循环温度荷载作用下地热桩基力学性能及桩-土相互作用研究

In the area of shallow geothermal energy exploitation, thermo-pile foundation is an innovative new technology with significant economic and environmental benefits. In-depth researches on it are important from both the theoretical and practical perspectives. However, the thermo-mechanical coupled responses and the mechanical behavior of thermo-pile foundation are not very clear at present. This project will carry out in-depth studies on the thermo-pile foundation using experimental, theoretical and numerical methods. First, a series of thermo-hydro-mechanical (THM) coupling elemental tests and pile-soil interface shear tests will be performed to study the cyclic non-isothermal deformation and temperature-induced stiffness/strength variations of the soil surrounding thermo piles, and to study the mechanical behavior of the pile-soil interface subjected to cyclic temperature loads. Then, a thermo-mechanical constitutive model for soil and a thermo-mechanical constitutive model for pile-soil interface will be developed based on a thermodynamic approach, which can be used to predict the THM coupling soil behavior and the pile-soil interface behavior. Using these two constitutive models, a finite element modelling program will also be developed and numerical case studies of thermo-pile foundations will be made in detail. The researches in this project will provide scientific basis and useful guidance for the design and construction of thermo-pile foundations.

地热桩基是目前国内外日益受到关注的浅层地温能利用新型技术，具有显著的社会经济和环保效益，对其的深入研究具有重要的理论意义和工程应用价值。然而，针对地热桩基温度-应力耦合作用机理和力学行为的研究成果还较少报道。本项目将通过试验、理论和数值模拟等手段，开展地热桩基的深入研究。首先，开展温度-渗流-应力（Thermo-Hydro-Mechanical (THM)）耦合室内试验和地热桩-土界面剪切试验，揭示粘性土在循环温度荷载作用下的应变和孔压响应及其刚度和强度的变化规律，研究循环温度荷载对桩-土界面剪切行为的影响。基于热力学理论，建立完善的土体温度-应力耦合本构模型和考虑温度影响的桩-土界面本构模型，开发地热桩基THM耦合有限元计算程序，模拟预测土体的THM耦合行为和桩-土界面力学行为，并结合地热桩基实际工程开展案例计算和分析。研究成果将丰富地热桩基的设计理论，为其工程应用提供科学依据。

本项目通过试验、理论和数值模拟等手段，对地热桩基力学性能和桩-的力学性能及桩-土相互作用开展入深入的研究。首先，开展了温度-应力（Thermo-Mechanical coupled）耦合室内单元试验和地热桩-土界面剪切试验，揭示了粘性土在循环温度荷载作用下的剪切行为及其刚度和强度的变化规律，研究了循环温度荷载对桩-土界面剪切行为的影响。试验结果表明，饱和粘土及桩-土界面剪切行为具有显著的非等温效应，温度及温度历史对粘土及桩-土界面剪切强度的影响依赖于应力状态、粘土超固结比和温度循环幅值及次数。对于桩-土界面，其非等温效应还依赖于非等温条件下界面处的水分运移以及粘土颗粒与混凝土表面的接触性质变化。结合上述试验研究，建立并完善了基于热力学理论的土体温度-应力耦合本构模型和考虑温度影响的桩-土界面本构模型，对土体的各种等温及非等温行为进行预测模拟。该模型基于非平衡态热力学理论，具有严谨的理论框架，可统一表征饱和土体的各种复杂力学行为和温度-应力耦合行为，并从理论上对上述饱和粘土及桩-土界面非等温效应提供物理机制的解释。其中，非等温条件下结合水向自由水的转化是引起土体不可逆温度-应力耦合行为的重要物理机制。同时，本项目开发了地热桩基THM耦合有限元计算程序，模拟预测了地热桩THM耦合行为，分析温度对其承载能力、沉降和桩-土相互作用等力学性能的影响，并结合地热桩基实际工程开展案例计算和分析。模拟分析表明，该有限元模型可较好地反映地热桩基工程中的复杂THM耦合响应。上述各方面研究成果对于丰富地热桩基的设计理论具有积极的意义，并为其工程应用提供了科学依据。