黃土地基中能量樁熱力學特性及承載變形性狀模型試驗研究

收稿日期：2022-06-02

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃——一般項目

通信作者：李 慶（1996—），男，碩士，主要從事樁基方面的研究。2428840921@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0812 文章編號：0254-0096（2023）04-0539-08

摘 要：能量樁通過內(nèi)置循環(huán)管與周圍土體進行熱交換來開采淺層地熱能。通過室內(nèi)模型試驗，測試4個完整的冷熱循環(huán)過程中能量樁僅受溫度作用及熱-力耦合兩種工況下的樁身和樁側土體溫度、樁頂和樁側土表面沉降、樁頂荷載及樁身內(nèi)力，分析黃土地基中埋設單U形換熱管的能量樁熱力學及承載變形特性。試驗結果表明，對于每個冷熱循環(huán)過程，隨循環(huán)時間增加能量樁熱交換效率逐漸降低并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，黃土地基中能量樁樁身溫度隨深度增加逐漸減小。冷熱循環(huán)會使能量樁樁頂產(chǎn)生累積沉降，與僅受溫度作用工況相比，在熱-力耦合作用下能量樁樁頂累積沉降較大，樁側土表面沉降較小，而樁側土體受影響范圍則較大。對于兩種工況，冷熱循環(huán)穩(wěn)定后能量樁最大附加應力均出現(xiàn)在樁身中部，熱循環(huán)時樁身上部摩阻力為負，下部摩阻力為正，冷循環(huán)時則相反。

關鍵詞：地熱能；能量樁；黃土地基；模型試驗；冷熱循環(huán)；熱-力耦合

中圖分類號：TU473.1 文獻標志碼：A

0 引 言

能量樁技術將傳統(tǒng)樁基與地源熱泵技術相結合，通過內(nèi)置于樁體的熱交換管與周圍土體進行熱量交換，以此開采淺層地熱能。能量樁技術具有空間利用率高、經(jīng)濟綠色等諸多優(yōu)點，近年來逐漸成為建筑節(jié)能技術研究的熱點。

Rotta Loria等［1］通過數(shù)值模擬分析了飽和砂土中能量樁熱力學特性，發(fā)現(xiàn)能量樁受熱荷載作用時樁頂位移會不斷積累、樁身熱量會發(fā)生大量轉移。郝耀虎等［2］利用數(shù)值方法研究了樁端受不同約束條件時樁身內(nèi)力的變化特點，指出溫度循環(huán)時能量樁最大應力出現(xiàn)在樁身中部，熱循環(huán)時樁端約束對樁身應力分布的影響大于冷循環(huán)。Sutman等［3］基于現(xiàn)場試驗對比分析了樁頂約束的影響，發(fā)現(xiàn)能量樁的熱力行為高度依賴于樁頂及樁端的約束水平。郭易木等［4］通過原位試驗分析了預應力高強度混凝土能量樁的樁身受力特性，發(fā)現(xiàn)樁側土體的強度越大，對樁身約束越強，引起的樁身附加熱應力也越大。包小華等［5］基于室內(nèi)縮尺模型試驗研究了砂土中能量樁熱力學行為，試驗結果表明能量樁運行過程中樁身會產(chǎn)生差異應變。楊衛(wèi)波等［6］通過模型試驗發(fā)現(xiàn)熱荷載會引起樁、土溫度升高，從而造成樁身內(nèi)力及樁頂位移逐漸積累?？拙V強等［7］通過模型試驗發(fā)現(xiàn)多次溫度循環(huán)會造成樁體沉降積累。

上述分析表明，目前相關研究多側重于單次溫度循環(huán)時能量樁的熱力學特性分析，關于多次溫度循環(huán)時能量樁的相關研究仍較少。本文基于模型試驗研究黃土地基中能量樁受多次冷熱循環(huán)作用時樁身熱力學特性及承載變形性狀，分析溫度荷載對能量樁力學性狀的影響，得到一些規(guī)律性的認識，以期為能量樁技術在實際工程應用中起到有益的參考。

1 模型試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要由模型槽、加載及測量裝置、循環(huán)裝置三大部分組成，如圖1所示。模型槽尺寸為1500 mm（長）×800 mm（寬）×1800 mm（高）；樁頂荷載施加及測量分別采用RSC-5型液壓油缸及DYLY-104型軸力計；溫度測量采用精度0.15%的PT100-A型滾口傳感器，傳感器接EWP八回路數(shù)字顯示儀顯示溫度；循環(huán)動力設備采用流速穩(wěn)定的MP-10RZ微型水泵。

選用2個尺寸均為600 mm（長）×600 mm（寬）×800 mm（高），厚度為10 mm的玻璃水箱分別作為冷、熱循環(huán)時的恒溫水箱。水箱表面覆蓋20 mm厚的保溫棉，以減小水箱內(nèi)；循環(huán)液與周圍環(huán)境的熱量交換。熱循環(huán)時使用功率為2 kW的恒溫發(fā)熱棒加熱水箱中的循環(huán)液，溫度差值在±0.5 ℃之內(nèi)；冷循環(huán)則采用冰水混合的方法，即向水箱中加入冰塊降低循環(huán)液溫度，溫度誤差在±1 ℃之內(nèi)。本文試驗時采用自來水作為循環(huán)液，冷熱循環(huán)過程中循環(huán)液流量為1.4 L/min。

1.2 模型樁

模型樁為鋼筋混凝土樁，長1400 mm，樁身直徑81.6 mm。樁身混凝土質(zhì)量配合比為水∶水泥∶砂∶碎石=0.3∶1.1∶1.2∶2.0，樁身混凝土有關參數(shù)見表1。模型樁縱筋為4根長1380 mm、直徑6 mm的光圓鋼筋，箍筋直徑2 mm，間距150 mm。熱交換管采用U型不銹鋼管，用細鐵絲綁扎固定在縱筋上，U型管長1280 mm，管外徑10 mm，壁厚1 mm。

沿樁長每隔200 mm在樁身表面對稱位置粘貼BX120-20AA型電阻式應變片并用環(huán)氧樹脂保護，應變片基座尺寸為20 mm×3 mm，靈敏系數(shù)為2.08±1%，電阻值為（119.8±0.1） Ω。使用CML-1H-32型電子應變儀按1/4橋接橋方式來測讀樁身應變，取同一截面對稱位置兩片應變片讀數(shù)的平均值作為該位置樁身的應變。

1.3 地基土

樁側土為960 mm厚的黃土，取自陜西藍田某場地，其基本物理性質(zhì)見表2。原狀黃土晾曬粉碎后過孔徑為2 mm的篩，以減小過大土顆粒粒徑對樁土界面的影響。晾曬粉碎后重塑黃土含水率約為5%，c、φ值分別為53.6 kPa、23.5°。

樁端進入厚640 mm的砂土持力層240 mm，砂土界限粒徑d10、d30、d60分別為0.145、0.370、0.920 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.345，曲率系數(shù)Cc=1.026，砂土最大、最小干密度分別1800、1690 kg/m3，相對密實度為0.56。

1.4 試驗過程

模型槽填土時樁底砂土持力層、樁側黃土均采用砂雨法分層填筑，分層厚度200 mm，每層填筑完成后采用振動機振密至相應密度。持力層砂土填筑密度為1750 kg/m3，黃土填筑密度約為1450 kg/m3。持力層填筑完成后固定模型樁至相應位置，而后填筑厚度為3D（D為樁身直徑）的砂土，最后分層填筑厚度為960 mm的重塑黃土。樁側土填筑過程中按圖1所示埋設溫度傳感器。

單樁豎向抗壓載荷試驗結束后開展能量樁僅受溫度荷載影響的冷熱循環(huán)試驗。按前述方法將樁土埋入模型槽后靜置，待樁土自重沉降穩(wěn)定后分別在能量樁樁頂、距樁身0.37D、0.74D、D、2D、2.5D處的樁側土表面布置百分表，監(jiān)測試驗過程中樁、土沉降。開展受熱-力耦合作用下能量樁模型試驗時，仍按前述方法將樁土埋入模型槽并靜置，待樁土自重沉降穩(wěn)定后，在樁頂分級施加豎向下壓荷載至5 kN并維持不變，隨后進行能量樁冷熱循環(huán)。

冷熱循環(huán)時水箱內(nèi)循環(huán)液的溫度分別為4、35 ℃，按圖3所示順序開展冷熱循環(huán)。每個熱循環(huán)進行5 h，間隔10 h后

進行4 h的冷循環(huán)，冷循環(huán)結束后間隔8 h繼續(xù)進行下一個熱循環(huán)。一個熱循環(huán)和隨后的一個冷循環(huán)組成一次冷熱循環(huán)，兩種工況下能量樁均進行4次冷熱循環(huán)。

實際地層是半無限大的，一定深度以下土體溫度處于恒定狀態(tài)，恒溫帶以下的土壤溫度隨深度的增加而增大。西安地區(qū)地表以下約7 m為恒溫層，土層溫度基本維持在約17 ℃［9］。開展模型試驗時，地基土土溫度始終維持在約23.1 ℃，因此能較好地模擬恒溫工況能量樁熱力學特性。

2 試驗結果及其分析

2.1 樁、土溫度

圖4為僅受冷熱循環(huán)時能量樁樁身及樁側土溫度的變化曲線。由于水泵與能量樁換熱管進口之間相連的PVC軟管在冷熱循環(huán)過程會與周圍環(huán)境發(fā)生熱量交換，使得能量樁換熱管進口處溫度與恒溫水箱內(nèi)循環(huán)液之間存在溫差。冷熱循環(huán)穩(wěn)定后進口溫度分別約為12、33 ℃。

由圖4a可看出，冷熱循環(huán)過程中不同測點處樁身溫度均逐漸趨近于進口溫度，且循環(huán)次數(shù)對樁身溫度變化量影響不大。黃土層中樁身溫度（T3、T4、T5）均隨深度的增加而減小，砂土層樁身溫度（T6）與黃土層未呈線性變化，如第3次熱循環(huán)結束時溫度T3、T4、T5、T6分別為32.08、31.14、30.84、30.44 ℃，與T3相比T4、T5、T6分別減小了2.93%、3.87%、5.11%，這是由于樁身平均溫度自上而下逐漸衰減，使得樁體較深處溫度變化率低于較淺處。第3次冷循環(huán)結束時樁身溫度T3、T4、T5、T6分別為13.20、12.67、12.31、13.34 ℃，與T3相比T4、T5分別減小了4.02%、6.74%，T6增大了1.06%，這是因為砂土導熱率較大［10］，因此冷熱循環(huán)時砂土層樁身溫度變化率小于黃土層，冷循環(huán)時砂土層樁身溫度略高于黃土層。

從圖4b可看出，第3次熱循環(huán)穩(wěn)定后T3（32.08 ℃）、T7（24.23 ℃）、T9（22.94 ℃）、T11（22.94 ℃）較初始溫度分別增大了38.63%、9.10%、2.22%、0.66%。第3次冷循環(huán)穩(wěn)定后T3（13.2 ℃）、T7（21.26 ℃）、T9（23.24 ℃）、T11（23.43 ℃）較初始溫度分別減小48.11%、10.56%、1.48%、-0.60%，顯然T11受冷熱循環(huán)影響最小，因此可確定黃土層中樁身溫度的徑向影響范圍約為3D。

對比黃土層中樁土溫度曲線發(fā)現(xiàn)，冷熱循環(huán)時較淺處（距土面2D）樁土溫度變化大于較深（距土面10D）處，如第3次熱循環(huán)穩(wěn)定時溫度T3、T7、T9分別比T5（30.84 ℃）、T8（24.12 ℃）、T10（22.27 ℃）高出4.02%、0.46%、2.92%。第3次冷循環(huán)穩(wěn)定時溫度T3、T7、T9均分別比T5（12.31 ℃）、T8（21.16 ℃）、T10（22.82 ℃）處高出7.22%、0.47%、1.84%，這是由于能量樁運行過程中土體與室溫之間的溫度差使得淺層土體熱量釋放較完全，最終導致溫度循環(huán)過程中較淺層（2D）樁土溫度高于較深（10D）處。

2.2 熱交換效率

單位長度樁長在單位時間內(nèi)與地基土之間交換的熱量即為能量樁的熱交換效率q，可按式（1）、式（2）計算，即：

[q=Q/H]" （1）

[Q=v"cp（Tout-Tin）]"""""" （2）

式中：q——每延米能量樁熱交換效率，W/m；Q——能量樁換熱功率，W；H——樁身有效入土深度，m；v——管內(nèi)循環(huán)液流速，kg/s；[cp]——循環(huán)液比熱容，4.2×103 J/（kg·℃）；Tout、Tin——能量樁出口、進口溫度為進出口處循環(huán)液溫差，℃。圖5為冷熱循環(huán)過程中能量樁的熱交換效率曲線。

冷熱循環(huán)過程中能量樁熱交換效率會逐漸減低至穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5第3次熱循環(huán)初始最大換熱效率約為48 W/m，結束時熱交換效率降至約21 W/m；冷循環(huán)初始熱交換效率約為29 W/m，結束時平均熱交換效率降至約19 W/m。這是由于冷熱循環(huán)初期，樁土溫差較大，而冷熱循環(huán)后期，樁土溫差逐漸減小并趨于穩(wěn)定，因此熱交換效率也逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)［11］，這與由爽等［12］原位試驗、楊衛(wèi)波等［6］模型試驗得出的規(guī)律一致。

2.3 樁頂沉降

圖6為冷熱循環(huán)過程中能量樁樁頂沉降累積曲線，本文規(guī)定樁頂位移向上為正、向下為負。

從圖6可看出，能量樁僅受溫度作用時，各次冷熱循環(huán)結束后樁頂均會產(chǎn)生累積沉降。1～4次熱循環(huán)結束時，樁頂積累沉降分別為0.109、0.150、0.094、0.105 mm；1～4次冷循環(huán)結束時樁頂積累沉降分別為-0.140、-0.160、-0.172、-0.181 mm，第2～4次冷循環(huán)結束時，樁頂積累沉降較第1次分別增大了14.29%、22.86%、29.29%。4次冷熱循環(huán)結束后（第108 h）樁頂產(chǎn)生了-0.123 mm（0.15%D）積累沉降。整體上而言，4 ℃冷循環(huán)引起的樁頂累積沉降大于35 ℃熱循環(huán)，因此工程中更需要考慮冷循環(huán)對能量樁積累沉降的影響。

圖6表明有、無工作荷載時樁頂沉降變化規(guī)律相同，熱-力耦合作用時能量樁樁頂沉降大于僅受溫度作用，如4次冷循環(huán)結束后樁頂沉降積累值分別為-0.232、-0.255、-0.277、

-0.287 mm，分別為僅受溫度荷載工況的1.65、1.60、1.61、1.59倍，這是由于受熱-力耦合作用時能量樁樁頂受到荷載作用的約束。另外，樁頂荷載的存在有效減小了熱循環(huán)引起的樁頂向上位移，但卻增大了冷循環(huán)引起的樁頂沉降。

2.4 樁側土表面沉降

圖7給出了無、有工作荷載兩種工況4次冷熱循環(huán)過程中樁側土面沉降累積曲線，循環(huán)過程中兩種工況的樁側土面均呈周期性的膨脹、收縮，累積沉降隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，各次循環(huán)結束后沉降均無法恢復至初始狀態(tài)。

能量樁僅受溫度荷載作用時，第1次循環(huán)結束后于距樁側2D、2.5D處各加裝一個百分表監(jiān)測較遠位置土面沉降。由圖7a可看出，第4次冷循環(huán)結束時（第100小時）距樁側0.37D、0.74D、D處土面的累積沉降分別為0.022、0.082、0 mm，0.74D處土面的累積沉降大于0.37D處，這是由于距樁身越近，樁土界面抗剪強度越高受溫度場影響越小。第4次熱循環(huán)結束時（第108小時）0.37D、0.74D、D土面累積沉降值分別為0.033、0.093、0% mm，較第4次冷循環(huán)結束時（第100小時）繼續(xù)增大了50%、13.41%、0，這是由于溫度在土體傳遞過程中的“滯后效應”使得各次循環(huán)結束后土體內(nèi)的熱量傳遞不會立即結束，會在土體內(nèi)繼續(xù)傳遞。而2D處土面的沉降規(guī)律不同于其他測點，第2次冷循環(huán)結束時呈現(xiàn)負沉降，第4次循環(huán)結束時產(chǎn)生了-0.039 mm沉降積累，這是由于受溫度場的影響土顆粒重新排布緊密，造成土體發(fā)生沉降。2.5D處的土面沉降較小，循環(huán)結束后僅產(chǎn)生0.024 mm的累積沉降，第3、4次冷熱循環(huán)基本未產(chǎn)生沉降，這是因為距溫度場中心距離越遠，土體受擾動程度越低。

圖7b表明能量樁受熱-力耦合作用時，樁側土面累積沉降量隨樁側距的增加而減小，如距樁側0.74D、D、2D、2.5D、3D處土面，冷熱循環(huán)結束后累積沉降分別為0.118、0.076、0.069、0.042、0.028 mm。由于0.37D處土面距樁側較近，土體抗剪強度較高，因此在第2次冷循環(huán)結束時沉降已達到穩(wěn)定狀態(tài)，最終累積沉降為-0.062 mm。

對比上述兩種工況循環(huán)結束后距樁側0.37D、0.74D、D處土面的積累沉降發(fā)現(xiàn)，能量樁受熱-力耦合作用時距樁身0.37D、0.74D、D處土面沉降量分別為受溫度荷載的1.88、1.27、0倍，可看出工作荷載同樣會對樁側土面積累沉降產(chǎn)生影響。

2.5 樁頂荷載變化

實際工程應用中，樁身受溫度場影響而產(chǎn)生軸向的膨脹、收縮會對建筑物上部結構的整體性和穩(wěn)定性造成影響，模型試驗采用反力梁加載法同樣在一定程度上限制了樁頂?shù)淖杂缮炜s，因此工作荷載施加穩(wěn)定后，可由力值顯示器觀測到冷、熱循環(huán)時樁頂荷載變化過程。為保證各次循環(huán)樁頂荷載基本穩(wěn)定，每次循環(huán)結束后重新調(diào)整樁頂荷載至工作荷載狀態(tài)。圖8為能量樁受熱-力耦合作用時4次冷熱循環(huán)樁頂荷載曲線。由圖8可看出，加熱過程中樁頂荷載隨能量樁進口溫度的升高而增大，制冷過程中隨進口溫度的降低而減小。1～4次熱循環(huán)穩(wěn)定后樁頂荷載最大值分別為5.310、5.245、5.333、5.291 kN，較工作荷載分別增大了6.20%、4.90%、6.67%、5.82%。冷循環(huán)過程中樁頂荷載逐漸恢復至工作荷載狀態(tài)后繼續(xù)減小，1～4次冷循環(huán)穩(wěn)定后樁頂荷載最小值分別為4.540、4.520、4.530、4.524 kN，較工作荷載分別減小了9.60%、9.60%、9.40%、9.52%。因此工程應用需要考慮冷熱循環(huán)引起的樁頂附加荷載。

2.6 樁身內(nèi)力變化

2.6.1 樁身應變、應力

冷熱循環(huán)過程中樁體會產(chǎn)生膨脹、收縮，而樁側土體及樁頂力學荷載的約束使得實測應變值小于自由熱應變，因此冷熱循環(huán)過程中會產(chǎn)生附加熱應變?；诖?，Amatya等［13］給出了能量樁附加熱應變及熱致軸力計算方法，具體如式（3）～式（5）所示：

[εR-Str=εT-Free-εT-Obs]"""""" （3）

[εT，F(xiàn)ree=αcΔT] （4）

[PT=-EεT-Free-εT-Obs]""" （5）

式中：[εT-Obs、εT-Free、εR-Str]——樁身軸向的觀測應變、自由熱應變、熱應變（約束應變）；[αC]——模型樁熱膨脹系數(shù)；ΔT——樁身溫度變化值；[E、PT]——樁體彈性模量、熱致軸力。

假定樁體靜置狀態(tài)時各位置初始應變值均為0，樁身受熱膨脹應變?yōu)檎?，遇冷收縮應變?yōu)樨撝?。圖9為循環(huán)穩(wěn)定后樁身不同位置4次自由熱應變[εT-Free]及觀測應變[εT-Obs]沿深度分布規(guī)律，圖中陰影部分為[εT-Free]與[εT-Obs]差值，即樁身附加熱應變。

對比圖9冷熱循環(huán)過程中樁身應變分布發(fā)現(xiàn)，樁身自由熱應變與觀測應變呈正相關，即自由熱應變越大，觀測應變值越高。熱循環(huán)時樁身觀測應變值沿深度呈先增大后減小趨勢，且均在樁身中部位置（Z/L=0.57）處取最大值。冷循環(huán)時樁身上部（Z/L＜0.57）觀測應變值總體相差不大，而下部值明顯小于上部。對比4次循環(huán)樁端應變觀測值發(fā)現(xiàn)，冷熱循環(huán)階段樁端處（Z/L=0.86）觀測應變值均略大于上方相鄰測點（Z/L=0.71），這是由于樁端砂土密度大于黃土，樁側土約束越大觀測應變也越大。

2.6.2 樁側摩阻力

由于樁、土膨脹系數(shù)不同，導致冷熱循環(huán)過程中樁、土會產(chǎn)生相對沉降，從而造成樁側摩阻力的變化。規(guī)定溫度循環(huán)過程中能量樁樁側摩阻力向上為正值，向下為負值，式（6）為溫度荷載作用下樁側摩阻力計算公式：

[fs=σT，j-σT，j-1D/4Δl]"""""" （6）

式中：[Δl]——兩相鄰應變片間距；j——樁身各截面。

圖11為能量樁受熱-力耦合作用時冷熱循環(huán)穩(wěn)定后樁身摩阻力曲線。可看出，熱循環(huán)穩(wěn)定后上部樁身（Z/L＜0.43）摩阻力為負值，下部（Z/L＞0.43）為正值，這是因為熱循環(huán)階段樁體受熱向兩端膨脹，上部樁身會受到樁周土體向下約束力，下部樁身會受到土體向上的約束力，而制冷階段則相反，樁側摩阻力上部為正值，下部為負值。由圖11可看出，冷循環(huán)時樁端位置摩阻力總體相差不大，這是因為受溫度場的影響，冷循環(huán)初期樁身截面便收縮至穩(wěn)定狀態(tài)，樁、土間約束逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結 論

基于室內(nèi)模型試驗分析黃土地基中能量樁熱力學特性及承載變形性狀，可得到以下主要結論：

1）冷熱循環(huán)穩(wěn)定后樁身溫度隨深度逐漸減小至穩(wěn)定狀態(tài)，黃土層中較淺處（深度2D）樁身溫度變化率，比較深處（深度10D）約減小5.11%，比砂土層（深度14D）約增大1.06%。溫度場徑向影響范圍約為3D。樁土熱交換效率會逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2）冷熱循環(huán)結束后樁頂及樁側土表面均會產(chǎn)生累積沉降，且均無法恢復至初始狀態(tài)。僅在溫度作用下，第4次循環(huán)結束后樁頂最終產(chǎn)生0.15%D的沉降累積。受熱-力耦合作用下樁頂累積沉降約為僅受冷熱循環(huán)工況的1.61倍。

3）冷熱循環(huán)過程中樁頂荷載隨循環(huán)次數(shù)呈周期性規(guī)律變化，每次循環(huán)結束后均會產(chǎn)生累積荷載。自然恢復結束后樁頂荷載不能恢復至初始值。熱循環(huán)結束后樁頂荷載較工作荷載平均增大了5.90%，冷循環(huán)則減小了9.53%。

4）冷熱循環(huán)穩(wěn)定后樁身熱致軸力最大值均在樁身中部位置，分別為1.37、1.12 kN。熱循環(huán)時樁身上部摩阻力為負，下部為正，冷循環(huán)則相反。

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MODEL TEST ON THERMO-MECHANICAL CHARACTERISTICS AND BEARING DEFORMATION BEHAVIOR OF ENERGY PILE IN

LOESS FOUNDATION

Cao Weiping，Li Qing，Li Qingyuan

（School of Civil Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China）

Abstract：Energy piles utilize shallow geothermal energy by exchanging heat with surrounding soils through built-in circulating pipe. Model tests were conducted to investigate the behavior of energy pile embedded in loess soils during 4 entire heating-cooling cycles under two conditions， i.e.， the energy pile only experienced heating-cooling cycles and the energy pile experienced loading throughout the heating-cooling cycles. The variation of the temperature of the pile and surrounding soils， the settlement of the soil surface and the pile as well as the pile head load and its internal force were recorded. Furthermore， the load-bearing deformation characteristics and thermo-mechanical characteristics of energy pile with single U-shaped heat exchanger were analyzed. The test results indicated that the pile heat transfer efficiency gradually decreases to a stable state with the development of cycling. The temperature in the energy pile shaft in loess soils decreases with the depth and the cooling-heating cycles will cause accumulation of settlement of the pile. Compared with the energy pile only experiencing heating-cooling cycles， the energy pile experiencing loading throughout the heating-cooling cycles will result in a greater accumulative settlement of pile and a smaller settlement in soil surface as well as a greater range of soils influenced surrounding the pile. For the two above conditions， the maximum superimposed stress will occur near the middle of the pile shaft after the cooling-heating cycles are stable. Heating process will induce negative， positive skin friction on the upper and lower pile shaft， respectively. While cooling process will cause opposite skin friction on the upper and lower pile shaft.

Keywords：geothermal energy； energy pile； loess foundation； model test； cooling-heating cycles； thermo-mechanical coupling