常 虹，朱萬里，王 琰，趙嵩穎

1）吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，吉林長春130118；2）吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，吉林長春130118

能源樁作為一種新型的樁基埋管技術，直接將換熱管埋于建筑物的混凝土樁基中，把地源熱泵技術與建筑樁基結合起來，既能承擔上部建筑物荷載，又兼具地源熱泵換熱器的作用.能源樁技術最早于20世紀80年代被提出，并很快在奧地利、德國和瑞士等國家得到推廣［1-2］.與傳統(tǒng)的地源熱泵相比，能源樁造價更低、節(jié)省地面空間及節(jié)能環(huán)保，符合低碳發(fā)展的需要.能源樁在溫度循環(huán)換熱時，會引起樁周土溫度場的變化，樁身會產(chǎn)生附加應力和變形，從而影響樁基承載性能.

在能源樁設計過程中，需著重考慮如何克服溫度循環(huán)對樁基力學特性的影響.近年來，針對能源樁的熱-力學特性，相關學者開展了系列研究并已取得一定成果.STEWART等［3］研究了粉質黏土地基中能源樁與樁周土的相互作用機理，發(fā)現(xiàn)連續(xù)的加熱-制冷循環(huán)可導致樁頂和土體表面產(chǎn)生沉降；桂樹強等［4］基于原位響應試驗，針對粉質黏土和砂巖地基中能源樁的力學特性進行研究，可知樁頂沉降速率在制熱時減小，在制冷時增大；NG等［5］分析了不同超固結比黏土中摩擦型能源樁的熱-力學特性，發(fā)現(xiàn)隨著超固結比的增大，樁頂位移逐漸減小；王成龍等［6］基于室內(nèi)模型試驗方法，對飽和砂土能源樁熱-力耦合作用時的樁身承載力特性和傳熱特性進行研究，得出樁頂沉降隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加不斷累積的結論；YAVARI等［7］對飽和黏土中能源樁在熱-力作用下的力學性能進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著工作荷載的增大，黏土蠕變速率增加，多次熱循環(huán)導致樁體產(chǎn)生不可逆沉降；劉干斌等［8］通過開展模型試驗，分析飽和黏土中不同溫度工況下能源樁承載力特性，發(fā)現(xiàn)升溫后地基發(fā)生熱固結現(xiàn)象，表現(xiàn)為沉降變形，單樁極限承載力隨溫度的升高而增大；路宏偉等［9］通過現(xiàn)場原位試驗，分析了摩擦型能源樁在荷載-溫度作用下的承載力特性與荷載傳遞特征，發(fā)現(xiàn)樁身附加應力的大小與樁身溫度呈線性關系，荷載-溫度耦合作用改變了摩擦型能源樁的荷載傳遞特征和承載性狀，并引起樁頂位移變化；WU等［10］研究了飽和黏土中能源樁、相鄰的傳統(tǒng)非制熱樁和承臺之間的相互作用，可知鄰樁和承臺對能源樁的沉降起到約束作用；費康等［11］基于數(shù)值模擬與模型試驗，對非飽和黏土地基中能源樁長期運行的力學特性進行了研究，可知樁頂累積沉降隨溫度循環(huán)次數(shù)的增多而增大；陸浩杰等［12］運用ABAQUS軟件驗證模型可靠性后，建立黏土地基中的能源樁數(shù)值模型，可知溫度循環(huán)會導致樁周土體產(chǎn)生累計沉降；任連偉等［13］基于現(xiàn)場試驗開展管式能源樁在熱-力耦合作用下的能源樁承載力特性研究，發(fā)現(xiàn)管式能源樁的換熱率隨樁身加熱時間的增加而逐漸減小.

目前，針對能源樁熱-力學特性的研究主要集中于砂土和非飽和黏性土地基，關于飽和黏土地基的研究相對較少.鑒于飽和黏土具有高含水量、低強度、高壓縮性和低滲透性等特點，且溫度改變引起的飽和黏土變形會改變樁土的位移模式，進而改變樁側阻力和端阻力的發(fā)揮.本研究結合室內(nèi)模型試驗，展開飽和黏土地基能源樁在冷熱交替循環(huán)過程中的力學特性分析，為能源樁在飽和黏土地基的應用給出建議.

1 試驗設計

1.1 試驗系統(tǒng)與設備

能源樁熱-力響應試驗系統(tǒng)包括模型槽、量測系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和加載設備.模型槽是由聚甲基丙烯酸甲酯板材圍成的直徑550 mm的圓桶，該材料具有延展性好和抗沖擊力強等特點.緊貼模型槽內(nèi)壁覆有透明塑料薄膜，以防止內(nèi)部土體水分流失.基準梁橫跨模型槽兩側，用以固定數(shù)顯百分表，測量樁頂位移.假定基準梁與大地變形協(xié)調(diào)，不考慮基準梁形變對數(shù)據(jù)的影響.測量系統(tǒng)包括DH3818靜態(tài)應變測試系統(tǒng)、120-50AA混凝土應變片（量程0～2×104με，1/4橋式）、電阻式微型土壓力盒、PT100鉑熱電阻溫度傳感器、溫度采集儀和數(shù)顯式百分表（精度0.01 mm）等.應變片和土壓力盒與DH3818相連，溫度傳感器與溫度采集儀相連，可自定義采集頻率，數(shù)據(jù)自動采集.換熱系統(tǒng)由數(shù)顯恒溫水浴鍋及全自動自吸水泵組成，導熱液體為水，循環(huán)流速為22 m/min.加載設備為鐵制砝碼，工作荷載與樁頂之間墊有剛性加載板.

1.2 樁周土體參數(shù)

試驗用土為飽和黏土，各項物理力學參數(shù)由常規(guī)土工試驗測得，其中，固結試驗分級加載按照50、100、200、300和400 kPa五級加載方式，黏聚力采用直剪（快剪）方式測得，參數(shù)如表1.

表1 飽和黏土物理性質Table 1 The physical properties of saturated clay

1.3 模型樁制作

模型試驗樁直徑D=84 mm，樁長L=500 mm，混凝土強度等級為C30，主筋由3根HRB400C8 mm鋼筋組成，箍筋為B6 mm@100 mm.換熱水管為聚氯乙烯鋼絲軟管，水管外徑為14 mm，內(nèi)徑8 mm，試驗采用單U型埋管方式，U型兩肢相距32 mm.

1.4 試驗方案

1.4.1 準備工作

模型槽直徑550 mm，約為6.5倍樁徑，槽內(nèi)土體高度H=500 mm.首先鋪設100 mm樁端持力層，將模型樁放置到預定位置確保樁端與土完全接觸，校正其垂直度并固定，防止模型樁因自重下沉.樁周土的填筑分3層進行，每層高20 cm，以18 kPa荷載靜壓48 h后再進行下一層填筑.每填筑1層適當對土體噴水并取樣測試，以確保土體達到飽和狀態(tài).填土完成后，將砝碼均勻放置在土體表面的圓環(huán)載荷板上，將模型地基靜壓1周，以形成正常固結狀態(tài)的飽和黏土地基.

模型槽各傳感器布設如圖1.在距離土體表面5、200和400 mm深處分別布置3層溫度傳感器，每層布置4個，共計12個（T1～T12）.同一深度處傳感器分別距樁軸線42 mm（D/2）、84 mm（D）、168 mm（2D）、252 mm（3D）.土體表面距樁側30、130和230 mm處分別布設3個百分表B3、B4和B5，以測定土體沉降；樁頂對稱布置兩個百分表B1和B2，以測定樁頂豎向位移，讀數(shù)取二者均值.土壓力盒布置在樁端下，距離模型槽底部10 cm，以測量樁端阻力；在樁身兩側對稱黏貼應變片，每側4片等距布置，共計8片.

圖1 測點布置（單位：mm）Fig.1 Layout of measuring points（unit：mm）

1.4.2 能源樁靜載荷試驗

能源樁靜載荷試驗開始前，利用飽和黏土及模型樁的物理力學參數(shù)估算樁的極限承載力.靜載試驗采用慢速維持荷載法，加載過程中記錄樁頂沉降.當每級荷載下樁頂沉降量小于0.1 mm/h時，則認為已趨于穩(wěn)定，可施加下一級荷載.當某級荷載下樁頂沉降量達到前一級荷載下沉降量的5倍，則立即終止加載.根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》（JGJ 106—2014）［14］的規(guī)定，荷載-沉降曲線上出現(xiàn)陡降段時，單樁極限承載力取陡降段起點的荷載值.能源樁靜載荷試驗曲線如圖2，取工作荷載為0.5 kN.

圖2 荷載-沉降曲線Fig.2 Load-settlement curve

1.4.3 試驗工況

根據(jù)溫度荷載大小、循環(huán)次數(shù)及樁頂荷載情況，將試驗分5種工況進行，具體見表2.

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

工況1至工況3初始溫度設置為20℃以模擬室溫，分別將循環(huán)液體加熱至50、60和70℃，升溫過程約為15 min，達到目標溫度后維持24 h，隨后迅速冷卻至初始溫度并維持5 h，至樁頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定.工況4和工況5將溫度循環(huán)設定為5℃→70℃→5℃，升溫過程約為30 min，達到70℃后維持24 h，隨后將循環(huán)液體迅速冷卻至5℃并維持5 h，至樁頂沉降趨于穩(wěn)定再進行下次循環(huán)，如此循環(huán)3次.

2 結果與分析

2.1 樁身和土體溫度變化規(guī)律

選取工況1至工況3的T1測點數(shù)據(jù)，分析循環(huán)水溫度對樁身溫度的影響（圖3）.從圖3可以看出，初始階段樁身溫度升高較明顯，超過5 h后逐漸趨于穩(wěn)定，3種工況下樁身最高溫度分別為30.0、34.8和38.5℃，可知樁身溫度隨入水溫度的升高而升高.

圖3 不同循環(huán)溫度下樁身溫度變化曲線Fig.3 The change of pile temperature with time in different test conditions

工況4和工況5在多次溫度循環(huán)下樁身溫度變化見圖4.從圖4可知，兩種工況的循環(huán)水溫度一致，溫度曲線基本相同.樁身各點溫度在初始階段升溫較快，超過5 h后逐漸趨于穩(wěn)定，測點T1、T5和T9的最高溫度分別為38.8、35.3和25.7℃，沿深度方向樁身溫度逐漸減小，隨循環(huán)次數(shù)的增加，樁身最高溫度先降低后升高.考慮是樁周土體溫度改變較為滯后，樁-土換熱量先增加后減小的緣故.

圖4 工況4至工況5樁身溫度隨時間變化曲線Fig.4 The change of pile temperature with time in the fourth and the fifth conditions

圖5為距離填土表面200 mm深度處土體沿徑向的溫度變化.從圖5可以看出，距離樁越遠土體溫度越低，遠端T8點的溫度變化不明顯；隨循環(huán)次數(shù)的增加，土體溫度曲線逐漸變緩，溫度逐漸降低.

圖5 工況4土體溫度隨時間變化曲線Fig.5 The change of soil temperature with time in the fourth condition

2.2 樁頂和土體位移

2.2.1 樁頂位移

工況4多次溫度循環(huán)下樁頂沉降變化如圖6，規(guī)定向上的位移為正，向下的位移為負.從圖6可以看出，升溫階段樁體發(fā)生膨脹，樁頂產(chǎn)生向上的位移，最大上升位移為0.089 mm；降溫時樁體收縮位移向下，最大沉降為0.052 mm，降溫所導致的沉降量大于升溫的膨脹量.隨著循環(huán)次數(shù)增加，樁體的不可恢復沉降逐漸累積，3次溫度循環(huán)后樁頂產(chǎn)生累積沉降量達-0.052 mm（0.6%D）.此結論與NG等［5］、YAVARI等［7］和KALANTIDOU等［15］的結論一致.工程上須保證能源樁長期運行的穩(wěn)定性，而樁頂位移尤其是沉降位移是影響結構安全的重要因素，尤其對于飽和黏土地基，多次溫度循環(huán)后的樁頂累積沉降應引起足夠重視.

圖6 樁頂位移變化曲線Fig.6 The displacement of pile top with time

2.2.2 土體位移

選取工況4土體表面豎向位移數(shù)據(jù)繪制位移-時間曲線，如圖7.百分表B3靠近樁身，由于升溫階段樁體膨脹產(chǎn)生擠土效應，土體表面隆起，故表現(xiàn)為較大的上升位移，不予考慮.升溫階段，由于土體發(fā)生熱固結現(xiàn)象產(chǎn)生沉降；降溫會加劇土體沉降.考慮是由于超靜孔隙水壓力的消散使土體固結程度增大的緣故.受土體溫度場的影響，靠近樁身土體的沉降速率大于遠端.隨循環(huán)次數(shù)的增加，土體沉降速率呈減小趨勢，3次溫度循環(huán)后，B4和B5處土體的最終沉降量分別為-1.19 mm和-0.61 mm.因此，能源樁應用于飽和黏土地基時，設計階段需考慮到黏土發(fā)生熱固結現(xiàn)象，產(chǎn)生收縮變形對樁基承載力的影響.

2.3 樁身應力及樁側摩阻力分布規(guī)律

2.3.1 樁身附加應力變化規(guī)律

溫度循環(huán)引起的樁體膨脹和收縮受到約束時，在樁體內(nèi)部會產(chǎn)生軸向附加應力，此時樁身實際熱應變小于自由應變εT-free，產(chǎn)生熱應力σT為

其中，σT為溫度荷載下樁身的附加熱應力；E為彈性模量；εT-Rstr為溫度荷載下樁身的附加熱應變；εT-free為溫度荷載下樁身的自由應變；εT-obs為溫度荷載下樁身的觀測應變；αc為樁體熱膨脹系數(shù)；Δt為測點溫差.定義樁身產(chǎn)生的壓應力為負，拉應力為正，樁身各深度處的實測應變值見表3.

表3 樁身各深度處的監(jiān)測應變數(shù)據(jù)Table 3 Observed strains data of piles of different depth ×10-6

圖8（a）為工況1至工況3中升溫和降溫結束時的樁身附加應力沿深度分布曲線.從圖8（a）可以看出，升溫階段溫度越高樁身產(chǎn)生的壓應力越大，土體表面處的樁身壓應力小于樁端壓應力，考慮是由于樁頂無約束可自由伸長而樁端受土體的約束不能自由膨脹的緣故.3種工況下最大壓應力分別為538.70、611.59和694.48 kPa，均出現(xiàn)在樁中心偏下位置.降溫階段樁體內(nèi)部產(chǎn)生防止其收縮的應力，但未將升溫階段產(chǎn)生的壓應力完全抵消，降溫結束時樁身應力仍表現(xiàn)為壓應力，最大值分別為268.53、298.90和329.26 kPa.

圖8（b）為工況4和工況5第1次循環(huán)時的應力沿深度分布圖.零荷載作用時，升溫階段產(chǎn)生的最大壓應力為475.10 kPa，降溫結束時最大應力值減小為194.56 kPa.工作荷載作用下，由于工作荷載對樁頂起到約束作用，靠近樁體中間部分的熱應力最大，其值為593.40 kPa，降溫結束后最大應力值減小為217.24 kPa.工作荷載作用下，樁體熱應力分布與零荷載作用時差別較大，尤其升溫階段樁體上部熱應力增加較多，考慮是由于樁頂工作荷載的約束作用，該分布規(guī)律與BOURNE等［16］的分析基本一致.

圖8（c）為工況5即工作荷載作用下樁身熱應力沿深度分布圖.工作荷載作用下，隨循環(huán)次數(shù)的增加，溫度荷載引起的的附加應力逐漸增大，最大熱應力均位于樁身中部偏上位置，考慮是由于樁身熱應力隨溫度循環(huán)產(chǎn)生累積的緣故，且熱應力累積增量隨次數(shù)的增加呈減小趨勢.

圖8 樁身應力-深度分布曲線Fig.8 The stress distribution along depth

2.3.2 樁體側摩阻力變化規(guī)律

溫度荷載作用下，樁體會發(fā)生熱脹冷縮，由于樁體和土體熱膨脹系數(shù)的差別，樁-土接觸面會產(chǎn)生相對位移，從而引起樁側摩阻力的改變，不同深度處的樁側摩阻力為

其中，D為樁體直徑；Δl為相鄰應變片的間距；j=1、2、3、4，表示從土表面到樁端應變片編號.定義側摩阻力向上為正，向下為負.

工況1至工況3中第24 h和29 h的樁身側摩阻力-深度分布曲線如圖9.樁體受熱時兩端分別向上和向下運動，樁體上半部分產(chǎn)生負的側摩阻力，下半部分產(chǎn)生正的側摩阻力.3種工況下最大側摩阻力值分別為46.66、54.06和61.47 kPa.降溫階段樁體收縮，樁體上部側摩阻力為正，下半部分為負.3種工況下最大側摩阻力值分別為22.31、27.44和31.12 kPa.由圖9可知，樁身側摩阻力隨循環(huán)溫度的升高而逐漸增大，無論升溫階段還是降溫階段，位移零點均產(chǎn)生在樁身中部偏下位置.最大側摩阻力點均出現(xiàn)在樁身中部偏上位置，樁端附近產(chǎn)生的側摩阻力數(shù)值均小于樁體上半部分側摩阻力數(shù)值.考慮因為樁端土的約束作用使樁-土相對位移較小的緣故.

圖9 工況1至工況3側摩阻力沿深度分布Fig.9 The shaft friction distribution along depth in the first，the second and the third conditions

工況4和工況5的第1次循環(huán)升溫和降溫結束時的樁體側摩阻力沿深度分布如圖10.樁體升溫時，樁體上部側摩阻力為負，下部側摩阻力為正，降溫時恰好相反.第24小時，零荷載和工作荷載作用下最大側摩阻力值分別為62.13 kPa和45.95 kPa；第29小時，二者最大側摩阻力值分別為29.94 kPa和47.31 kPa.工作荷載作用下，由于上部荷載作用使樁身整體下沉，產(chǎn)生負摩阻力的區(qū)域逐漸變小，相較于零荷載作用時，位移零點上移至樁中部偏上位置.

圖10 工況4至工況5側摩阻力沿深度分布Fig.10 The shaft friction distribution along depth in the fourth and the fifth conditions

溫度循環(huán)次數(shù)對樁體側摩阻力的影響請掃描文末右下角二維碼查看表S1.多次溫度循環(huán)后，降溫時位移零點下移至樁體中部偏下位置，升溫階段位移零點的位置始終保持在樁體上部.3次循環(huán)升溫階段最大側摩阻力值依次為45.95、48.95和50.55 kPa；降溫時最大側摩阻力值依次為47.31、52.36和52.89 kPa.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，側摩阻力逐漸增大，增量逐漸減小，考慮是多次冷、熱循環(huán)使樁側土體產(chǎn)生固結變形對樁體的約束作用增強的緣故.

3結論

1）升溫階段初期能源樁樁體升溫較快，5 h后逐漸趨于穩(wěn)定，樁身溫度沿深度方向逐漸減小，土體溫度沿徑向逐漸降低.多次溫度循環(huán)使土體發(fā)生熱固結現(xiàn)象，填土表面最終表現(xiàn)為沉降.受溫度場的影響，靠近樁身的土體的沉降速率大于遠端.隨循環(huán)次數(shù)的增加，土體沉降速率呈減小趨勢.溫度的升高和降低導致樁身發(fā)生膨脹和收縮，降溫階段所引起的樁頂沉降量大于升溫產(chǎn)生的膨脹量，且多次溫度循環(huán)導致樁頂產(chǎn)生不可逆的累積沉降，其累積變形可能會對上部結構的安全造成影響，需要在設計時給予足夠的考慮.

2）溫度荷載所引起的樁身附加應力隨溫度的升高和循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，工況5中3次循環(huán)后樁身附加熱應力最大值達到695.40 kPa，且該值大小隨樁頂約束條件的變化而有所差異，其所在位置隨樁頂荷載的增加而逐漸上移.

3）升溫時樁體上部產(chǎn)生負的側摩阻力，下部產(chǎn)生正的側摩阻力，降溫時恰好相反.樁身側摩阻力隨溫度的升高而逐漸增大，任一工況樁端附近產(chǎn)生的側摩阻力數(shù)值均小于樁頂部分的側摩阻力數(shù)值，且側摩阻力隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，工作荷載的作用導致樁身產(chǎn)生負摩阻力的區(qū)域逐漸變小，位移零點逐漸上移.

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