荷载与冷热循环温度耦合作用下能源桩桩-土界面热-力学特性研究

Compared to traditional pile foundations, Energy piles will carry not only vertical load but also the thermal effect due to cyclic asymmetrical heating and cooling loading. Thermal cycles can cause distinct change of stress and additional deformation which will lead to lower safety and comfortability of buildings. Numerical simulation and model test are employed to study the behavior of friction-type energy piles under the coupling effect of loading and thermal cycling in this research proposal. The variation of temperature distribution due to thermal cycling inside the pile, at the interface of pile-soil will be investigated. The development and dissipation of pore water pressure due to thermal cycling will be revealed. The relationship between the normal stress and shear stress on the pile-soil interface will be discussed with the consideration the pore water pressure in the soil. Then the relative displacement between the pile shaft and the surrounding soils will be analyzed. A three-dimensional model based on modified Modjoin model will be established. The stresses and strains in the pile and surrounding soils will be investigated considering the factors such as the material of the pile, pressure on the pile tip, the type of heat exchange tubes, the fluid temperature and characteristics of the surrounding soils. Then, a computational method for the bearing capacity and long-term settlement of energy pile foundation will be proposed. The research is helpful to improve the accuracy of the calculation of the bearing capacity of the friction energy pile, and to promote the application of energy pile in engineering.

能源桩与传统桩基础相比，除了承受上部建筑传来的荷载外，还要承受由于建筑采暖和制冷的不同季节要求带来的非对称冷热循环作用。温度循环会导致能源桩应力场变化和附加变形，影响能源桩和建筑结构的安全性和适用性。本项目拟通过温控直剪试验、模型试验和数值模拟，研究摩擦型能源桩在桩顶荷载和非对称冷热循环耦合作用下桩-土孔压增长和消散规律，明晰界面正应力和剪应力的分布规律和变化机理以及桩-土界面剪切位移的渐进增长模式。建立考虑温度循环效应的桩-土界面剪切模型—改进Modjoin模型。并分析桩顶荷载、排水条件和温度循环条件等对桩身轴力、桩顶和桩端位移、桩-土界面摩阻力、桩侧土压力、孔隙水压力等影响特性。明晰摩擦型能源桩失稳破坏机理，确定摩擦型能源桩基础承载力和长期沉降计算方法。该研究有助于提升摩擦型能源桩承载变形计算的准确性，推动能源桩在工程中的应用推广。

十四五能源规划编制中大力倡导可改善大气土壤等环境污染的清洁化及可再生能源的发展和利用。能源桩利用浅层地热能四季温度较为稳定的特点，向其中提取或释放热量以用于采暖或制冷，在世界各国受到越来越多的重视。我国幅员辽阔，南北方气候条件差异很大，采暖和制冷所需热量不同，能源桩受的其实是非对称冷热循环作用。本项目拟依托我国东部沿海地区（地下水位较高，主要为饱和软土）的工程地质状况，研究摩擦型能源桩的桩-土界面在非对称冷热循环作用下的界面性状，理清界面应力应变变化机理以及桩-土接触面剪切位移的渐进增长模式，明确能源桩基础失稳破坏机理，提出能源桩基础承载力和长期沉降计算方法及设计准则。通过直剪试验、模型试验和有限元模拟等研究方法，明确了荷载和冷热循环耦合作用下摩擦型能量桩的桩-土界面应力场和位移场变化机理，建立了考虑温度影响的摩擦型能量桩的桩-土界面摩阻力和桩土相对位移关系本构模型，具体结果如下：随着混凝土-高岭土界面温度的升高，界面的抗剪强度会高逐渐增大，摩擦角呈线性增大，粘聚力呈现先增大后减小趋势；随着界面温度循环次数的增加，界面的抗剪强度、摩擦角和粘聚力逐渐减小；随着温度循环温度差的增大，桩-土界面的抗剪强度、摩擦角和粘聚力逐渐减小；温度变化引起的混凝土试块热膨胀、高岭土样热固结和界面水膜动力粘度系数变化，导致了界面的粘聚力和摩擦角发生变化。根据摩擦角和粘聚力随温度的变化规律，建立了考虑温度影响的桩-土界面修正摩尔库伦模型；随着温度的变化，桩体不同深度处的桩侧摩阻力会发生相应的改变，结合模型试验数据，项目给出了不同深度处的λ值用于估算各处的桩侧摩阻力。通过该项目的研究，得到如下科学意义：建立了温度影响下的修正摩尔库伦模型，明确了温度对桩-土界面相互作用的影响机理；提出了温度影响下的桩基侧摩阻力计算公式，为桩基极限承载力和长期沉降的计算提供理论依据。