串联式能量排桩逆转流向现场热响应试验

吕志祥， 孙广超， 刘俊平， 车 平

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室，南京 210098；2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002；3.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135； 4.银西铁路有限公司，宁夏吴忠 751100；5.江苏省有色金属华东地质勘查局，南京 210007）

能量桩是一种具有双重作用的新型地下能源结构，除了对建筑结构起到整体的支撑作用外，还将桩体充当热交换器单元，利用地表土层的蓄热能力及其相对恒定的温度和深度提供足够的热交换，以覆盖建筑所需的冷/热负荷［1-14］. Laloui和Bourne-Webb 等分别对在黏土中的摩擦型桩进行了现场试验，结果表明，加热—冷却过程会导致土壤结构的改变，导致桩体内产生额外的应力，并降低桩侧摩阻力，桩的温度变化导致轴阻力和轴向载荷的增加和减少［15-16］. Murphy和McCartney开展了建筑物供暖条件下的能量桩季节性热响应测试试验，表明能量桩在夏季和冬季均表现出稳定的热交换效率，温度循环对轴向约束应变分布会产生持续影响［17］. Akrouch等开展了不同荷载等级下能量桩拉拔试验，研究结果表明，升温使得在高塑性黏土中能量桩的蠕变速率增大，这将引起附加位移［18］.

综上所述，已有现场试验结果对于掌握能量桩热力响应特性、指导能量桩设计和应用具有重要意义. 然而，针对黏土地基中摩擦型能量排桩的热响应特性，特别是在循环水流向逆转的影响下的热响应特性研究仍然相对较少. 因此，本文针对黏土地基中摩擦型能量排桩开展现场试验研究，实测进/出口水温、桩身温度以及桩身热应变与热应力等变化规律；分析能量桩换热、桩体轴向约束应力、轴向位移等热力响应特性.

1 现场试验概况

1.1 工程概况

本试验场位于江苏省南京市六合区，桩体为钻孔灌注桩，桩径D 为0.6 m，由于施工误差，各能量桩桩长L 在21.8 m至24.5 m不等. 混凝土强度等级为C30，钢筋笼直径为0.5 m，钢筋笼上沿桩深方向每隔2 m布置一对振弦式传感器. 传热管采用高强度PE管，其外径为25 mm、壁厚为2 mm，埋管形式为W型.

1.2 现场土性参数

根据现场钻孔取样、室内土工测试获得土体物理力学参数，试验场地现场土性参数如表1所示.

表1 现场土性参数表Tab.1 Soil parameters in-situ

1.3 试验过程与研究方案

本试验将三根桩间距为2.5 m 的能量排桩串联，如图1所示. 本文现场试验为期20 d、共480.8 h. 试验期正处于秋季，所得数据反映了南京地区秋季条件下能量桩的储热能力. 三根试验能量排桩间距为2.5 m，位于黏土地基中，桩顶自由无约束. 本试验采用国际通用的热响应测试方法，将三根能量桩串联，通过循环水泵以0.6 m/s 的恒定流速向能量桩体输送恒定3 kW 热功率的循环水流. 本试验分两个阶段，第一阶段（10 月10—20 日），循环水流从1 号桩进入，通过串联管路，从3 号桩流出，为期10 d；第二阶段（10 月20—30 日），循环水流从3 号桩流入，1 号桩流出，为期10 d. 通过安装在传热管进/出口处的温度计和能量桩体内部的混凝土应变计和温度计，监测进/出口水温、桩体温度及应变数据，探讨循环水流流向逆转对于串联能量排桩热响应特性的影响.

图1 能量桩、传热管及测试元器件布置示意图Fig.1 Schematic diagram on layout of energy piles，heat transfer tubes and test components

2 试验结果与分析

图2 能量排桩总进/出口水温及环境气温变化曲线Fig.2 Variation curves of total inlet/outlet water temperature of energy piles and environmental air temperature

2.1 进/出口水温变化规律

能量排桩第一阶段（前240 h）的总进/出口水温及同期环境气温变化如图2所示. 由图2可知，第一阶段试验运行期间，进口水温从23.8 ℃稳步提升到37.2 ℃，出口水温从23.4 ℃稳步提升到33.0 ℃. 运行约0.6 h后，进/出口水温差稳定在4.0 ℃左右. 同期内，环境气温有12.8 ℃的温度变化，温度范围由14.6 ℃至27.4 ℃.由此表明，在3.0 kW的输热功率下，串联能量排桩的换热能迅速达到稳定状态，受环境气温影响较小.

2.2 桩体温度流向逆转前后变化规律

三根能量排桩10 m深度处，桩体温度随时间的变化规律如图3所示，由图3可见，桩体温度随时间均衡上升，上升幅度逐步降低. 第一阶段，1号桩温度最高，3号桩温度最低. 第二阶段，循环水流向逆转，3号桩温度迅速上升，其后续温度变化趋势与第一阶段1号桩温度变化趋势相一致；而1号桩温度迅速降低，其后续温度变化趋势与第一阶段3号桩温度变化趋势相一致；2号桩温度未出现波动. 由此表明，串联能量排桩循环水流向逆转对于正中桩温度基本无影响，而对两边桩换热平衡有较大影响，但在流向逆转后，能量桩在短时间内重新达到换热平衡，新达到的换热平衡与第一阶段对应的换热平衡相一致，表明能量排桩在3 kW加热功率下，换热较为充分，流向逆转不会出现换热效果降低的影响.

图3 10 m处能量桩桩体温度Fig.3 Temperature of energy pile at 10 m

2.3 桩身应变流向逆转前后变化规律

定义轴向约束应变εT的公式如下（McCartney&Murphy，2012）［19］：

式中：αs是应变计中钢丝的线膨胀系数；ΔT 是应变计位置处混凝土的温度变化.

两根边桩在10 m深度处的轴向约束应变随时间的变化规律如图4所示. 由图4可见，第一阶段中，1号桩的轴向约束应变明显大于3号桩，流向逆转之后，1号桩轴向约束应变迅速减小，具体数值倒退至96 h前的大小；第二阶段结束，1号桩轴向约束应变大小与第一阶段结束时相同. 而3号桩在流向逆转之后，轴向约束应变迅速增大，这与两根能量桩在该点处的温度变化规律相一致.

图4 10 m处能量桩轴向约束应变Fig.4 Axial constraint strain of energy pile at 10 m

2.4 桩身轴向约束应力流向逆转前后变化规律

能量桩的轴向约束应力σT可由式（2）计算得到：

式中：εT是由式（1）算得的给定深度处的轴向约束应变；E 是混凝土的杨氏模量；αC是混凝土的热膨胀系数；ΔT′是应变测量处桩基的温度变化. 负号表示压应力.

能量桩运行温度导致桩体因受热膨胀产生的轴向约束应力沿桩深方向分布规律如图5所示，由图5可见，能量桩桩体最大轴向约束应力在桩体中部（10 m）处. 1号桩两试验阶段结束时，桩身轴向约束应力十分接近，而3号桩有较大差别. 两根边桩对于温度的响应在深度方向上呈现出一致的变化趋势，表明能量桩的温度响应特性十分灵敏，且在相同的土质中其热响应表现十分稳定. 图6展示了10 m深度处两根能量边桩的轴向约束应力随时间的变化规律. 数据显示，轴向约束应力的变化规律与轴向约束应变基本一致，轴向约束应力最大值为-2.09 MPa，在桩体承载范围内，不影响桩体承载性能.

图5 轴向约束应力沿桩深方向分布规律Fig.5 Distribution of axial constraint stress along the direction of pile depth

图6 10 m深度处轴向约束应力随时间变化规律Fig.6 Variation of axial constraint strain of energy pile at 10 m depth with time

3 结论

本文针对黏土地基中循环水流向逆转对于串联能量排桩热响应特性的影响开展现场试验研究，可以得到如下几点结论：

1）本文试验条件下，在3.0 kW恒定输热功率条件下，循环水流向逆转前后，串联能量排桩的换热平衡能迅速达到稳定状态，且环境气温影响较小.

2）能量排桩在3 kW加热功率下，换热较为充分，流向逆转不会降低排桩整体换热效果.

3）串联能量排桩循环水流向逆转对于正中桩基本无影响，而对两边桩有较大影响，但在流向逆转后，桩体最大轴向约束应力为-2.09 MPa，在桩体承载范围内，不影响桩体承载性能.