热—力耦合下能源桩沉降和荷载传递特性的数值分析

路乐乐，赵少飞,易海洋，张泽朋

(1. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083； 2. 华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

在当今节约资源和可持续发展的世界大趋势下，降低能耗节约资源成为各行各业的迫切要求，建筑行业的耗能占社会总耗能很大一部分[1，2]。因此，利用地热资源为建筑物供暖制冷将成为一个新的趋势。我国在20世纪80年代开始了这方面的研究，像欧美日等许多发达国家也已经在大力推进和发展这一技术[3，4]。通过在建筑桩基中埋设地源热泵换热管路与周围的岩土体进行换热，实现对浅层的可再生地热资源的开发利用的这一新型桩基被称为能源桩[5]。这一技术在我国也已经得到了一定的应用，但要实现广泛的关键问题在于对能源桩荷载传递特性和沉降规律的研究。

文献[6]进行室内实验和数值模拟分析能源桩横向以及桩周岩土体的传热规律，发现能源桩相比于一般的钻孔埋管换热器具有更好的换热性能，而且更加经济，推广应用具有现实性的意义。文献[7]通过数值模拟研究，发现能源桩与普通桩体的力学特性不能简单的归结为桩体的热胀冷缩，还应考虑传热过程中，桩体与桩侧岩土体的荷载传递规律的变化对桩体的承载特性的影响。目前，能源桩的研究多集中在其传热效率方面[8，9]，对能源桩的力学特性研究相对较少,不能全面地揭示能源桩在热—力耦合作用下的力学特性。

国内外学者利用现场试验、理论公式以及数值模拟等多种方式研究能源桩的荷载传递特性和沉降规律。文献[10]进行不同温度循环条件下的热交换桩的承载模型验以及利用Abaqus有限元软件建立考虑热-力耦合情况下的桩土模型，将模型试验结果与计算结果进行对比验证，进而讨论了在温度影响下桩身轴力和侧摩阻力的变化规律；文献[11]总结国际上极少的能源桩现场的测试结果，并结合某工程项目的摩擦型能源桩进行现场试验测试，获得了桩身温度、桩体位移、桩身的轴力，分析了摩擦型能源桩在热力耦合作用下的承载力特性，以及荷载沿桩体的传递规律；文献[9]现场试验，观察能源桩在温度变化情况下，桩体的应力应变变化和沉降，并且通过数值模拟对于桩体的传热特性进行对比；文献[12]通过进行室内试验，得到了桩身的径向温度变化对桩基的承载力有显著影响的结论；文献[13-14]通过使用离心机试验，观察桩体内部的应变变化，以及在黏土中反复的进行热、冷循环，观察桩体的热力学效应。

尽管，能源桩在荷载传递方面得到了深入的研究。但热—力耦合下能源桩的荷载传递机理与沉降规律仍然需要深入研究。本文基于London实验建立数值模型，分析在温度效应下单桩及其桩侧岩土体的沉降规律以及荷载传递特性。对于进一步研究能源桩和预防建筑物沉降过大具有重要意义。

1 基于London实验的能源桩数值模拟分析

利用有限差分软件FLAC3D对能源桩单桩在热-力耦合作用进行模拟，研究地热对能源桩的承载特性以及能源桩体发生的沉降的影响；而对于该数值模拟的正确性、合理性，通过已有的London试验结果进行验证；再对能源桩在不同温度下的承载特性以及桩体沉降进行定性地研究。

1.1 数值模型的建立

利用FLAC3D数值模拟的能源桩桩体为钻孔灌注桩，桩体为圆柱形，桩体直径为0.6 m,桩体长23 m。在数值模拟过程中，假设桩体的温度不沿着轴向发生变化。为使计算过程中满足桩体换热以及桩体力学计算精度的要求，土体的计算区域水平方向取为4.0 m×4.0 m4.0×4.0 m于竖向取26 m。限制土体边界两个方向的水平位移以及底部边界的水平位移。

首先根据试验桩的尺寸设定了模型的尺寸，建立桩体及土体的本构模型，其中桩体采用各向同性的弹性模型，桩侧岩土体采用摩尔-库伦本构模型；然后在桩土接触位置处设置接触面，桩侧与土体建立桩土界面(interface1)，在桩底部与桩底土体建立接触面(interface2)，再单独建立桩体的单元体，模型划分104000个网格数，为了更好地分析与计算桩土接触界面上的力学性能，对于桩土界面处的网格划分较为密集。由于受力模型是轴对称的，为减少重复计算，提高计算的精度，取模型的一半，如图1所示，利用FLAC3D中的移来移去法，将桩体移入土体中。土体与能源桩体的混凝土通过热传导的方式进行热量交换。

为验证能源桩的数值模拟的正确性以及合理性，通过结合文献[16]中London试验的实际测试结果进行了验证，并且与London试验的结果与模拟和计算结果进行对比。

图1 能源桩及其桩侧土纵、横断面

桩侧土体重度黏聚力/kPa内摩擦角/°压缩模量/MPa桩侧土弹性模量/MPa桩端土弹性模量/MPa土体抗拉强度/MPa泊松比2500627.112.355.55.510.3

表2 能源桩桩体的材料参数

1.2 数值模拟结果讨论与验证

1.2.1 数值模拟结果

图2是在1200 kN的荷载作用下，能源桩的桩身轴力分布，其中VWSG是London现场试验测试的结果。从图2可以看出：能源桩在单一荷载作用下和在热—力耦合下，FLAC3D数值模拟的结果与London试验的结果在总体趋势上是一致的，都是沿着桩体轴向逐渐减小的趋势。

1.2.2 London实验分析

文献[16]在英国Lambeth学院开展了能源桩的现场测试试验。其中，该钢筋混凝土桩的安全系数为2.5，桩体直径为600 mm，桩体长为23 m，桩体的设计荷载为1200 kN，桩体的热膨胀系数为8.5×10-6，能源桩桩体的弹性模量为40 GPa。通过使用钢弦式应变仪(VWSG)和光纤传感器(OFS)两种测试仪器测试试验结果，并连续记录数据。London试验沿桩长范围内的土层信息和土体参数表所示。0～4 m范围内的土层为粗砂，4～30 m 范围内的土层为超固结伦敦黏土。

London能源桩的现场试验内容包括：在静力加载阶段，施加外荷载1200 kN；接着保持1200 kN的外荷载作用下，桩体温度降低19℃；在1200 kN的外荷载作用下，桩体温度升高10℃。

沿桩体深度方向，在4～30 m的范围内土体的变形模量可取为45 MPa，桩体与桩侧土体的相互作用仍旧处于弹性状态，土体的泊松比取为0.5。

在表3中，能源桩侧场地土体在0～4 m的砂砾石的标贯击数SPT-N，根据文献[17]所提供的方法，由标贯击数可以确定桩侧土体的变形模量取为45 MPa。

1.2.3 结果分析

对比试验结果与数值模拟两种情况下的结果具有差别，原因主要有以下几个方面：

1) London试验0～4 m土体为力学性质较差的砂砾石，而数值模拟过程均为性质良好的伦敦黏土；

2) 现场试验情况较为复杂，受复杂地质条件和地下水的影响，存在较多的不确定性，而数值模拟所对应的都是理想条件；

3) 在本文中的数值模拟过程中对于传热和加载作为两个独立的过程，而London试验是两者连续进行的；

4) 现场试验受材料不均匀性、测量仪器精度以及人为因素等影响。因此，数值模拟结果与现场试验具有一定的差异，但两者的变化趋势基本一致，而且数值模拟的结果曲线平滑，符合基础工程中桩体在荷载作用下轴力的分布。

综上所述，可以表明数值模型的结果基本上可以反映工程实际，具有一定的合理性。

图2 桩体轴力分布

表3 桩侧土层信息

2 热—力耦合下桩体的荷载特性与沉降规律

2.1 荷载传递规律

图3为不同荷载水平作用下，仅单一荷载作用和热—力耦合作用的桩身轴向应力的分布。可以看出，仅在荷载作用时，桩体与岩土体温度相同，桩体不与桩侧土体进行热量交换，桩体在不同荷载水平下轴向应力的分布曲线连续且平滑，应力呈现逐渐减小的趋势，与基础工程中桩体在外荷载作用下桩体轴力分布一致；在热-力耦合作用时，桩侧土体与能源桩存在温差，桩体与岩土体进行热量对流传导时，桩体的轴向应力相对于仅荷载作用增大，成下降趋势，但曲线不再平滑，桩身轴力在桩顶和桩底有增大趋势，这种趋势与文献[16]London现场测试的试验结果曲线一致。这种现象主要是由于桩侧土体在向桩体传输热量过程中，使得桩体产生了轴向膨胀，桩体从中间向两端膨胀，导致桩体轴力增加，从而改变桩体的力学性能。

2.2 沉降规律

在1200 kN的荷载作用下，桩体将相对于桩侧土体发生沉降。其中文献[18]的现场试验结果表明桩体在温度升高将会产生膨胀，桩体的上半部分相对于桩侧土体向上运动，桩顶部的沉降量减小；桩体温度降低，桩体将会收缩，桩体的上半部分相对于桩侧土体向下运动，桩顶部的沉降量增大。表明桩体温度变化会影响桩顶位移的变化，在不断地传热温度变化过程中，将会使桩体产生附加沉降，影响桩体的正常工作性能和威胁到上部结构的安全，这一过程将需要引起我们的高度重视。

图3 不同荷载下桩身轴力分布

图4 在1200 kN下荷载作用下桩体位移分布

从图4和图5中可以看出：FLAC3D模拟的桩体在荷载作用下，沿轴向桩体上各点的位移连续变化且位移曲线平缓。仅荷载作用下，桩侧土体在径向靠近桩体的位置处沉降量较大，并随着距桩体距离增大而逐渐减小；随着深度的增加，桩侧土体的沉降量逐渐减小，在桩体底部一定距离处土体不再产生位移。热-力耦合作用下，桩体因温度升高而膨胀，桩体的上半部分相对于桩侧土体向上运动，桩体的下半部分相对于桩侧土体向下移动，使得能源桩桩体顶部的沉降量减小；桩侧土体在热-力耦合作用下相对于仅有荷载作用时的沉降量减小。

图5 1200KN下荷载作用下桩及桩侧土体位移分布

3 结论

(1) 本文建立的热—力耦合数值模型模拟的结果与试验数据具有较高的一致性，能够较好的反映能源桩的受力特性。不同荷载水平下，仅荷载作用、热—力耦合作用两个阶段中，桩身轴力的变化趋势基本一致；热—力耦合作用下，由于桩体产生从中间向两端的膨胀，导致桩体轴力增加，从而改变桩体的力学性能。

(2) 热—力耦合作用下，桩体的上半部分相对于桩侧土体向上运动，桩体的下半部分相对于桩侧土体向下移动，使得桩体顶部的沉降量减小；桩侧土体在热-力耦合作用下的沉降量小于仅有荷载作用时，桩侧土体在靠近桩体位置处沉降量较大，并随着距桩体距离增大而逐渐减小；随着深度的增加，桩侧土体的沉降量逐渐减小，在桩体底部一定距离处土体不再产生位移。

(3) 考虑能源桩内部液体的流动性，和管路换热的均匀性，本文建立模型过程中设定热量只沿桩体的径向传递，未考虑轴向的温度变化对桩体力学特性的影响；未进一步研究桩侧土体在传热过程的承载力特性。