能量桩研究现状与发展动态分析

石雨恒　付长郓　钱建

摘要：能量桩是一种将地源热泵技术和传统桩基相结合的新型桩基。与传统桩基不同，能量桩工作时需同时承担上部建筑荷载和桩体温度变化的影响。目前，国内外学者对于桩体温度变化对能量桩工作特性影响的研究主要集中在温度对能量桩承载特性的影响和对桩土接触面力学特性的影响两个方面。在前人研究的基础上对能量桩的研究现状进行综合阐述，并提出能量桩的未来研究方向。

Abstract： The energy pile is a new type of pile foundation which combines ground source heat pump technology with traditional pile foundation. Different from the traditional pile foundation， the energy pile needs to bear the influence of the upper building load and the temperature change of the pile body at the same time when it works. At present， domestic and foreign scholars' research on the influence of temperature change on the working characteristics of the energy pile mainly focuses on the influence of temperature on the bearing characteristics of the energy pile and the mechanical characteristics of pile-soil interface. On the basis of previous studies， this paper comprehensively expounds the research status of energy piles， and puts forward the future research direction of energy piles.

关键词：能量桩;温度变化;承载特性;桩土接触面

Key words： energy pile;temperature change;bearing characteristic;pile-soil interface

中图分类号：TU473.1                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0137-02

0  引言

随着人类社会的发展，人们对建筑功能多样化的绿色节能建筑的需求越来越高，绿色能源逐步走上舞台，地热能便是其中之一。为了有效利用浅层地热能，地源热泵技术应运而生。但是，地源热泵技术将换热管直接埋置于地下，施工工期长、成本高，而且极大使用地下空间。为了能够有效地利用浅层地热能和避免传统地源热泵技术的缺点，国内外学者们将换热管埋置于传统桩基内，使得桩体能够同时承担上部建筑荷载和作为换热管的载体。能量桩相较于传统桩基具有很大优势，不仅施工工期短、成本低，换热效率高，而且很大程度上节约了地下空间的使用。因此，近年来学者们对能量桩进行了较深入的研究，在桩体温度变化对能量桩工作特性影响方面获得了很多研究成果。

1  温度对能量桩承载特性的影响

1.1 桩身应力

桩体升温和降温时会发生膨胀和收缩变形，这种变形会受到桩顶、桩侧和桩端的约束作用，桩体内部随之产生温度附加应力。桂树强等[1]通过能量桩现场试验发现，桩体内部附加温度应力大约为100-300kPa/℃。Cecinato等[2]对能量桩运行过程中温度变化的研究表明，能量桩工作时桩体温度可提高25-30℃。由此可见，能量桩内部的附加温度应力可以达到兆帕量级。Bourne-Webb等[3]在伦敦进行的能量桩热力学特性试验研究表面，桩体附加温度应力的大小和分布与桩体约束条件密切相关，两端自由时的桩身轴力如图1所示。

1.2 桩侧摩阻力

桩体温度变化对能量桩的桩侧摩阻力也有明显的影响。孔纲强等[4]通过能量桩室内模型槽试验发现，桩体升温导致桩侧上部产生负摩阻力，下部产生正摩阻力，桩体降温情况相反。Stewart等[5]开展了端承型能量桩的离心机试验，结果表明升温使桩体完全向上变形，桩侧均为负摩阻力。Amatya等[6]对桩侧摩阻力的分析具有类似的结果，如图2所示。

1.3 桩顶沉降

桩体升温会使得桩顶向上隆起，降溫会引起桩顶附加沉降。所以，在满足桩基承载力的前提下，还需要控制桩顶沉降以使建筑物沉降控制在合理范围内。国内外学者们也纷纷开展了对能量桩桩顶沉降的研究。Ng等[7]开展了能量桩离心机试验，研究发现多次温度循环后桩顶产生了明显的附加沉降。Cesar Pasten等[8]提出了一种能够考虑温度影响的荷载传递法，通过此法对有桩顶荷载作用的能量桩进行计算研究，发现长期温度循环会引起桩体的塑性变形，使桩顶处产生累积沉降，其值与温度循环周数有关。

1.4 極限承载力

现有研究表明，温度变化对能量桩极限承载力的影响与地基土的类别有关。Wang等[9]通过室内模型试验发现砂土地基中的能量桩极限承载力基本不受温度变化影响。Rosenberg[10]通过研究粉土地基中能量桩的极限承载力指出，当温度提高20℃和41℃时，极限承载力分别提高了20%和33%。Goode等[11]的离心机试验结果同样表明砂土地基中的能量桩极限承载力基本不受温度变化影响，而粉土地基中能量桩的极限承载力随温度增加有明显的提高。

2  温度对桩土接触面力学特性的影响

桩土接触面力学特性对桩侧摩阻力的发挥和桩体沉降有着十分重要的影响，目前用来描述常规桩基桩土接触面力学特性的桩土接触面模型主要有理想弹塑性模型、Clough与Duncan[12]提出的双曲线模型、三折线模型等。但是，由于能量桩工作时桩土接触面呈现循环加卸载特性，以上传统的桩土接触面模型不能用来描述能量桩的桩土接触面力学特性。目前学者们较多地利用曼辛法则来构建能够描述能量桩循环加卸载特性的桩土接触面模型，但是均未考虑温度对模型参数的影响。季节不同，能量桩工作时经历的温度变化情况不同。在夏季模式中，桩和桩周土的温度逐渐上升到稳定值后会保持一段时间，运行结束后温度恢复。在冬季模式中，温度变化情况相反。针对这一问题，需要考虑不同温度下的桩土接触面力学特性。目前相关领域研究较多的是冻土和结构之间接触面的力学特性，对能量桩工作温度变化范围内的桩土接触面力学特性的研究还很少。有限的试验结果表明，温度对桩土接触面力学特性的影响与土的类别有关，砂土中的影响不大，而黏土中的影响较为明显。

3  结论与研究展望

通过对前人研究成果的整理归纳，可以看出桩体温度变化对能量桩工作特性的影响主要集中在能量桩的桩身应力、桩侧摩阻力、极限承载力和桩土接触面力学特性等方面。但是，由于能量桩在温度变化和桩顶荷载耦合作用下的工作特性较为复杂，学者们对能量桩的研究尚未结束。在未来的研究中，需要着重研究能量桩工作温度变化范围内的桩土接触面力学特性以及温度对土体力学特性的影响。

参考文献：

[1]桂树强，程晓辉.能源桩换热过程中结构响应原位试验研究[J].岩土工程学报，2014，36（6）：1087-1094.

[2]Cecinato F， Loveridge F A. Influences on the thermal efficiency of energy piles[J]. Energy， 2015， 82： 1021-1033.

[3]Bourne-Webb P J， Amatya B， Soga K. A framework for understanding energy pile behaviour[J]. Proceedings of the ICE-Geotechnical Engineering， 2012， 166（2）： 170-177.

[4]孔纲强，王成龙，刘汉龙，等.多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析[J].岩土力学，2017，38（4）：0-7.

[5]Stewart M A， McCartney J S. Centrifuge modeling of soil-structure interaction in energy foundations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2013， 140（4）： 04013044.

[6]Amatya B L， Soga K， Bourne-Webb P J. Thermo-mechanical behavior of energy piles[J]. Geotechnique， 2012， 62（6）：503-519.

[7]NG， C. W. W. et al. Centrifuge modelling of energy piles subjected to heating and cooling cycles in clay[J]. Geotechnique letters， 2014， 4（4）： 310-316.

[8]Pasten C， Santamarina J C. Thermally induced long-term displacement of thermoactive piles[J]. J. Geotech. Geoenviron. Eng. 2014， 140（5）：70-75.

[9]Wang B， Bouazza A， Haberfield C. Preliminary observations from laboratory scale model geothermal pile subjected to thermal-mechanical loading[C]. Geo-Frontiers 2011@ Advances in Geotechnical Engineering. ASCE， 2011： 430-439.

[10]Rosenberg J E. Centrifuge modeling of soil-structure interaction in thermo-active foundations[D]. University of Colorado at Boulder， 2010.

[11]Goode J C， Zhang M， McCartney J S. Centrifuge modelling of energy foundations in sand[C]. ICPMG2014–Physical Modelling in Geotechnics： Proceedings of the 8th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics. 2014： 729-735.

[12]Clough G W， Duncan J M. Finite element analyses of retaining wall behavior[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division， 1971， 97（12）： 1657-1673.