基于多功能CPTU的能源桩热力响应机理分析与设计方法研究

Geothermal energy pile developed from conventional ground heat exchangers represent an innovative technology , which contributes to reduce underground space covering and be economically installed. Owing to the good thermal properties of concrete the heat transfer in energy pile is significantly higher than in boreholes. However, the application of geothermal energy is severely hindered because the theoretical research of energy pile has lagged far behind in engineering applications. Based on the similarity of heat transfer CPTU and energy pile, by the physical model test, field test, in situ tests, theoretical deduction and numerical simulation the following studies will be accomplished: A calculation method of soil thermal physical parameter based on heat transfer CPTU will be proposed; The law of temperature change of pile-soil interface and variation of heat transfer between pile and surrounding soil will be studied, and the heat transfer mechanism of pile-soil interaction will be revealed; The thermal-mechanical coupling model of geothermal energy pile in layered soil will be built, and it will be used to research the effect of long-term heat exchange on the bearing capacity and deformation of pile foundation; Finally a design method of geothermal energy pile based on heat transfer CPTU will be built. It has important theory value and practical guiding significance to promote the geothermal energy pile technology and raise the level of building energy technology in our country.

能源桩是一种由传统地源热泵技术引伸而来的新型建筑节能技术，具有传热效果好、占地少、成本低等显著优点，但其理论研究却明显滞后于工程应用，严重制约了能源桩的推广应用。本项目基于热传导探头的孔压静力触探（CPTU）与能源桩工作性状的相似性，采用室内模型试验、现场试验、原位测试、理论和数值模拟相结合的方法，研究建立基于热传导多功能CPTU原位测试的土体热物性参数计算方法和分层方法；阐明层状地基中能源桩的桩-土界面温度变化规律和热传递变化规律，揭示能源桩桩-土传热相互作用机理；建立层状地基能源桩的热-力耦合模型，分析层状地基中能源桩长期热交换对桩基承载和变形性状的影响规律；总结建立基于热传导多功能CPTU的能源桩设计方法。研究成果对我国推广应用能源桩技术、提高建筑节能水平具有重要的理论和实践指导意义。

能源桩是一种由传统地源热泵技术引伸而来的新型建筑节能技术，具有传热效果好、占地少、成本低等显著优点，但其理论研究却明显滞后于工程应用，严重制约了能源桩的推广应用。本项目基于热传导的孔压静力触探（CPTU）与能源桩工作性状的相似性，采用室内试验、现场试验、原位测试、理论和数值模拟相结合的方法，开展如下主要研究内容：（1）基于多功能CPTU的土体热物性参数与物理力学参数的关系研究；（2）层状地层中能源桩的传热机理研究；（3）层状地基能源桩热-力耦合作用机理及长期力学性能研究；（4）基于多功能CPTU的能源桩设计方法研究。课题取得的重要研究成果如下：（1）自行研发了一种热传导多功能CPTU探头及配套的测试分析方法，基于线热源理论和热消散原理，提出基于热传导多功能CPTU的土层热物性参数测试理论与方法；（2）开展了层状地层能源管桩传热现场试验，揭示了能源桩热交换作用下的桩与周围土体温度变化规律与土层分布的关系；（3）建立了状地层能源桩长期传热数值分析模型，阐明了热负荷不均衡及热泵间歇运行模式对地温恢复的影响规律，建立了能源桩系统运行性能评估方法；（4）开展了不同地温条件下层状地层原位多功能CPTU测试，揭示地温变化对土体的原位力学和变形特性的影响规律；（5）开展能源桩桩-土界面剪切盒试验，揭示了桩-土接触面受温度影响后的剪切刚度、强度变化规律；（6）开展层状地层能源管桩现场热力耦合试验，建立能源层状地层热-力耦合分析模型，阐明热-力荷载作用下桩身内力及侧摩阻力分布规律，阐明管桩能源桩的承载变形特性与桩周土的作用规律；（7）建立了能源桩桩身受力简化分析模型与设计计算方法。研究成果对我国推广应用能源桩技术、提高建筑节能水平具有重要的理论和实践指导意义。