆回填土具有一定的持熱能力。

(2)有/無(wú)埋深條件下樁身熱致應(yīng)力最大值分別出現(xiàn)在樁身中部和樁頂，為1.66 MPa和2.14 MPa，分別為完全約束應(yīng)力的85.0%及74.2%。

(3)樁端土壓力隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行先增大后下降至穩(wěn)定值，與進(jìn)/出口溫度差變化趨勢(shì)相近，二者間存在一定的相關(guān)性。加熱24 h后，樁端土壓力最大值約為20 kPa。

(4)有/無(wú)埋深條件下承臺(tái)在加熱工況均出現(xiàn)了細(xì)微的差異變形，在設(shè)計(jì)承臺(tái)能量樁結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)予以一定的考慮；有/無(wú)埋深條件下承臺(tái)最大熱致應(yīng)力值分別為0.65 MPa和2.34 MPa，對(duì)應(yīng)的最大溫度升幅分別為3.6 ℃和11.0 ℃。