饱和砂土地基相变桩的热力学特性试验研究及数值模拟.pdf

饱和砂土地基相变桩的热力学特性试验研究及数值模拟 摘要 能源桩是一种近年来新型的桩基，它通过将换热管和普通桩体相结合来达到使用地 热能满足建筑物自身供暖制冷需求平衡的目的。相较于传统桩基，能源桩除了要承受上 部荷载、连接建筑物与支撑土体之外，还需要承担对建筑物进行能源供应的功能。因此， 分析能源桩在热载作用下的力学特性尤为重要。本文基于相似性原理，通过大尺寸模型 试验对能源桩的力学特性进行了较为系统的分析，并使用有限元软件对模型试验进行了 数值模拟，主要的工作内容与研究成果如下： (1) 对国内外能源桩研究的方式方法进行总结归类，探讨能源桩技术现存的问题。 (2) 对换热管与能源桩的传热、桩体内部的传热以及能源桩与周围土体之间的热交 换理论进行了阐述和分析。 (3) 建立模型试验，将直径为0.2 m ，长度为1.5 m 的大尺寸预制模型混凝土桩埋入 装有饱和砂土的钢板箱中，钢板箱尺寸为2.45 m ×2.45 m ×2 m （长×宽×高），研究了 长期循环温度荷载下能源桩的力学特性，结果显示：① 能源桩在循环温度荷载下会产 生温度变化，这种温度变化会给桩周土体带来一定的温度累积；② 沿桩身深度方向及 桩体内部同一平面内都存在着不均匀的应力应变分布；③ 桩体在温度循环过程中会产 生位移的变化，在温度循环结束后会产生不可恢复的塑性位移。④ 能源桩在循环温度 荷载作用下不仅会产生桩体的力学特性变化，同时会影响桩周土体的土压和孔压变化。 (4) 使用ABAQUS 有限元分析软件对能源桩模型试验进行建模，将数值模拟结果与 模型试验结果进行比对，验证数值模型的正确性。利用已经验证的数值模型进行相同温 度荷载下普通桩和相变桩的力学特性分析，并对能源桩在不同温度梯度工况下的力学特 性进行了分析；结果显示，① 相变材料的加入能够在一定程度上减小能源桩在温度荷 载下的热响应，在相同的温度荷载工况下相变桩相较于普通桩的温度、应力、膨胀量以 及桩周土压力变化都有一定的减小。② 较高的温度梯度虽然能使能源桩的换热率得到 一定的提高，但是同时也会加大能源桩所受热载，从而使得能源桩力学特性产生更大的 变化。 I 饱和砂土地基相变桩的热力学特性试验研究及数值模拟 关键词：大尺寸模型试验，相变能源桩，不均匀热应变，数值模拟 II Experimental study and numerical simulation of thermodynamic properties of phase-change piles in saturated sand Abstract Energy pile is a new type of pile foundation in recent years. It combines the heat exchange tube with the ordinary pile body to achieve the purpose of using the geothermal energy to meet the buildings own heating and cooling demand balance. Compared with the traditional pile foundation, the energy pile needs to bear the function of supplying energy to the building in addition to the upper load, connecting the building and supporting the soil. Therefore, the analysis of the mechanical properties of energy piles is particul