摩擦型能源桩荷载–温度现场联合测试与承载性状分析

能源桩集地源热泵技术与建筑桩基于一体,桩基承载性状受荷载–温度耦合作用而不同于常规工程桩。开展了昆山某摩擦型能源桩工程的荷载–温度现场联合测试,测试了多级荷载水平与不同换热工况下桩身的温度、应力分布及桩顶位移变化,整理得到桩身的附加温度荷载、桩身轴力及桩侧摩阻力分布曲线,分析了摩擦型能源桩荷载–温度作用下的承载性状与荷载传递特征。测试结果表明:能源桩的温度变化将引起附加温度荷载,桩身轴力和附加温度荷载分布特征和桩顶荷载作用、桩端约束有关,承载性状不同于单一荷载作用下的工程桩。加热工况引起桩身上、中部多处出现负摩阻力,但荷载的增加有利于减小升温引起的负摩阻力效应;制冷工况下,桩端附近产生负摩阻力,能源桩荷载传递特征受荷载–温度耦合作用而改变。设计荷载作用下,能源桩顶加热时隆起而制冷时下沉,加热工况引起的桩顶位移在停止加热回温后可基本恢复,但制冷工况引起的桩顶位移在回温后会导致桩顶产生附加沉降,荷载–温度耦合作用也引起了能源桩沉降性状的变化。

摩擦型能源桩热–力耦合全过程承载性能分析

集地源热泵换热管路与建筑桩基为一体的能源桩长度越长,换热性能越好,但其热–力耦合承载性能却愈加复杂且少有关注。利用简化热–力耦合数值方法建立昆山某40m长摩擦型能源桩的数值模型,研究其全过程荷载–温度耦合作用下的荷载传递特征与桩顶位移变化。分析表明摩擦型能源桩在荷载–受热/受冷耦合作用下,桩顶荷载小于50%极限荷载P_u,即荷载水平较低(≤50%P_u)时,桩身轴力、桩侧摩阻力和桩顶沉降明显受温度变化的影响,桩身轴力变化最大达到3.1倍(25%P_u)和1.6倍(50%P_u),桩顶沉降变化幅度达到了66%(25%P_u)和25%(50%P_u)以上;当桩顶荷载水平较高(>75%P_u)时,桩顶荷载对能源桩荷载传递特征起主导作用,受冷/受热作用下的温度变化引起的桩身轴力和桩侧摩阻力变化幅度逐渐减小,但受冷工况下桩顶沉降却会有明显增加,桩顶沉降的变化使其已不适合继续作为能源桩使用。因此,工程桩基作为能源桩使用应控制荷载小于75%P_u,且应关注热–力耦合效应对承载性能的影响。