方鵬飛,張日紅,婁 揚(yáng),劉春陽,潘衛(wèi)杰,張秋善,王忠瑾,謝新宇
1)浙大寧波理工學(xué)院,浙江寧波,315100;2)浙江大學(xué)寧波研究院,浙江寧波315100;3)中淳高科樁業(yè)股份有限公司,浙江寧波315145;4)浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心,浙江杭州310058
近年來,全球極端天氣頻發(fā),氣候問題已成為世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題.英國、法國、美國和澳大利亞等先后提出了相關(guān)政策和法案[1-5].中國政府高度重視氣候變化問題,2010年提出了《中國應(yīng)對(duì)氣候變化國家方案》及相關(guān)任務(wù),并開展相關(guān)科學(xué)研究,調(diào)整能源結(jié)構(gòu),努力減緩全球氣候變化做出貢獻(xiàn)[1,6].2016年,全世界178個(gè)國家共同簽署了《巴黎協(xié)定》,要求控制溫度上升[7].2020年9月,中國提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)[8-9].為達(dá)到這一目標(biāo),除在各行業(yè)強(qiáng)化節(jié)能思維外,關(guān)鍵是從源頭上減少二氧化碳溫室氣體的排放.
據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年中國建筑運(yùn)行能耗為10億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占全國能源消費(fèi)總量的21.7%,碳排放為21.1億t,占全國能源總碳排放的21.9%,控制建筑領(lǐng)域的碳排放對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)具有舉足輕重的地位[10].2019年,中國能源消費(fèi)中,煤炭消費(fèi)量占57.7%,清潔能源僅占23.4%,能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化[10-11].
作為一種清潔的、可再生的建筑節(jié)能技術(shù),地源熱泵系統(tǒng)在建筑暖通與空調(diào)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[12].在建筑能耗中,接近60%為空調(diào)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)能耗.與常規(guī)的電空調(diào)相比,地源熱泵系統(tǒng)能效比高,在運(yùn)行過程中還能同時(shí)提供生活熱水,綜合能效顯著.一般來說,淺層土體具有在達(dá)到一定深度后溫度常年基本保持不變的特點(diǎn).地源熱泵技術(shù)就是利用少量的電能,將淺層的低品位地?zé)崮苻D(zhuǎn)化為高品位能,用于建筑供暖和制冷.據(jù)統(tǒng)計(jì),與直接利用電能相比,地源熱泵系統(tǒng)能節(jié)約75%左右的電能[13].據(jù)統(tǒng)計(jì),中國淺層地?zé)崮苣昃Y源量可達(dá)7億t標(biāo)準(zhǔn)煤,儲(chǔ)量巨大,地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景[13-14].
20世紀(jì)80年代開始,奧地利和瑞士首先將地源熱泵技術(shù)與建筑物基礎(chǔ)相結(jié)合,開發(fā)利用淺層地?zé)崮?,稱之為能源基礎(chǔ)(energy foundation)[15],包括能源樁、能源隧道、能源地連墻和能源筏板等.與傳統(tǒng)的鉆孔埋管地源熱泵技術(shù)相比,能源基礎(chǔ)以顯著的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用.一方面,它能消除換熱管埋設(shè)的鉆孔費(fèi)用和渣土搬運(yùn)費(fèi)用;另一方面,能源基礎(chǔ)具有較大的換熱面積,能減少因換熱管間距小而引起的熱干擾現(xiàn)象,換熱效能顯著提高.
在能源基礎(chǔ)中,應(yīng)用較為廣泛的是能源樁(energy pile).若夏天和冬天在土體中輸入和輸出的能量達(dá)到平衡,就能充分發(fā)揮土體良好的蓄能性能,比較適合于冬冷夏熱地區(qū).而在中國長江中下游地區(qū),特別是沿海地區(qū),建筑樁基應(yīng)用相當(dāng)普遍,樁長普遍在30 m以上,高層建筑樁基更是達(dá)到50 m以上,這類樁作為能源基礎(chǔ),能發(fā)揮其承載和換熱兩種功能,而且換熱效能較高.
能源樁技術(shù)已在世界各地得到廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)階段主要是利用傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁作為載體,在換熱管埋設(shè)過程中,換熱管的施工比較復(fù)雜,其安全性不易保證,而且對(duì)樁基施工工期影響較大,因此影響其推廣應(yīng)用.本研究對(duì)傳統(tǒng)能源鉆孔灌注樁和能源預(yù)制管樁施工工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,介紹了靜鉆根植地?zé)崮茉礃都夹g(shù),并結(jié)合實(shí)際工程開展其現(xiàn)場熱力原位試驗(yàn).
一般來說,能源樁主要利用豎向的圓形鉆孔灌注樁或圓形(方形)預(yù)制樁作為載體,施工過程中將換熱管附于鋼筋籠或樁身空心腔體內(nèi),并保證換熱管與樁身混凝土或巖土體充分的接觸,讓樁基除承受和傳遞上部建筑荷載外,也起到換熱器的功能.
鉆孔灌注樁與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合形成能源鉆孔灌注樁[16-18],主要的施工工藝包括:①定位和成孔.確定樁位,利用鉆頭進(jìn)行鉆孔,至設(shè)計(jì)標(biāo)高.②設(shè)置鋼筋籠.在成孔過程中,分節(jié)制作鋼筋籠.成孔完成后,將完整的(無接頭)換熱管固定于鋼筋籠,讓換熱管隨鋼筋籠一起沉入孔內(nèi).在鋼筋籠焊接過程中,要注意換熱管的保護(hù).③澆筑混凝土.完成鋼筋籠下放和清空后,利用導(dǎo)管澆筑混凝土,盡量減小其對(duì)鋼筋籠和換熱管的撞擊.④換熱管的保護(hù).在樁頭附近,將換熱管套管保護(hù)和封口.
在能源鉆孔灌注樁施工過程中,由于鋼筋籠是分段制作的,在焊接過程中要注意對(duì)換熱管的保護(hù),否則會(huì)影響其安全性,同時(shí)會(huì)影響樁基的施工工期.由于要求換熱管沿樁身無接頭,故不能提前將其固定于鋼筋籠上,只能在鋼筋籠下沉過程中進(jìn)行人工固定.一般情況下鋼筋籠下沉速率遠(yuǎn)大于人工固定換熱管的速率,因此固定質(zhì)量較難保證.在混凝土澆筑過程中,套管的擺動(dòng)經(jīng)常會(huì)撞擊鋼筋籠和換熱管,影響換熱管的安全.因此,鉆孔能源灌注樁施工過程中,換熱管質(zhì)量和安全性的影響因素眾多,會(huì)影響樁基的施工工期.
預(yù)制管樁與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合形成能源預(yù)制管樁[19-20],主要的施工工藝包括:①定位和設(shè)置樁靴.確定樁位,沉樁前,管樁樁端設(shè)置實(shí)心樁靴,以保證沉樁過程中土體不進(jìn)入空腔內(nèi).②沉樁.利用靜壓和振動(dòng)等方式將預(yù)制樁沉入土層中,保證接樁時(shí)具有良好的焊接質(zhì)量.③設(shè)置換熱管.沉樁完成后,將換熱管直接放入樁身空心腔體內(nèi),換熱管不應(yīng)含接頭.④灌回填料.在樁身空心腔體內(nèi)灌入回填料,可以是細(xì)砂、水泥漿或混合料等,需保證其填筑的密實(shí)性.⑤換熱管的保護(hù).在樁頭附近,將換熱管套管保護(hù)和封口.
在一些工程中,為減少沉樁的擠土效應(yīng),預(yù)制樁也采用預(yù)鉆孔的施工工藝,待沉樁后將樁身空心腔體內(nèi)的土體用螺旋鉆取出,再設(shè)置換熱管和灌填充料,因此,這種方法對(duì)樁基施工工期影響較大.
能源預(yù)制管樁的施工中,若設(shè)置樁靴,會(huì)加大沉樁擠土效應(yīng),擴(kuò)大對(duì)建筑物周邊環(huán)境的不利影響.若在樁身空心腔體內(nèi)取土,則需增加取土的施工工藝和造價(jià).同時(shí),在樁身空心腔體內(nèi)設(shè)置換熱管,以預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(如PHC 500)為例,管樁內(nèi)徑僅為210~250 mm,在換熱管自然下放過程中,樁越長,換熱管間距較難控制,可能會(huì)造成換熱管交叉重疊的現(xiàn)象.研究表明,換熱管間距越小,產(chǎn)生熱干擾現(xiàn)象越明顯,能源樁的換熱效能越低[21].
靜鉆根植樁是中淳高科樁業(yè)有限公司開發(fā)的一項(xiàng)樁基新技術(shù),它充分利用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁(竹節(jié)樁)承載力高和施工方便的優(yōu)點(diǎn),針對(duì)傳統(tǒng)管樁施工過程中存在較大的擠土效應(yīng),采用取土植樁的思路,對(duì)樁基施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)[22].利用特殊的螺旋鉆頭,邊鉆孔邊注射水泥漿,將水泥漿和土體充分?jǐn)嚢韬笮纬闪鲬B(tài)的水泥土,再植入高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁(竹節(jié)樁),從而形成靜鉆根植樁.它具有承載力高、泥漿少和環(huán)境效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn),是一種非擠土樁.
靜鉆根植樁的施工工藝中,植樁時(shí)鉆孔內(nèi)充滿流態(tài)的水泥土,將換熱管固定于管樁外側(cè),與管樁一起沉入水泥土中,換熱管施工方便,而且下沉過程中有水泥土的保護(hù),令其安全性能得到保證,植樁完成后即形成靜鉆根植能源樁[23].靜鉆根植樁主要的施工工藝包括:
1)鉆孔和注漿.樁機(jī)定位后,利用特殊的鉆頭進(jìn)行鉆孔,在樁端進(jìn)行擴(kuò)頭.按照從樁端到樁側(cè)的順序注入水泥漿,鉆桿反復(fù)升降保證攪拌的均勻性,并控制鉆桿的提升速度.
2)接樁和換熱管制作.準(zhǔn)備場地提前接樁(接樁后每段樁長可達(dá)30 m),減少植樁時(shí)的接頭數(shù)量,提高施工速度.制作換熱管端部接頭,將其與管樁端部進(jìn)行連接.
3)植樁和換熱管埋設(shè).吊機(jī)將管樁置于鉆孔上方,靠樁的自重沉入水泥土中.在管樁下沉過程中,將換熱管固定于管樁外側(cè),兩者一同植入水泥土中.
4)換熱管的保護(hù).在樁頭附近,將換熱管套管保護(hù)和封口.
靜鉆根植能源樁技術(shù)能彌補(bǔ)能源鉆孔灌注樁和能源預(yù)制樁施工工藝的不足,具有施工方便、換熱效能高等特點(diǎn).NICHOLSON等[24-25]研究采用鋼管(型鋼)樁作為載體的能源樁,與其相比,靜鉆根植能源樁施工工藝更簡單,換熱管間距更大,能效更高.
試驗(yàn)工程位于中國浙江省寧波市的某辦公樓,地上部分5層,地下1層,占地面積為8 407 m2.試驗(yàn)選用單樁單柱承臺(tái)形式的基樁,樁長52 m,分為4段,上部3節(jié)(長度分別為10、15和15 m)采用PHC500的普通預(yù)制管樁,最下面1節(jié)(長度為12 m)采用PHDC550-400竹節(jié)樁[21].場地屬于典型的軟土地基,持力層位于粉質(zhì)黏土層,土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1.場地土層以粉質(zhì)黏土和黏土為主,含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))均超過30%.通過熱響應(yīng)試驗(yàn),巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.64 W/(m·K)[21].
表1 土體主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical mechanical parameters of soil
為分析基樁的熱力耦合特性,在樁身不同深度布置FBG應(yīng)變傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器.結(jié)合土層分布情況,傳感器共布置在7個(gè)截面(圖1).
圖1 樁內(nèi)傳感器布置(單位:mm)Fig.1 Layout of sensors along pile(unit:mm)
為保證傳感器的成活率,在試樁預(yù)制階段同步開展傳感器的埋設(shè).在鋼筋籠制作階段,將傳感器綁扎在鋼筋籠上,并在主筋方向布設(shè)測試線路,如圖2.
圖2 試驗(yàn)樁制作及傳感器埋設(shè)步聚Fig.2 Procedure of pile fabrication and sensor embedding
換熱管采用直徑32 mm的高密度聚乙烯管.換熱管端部固定于樁端后,換熱管與管樁同步下沉,每隔3~4 m設(shè)置一固定卡扣[23].沉樁完畢后,進(jìn)行通水試壓,以保證換熱管的安裝質(zhì)量.最后,在樁頭設(shè)置套管進(jìn)行保護(hù)密封處理,防止土、臟水和雜物等進(jìn)入換熱管.
待工程進(jìn)入地下室挖土階段,將換熱管及傳感器線接入試驗(yàn)房間,房間位于門衛(wèi)室,建筑面積約20 m2,層高4.8 m.地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)包括熱泵(含水泵)、空調(diào)末端機(jī)組和控制系統(tǒng).設(shè)備采用圣龍集團(tuán)的分體式地源熱泵系統(tǒng)(圖3).空調(diào)系統(tǒng)額定制冷量為5.05 kW,輸入功率(制冷)為1.1 kW;額定制熱功率為4.9 kW,輸出功率(制熱)為1.30 kW.
圖3 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)Fig.3 Central air-conditioning system of ground source heat pump
靜鉆根植能源樁沉樁完成后,先后開展了短期工況試驗(yàn)和長期工況試驗(yàn),試驗(yàn)方案見表2.試驗(yàn)1為熱響應(yīng)試驗(yàn),由于施工工期和電力供應(yīng)原因,試驗(yàn)時(shí)間僅持續(xù)48 h,樁頂為自由端.采用MCGS熱響應(yīng)試驗(yàn)儀加熱,功率約為2.87 kW.試驗(yàn)2是建筑竣工后,對(duì)正常服役狀態(tài)下靜載荷根植樁開展的熱力耦合試驗(yàn),此時(shí)樁頂承受建筑荷載的同時(shí),還受到地基梁、承臺(tái)和混凝土墻體的約束作用.采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行加熱.
表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme
4.2.1 樁身溫度
試驗(yàn)過程中樁身溫度變化情況如圖4.隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移,樁身溫度逐漸升高.短期試驗(yàn)時(shí)樁身最高溫度為27℃左右,而長期試驗(yàn)的樁身最高溫度可達(dá)41℃左右,短期試驗(yàn)的樁身溫度分布比較均勻.長期試驗(yàn)中,隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加,樁身土體的導(dǎo)熱性能存在差異,樁身上部的溫升要稍高于樁身下部,原因是樁身下部粉質(zhì)黏土的熱傳導(dǎo)系數(shù)要大于樁身上部的淤泥質(zhì)黏土和黏土,而且樁身下部的熱擴(kuò)散條件也較優(yōu).圖4(b)中,溫度沿樁身分布有波動(dòng),原因可能是換熱管位于水泥土中,沉樁過程中換熱管位置有不確定性,樁身各部分溫度變化并非完全均勻;而且離換熱管越近,溫度傳感器測試值越高,因此樁身溫度測試結(jié)果表現(xiàn)為不均勻.
圖4 樁身溫度分布Fig.4 Temperature distribution along pile
4.2.2 性能系數(shù)
性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)為
短期和長期試驗(yàn)的COP變化情況如圖5.從試驗(yàn)結(jié)果看,試驗(yàn)開始階段COP均可達(dá)到5.0以上,隨著時(shí)間的增加,COP值逐漸降低,最后穩(wěn)定在一恒值.短期試驗(yàn)約為4.5,而長期試驗(yàn)約為3.2.從長期試驗(yàn)結(jié)果可以看出,試驗(yàn)開始階段,COP值變化非常明顯,5 d后下降速率逐漸減緩,第5 d的COP值約為4.0.與地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行狀態(tài)相比,間歇運(yùn)行狀態(tài)下的COP值能有效得到提升.
圖5 COP值隨時(shí)間的變化Fig.5 COP values vs time
4.2.3 樁身軸向附加應(yīng)力
短期和長期試驗(yàn)的樁身軸向附加應(yīng)力分布如圖6.從試驗(yàn)結(jié)果看,隨著時(shí)間的增加,樁身溫度附加應(yīng)力逐漸增大,但兩者的分布形式完全不同.短期試驗(yàn)時(shí),樁頂自由無荷載,而且試驗(yàn)時(shí)間為試樁施工完成后2個(gè)月左右,樁端擴(kuò)大頭水泥土的強(qiáng)度較小,可以將其視為兩端自由.此時(shí)在升溫作用下,樁兩端的溫度應(yīng)變較大,而溫度附加應(yīng)力較小.樁身中部溫度應(yīng)變較小,約束較大,產(chǎn)生的溫度附加應(yīng)力較大,形成兩端小中間大的分布形式.48 h樁身最大附加溫度應(yīng)力達(dá)1.7 MPa.
長期試驗(yàn)時(shí),建筑已經(jīng)竣工,樁頂承受建筑荷載,樁端水泥土的強(qiáng)度也較大(因條件限制未開展水泥土的強(qiáng)度試驗(yàn)),可以將其視為兩端約束,樁頂受到地下室混凝土強(qiáng)度、地基梁和筏板的約束作用,其約束程度會(huì)大于樁端.根據(jù)試驗(yàn)階段樁頂位移監(jiān)測結(jié)果,樁頂位移可忽略,樁頂可視為完全約束條件.樁頂溫度應(yīng)變近似為零,樁端的溫度應(yīng)變較小,相應(yīng)的附加溫度應(yīng)力較大,同時(shí)樁端的附加溫度應(yīng)力也大于樁身中部.16 d樁身最大附加溫度應(yīng)力達(dá)6 MPa.同時(shí),本試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[26]的試驗(yàn)結(jié)果也有較大差異.文獻(xiàn)[26]中的試驗(yàn)為試樁施工完成約5個(gè)月,此時(shí)樁端水泥土強(qiáng)度可能較低,樁端約束小.而本試驗(yàn)建筑已投入使用(試樁施工完成后1.5 a左右),樁端水泥土強(qiáng)度較大,樁端形成的約束也較大.可見,樁身軸向附加應(yīng)力的大小和分布形式與樁頂和樁端的約束條件密切相關(guān).
從不同試驗(yàn)工況來看,隨時(shí)間的增長,樁身溫度變化趨勢逐漸減緩,14 d后基本保持不變,理論上樁身軸向附加應(yīng)力也基本保持不變[26].圖6表明,大多數(shù)點(diǎn)的樁身軸向附加應(yīng)力在14 d后結(jié)果變化較小,但個(gè)別點(diǎn)(如3.05 m處)變化相對(duì)較大.其原因一方面可能是溫度會(huì)引起復(fù)雜的樁-土相互作用,樁身軸向附加應(yīng)力隨時(shí)間會(huì)逐步變化調(diào)整.樁身軸向附加應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度相比較小,不會(huì)引起樁身混凝土的破壞,但是否會(huì)影響樁基的使用壽命還需要開展深入的研究;另一方面可能與傳感器的測試誤差相關(guān).
圖6 樁身軸向附加應(yīng)力Fig.6 Thermally induced axial stress along pile
4.2.4 樁側(cè)附加摩阻力
短期和長期試驗(yàn)的樁側(cè)附加摩阻力分布如圖7.短期試驗(yàn)條件下,樁頂自由,樁端約束較小,溫度作用下樁兩端的溫度應(yīng)變較大,產(chǎn)生較大的樁土相對(duì)位移,會(huì)引起較大的附加摩阻力.但相對(duì)于樁頂,樁端的約束較大,因此樁端產(chǎn)生的附加摩阻力較大.附加樁側(cè)摩阻力零點(diǎn)(null point,NP)位于樁身30 m附近.零點(diǎn)以上樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力,零點(diǎn)以下樁側(cè)產(chǎn)生正摩阻力.
圖7 樁側(cè)附加摩阻力Fig.7 Mobilized shaft resistance along pile
長期試驗(yàn)條件下,樁頂、樁端均承受較大的約束(樁頂約束大于樁端約束),在溫度荷載較小時(shí)(0~6 d),樁身上部主要產(chǎn)生向下的相對(duì)位移,產(chǎn)生正摩阻力.樁身的零點(diǎn)時(shí)刻變化,從1 d時(shí)的9 m逐漸發(fā)展到6 d時(shí)的34 m,與短期試驗(yàn)結(jié)果完全相反,此時(shí)樁頂承受了較大的約束.隨著溫度荷載的增大(6~16 d),受樁頂、樁端和樁側(cè)約束條件的影響,樁身零點(diǎn)逐漸從1個(gè)演變?yōu)?個(gè),如16 d的樁身零點(diǎn)分別位于17、26和34 m附近.而且,樁端附近也產(chǎn)生負(fù)摩阻力,可見樁端擴(kuò)大頭的約束較大,可以推測試驗(yàn)階段樁端水泥土的強(qiáng)度較高,與短期試驗(yàn)階段有明顯的區(qū)別.
產(chǎn)生零點(diǎn)的原因是溫度引起的樁土相對(duì)位移為0.樁頂和樁端均存在較大約束的情況下,樁頂和樁端附近樁身在溫度作用下分別有向下和向上的位移趨勢;而樁頂樁端自由時(shí)溫度升高引起樁身上部產(chǎn)生向上的位移,樁身下部產(chǎn)生向下的位移.兩者疊加后樁土相對(duì)位移變化非常復(fù)雜,需進(jìn)一步深入分析和研究.
1)結(jié)合靜鉆根植樁的施工工藝的優(yōu)點(diǎn),將換熱管固定于管樁外側(cè),換熱管在樁側(cè)水泥土的保護(hù)下形成靜鉆根植能源樁,具有施工便利、換熱管間距大、能效高等優(yōu)點(diǎn).
2)與短期試驗(yàn)相比,長期試驗(yàn)的樁身最高溫度較大,但短期試驗(yàn)的樁身溫度均勻性較好.
3)隨著時(shí)間的增加,試驗(yàn)COP值逐漸降低,最后趨于一恒值.
4)短期試驗(yàn)和長期試驗(yàn)的樁身溫度附加應(yīng)力分布形式完全不同.短期試驗(yàn)呈現(xiàn)中間大兩端小,而長期試驗(yàn)呈現(xiàn)中部小兩端大,而樁頂要大于樁端.樁身最大附加溫度應(yīng)力達(dá)6 MPa,設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮.
5)短期試驗(yàn)中,樁身存在一個(gè)附加側(cè)摩阻力的零點(diǎn),而長期試驗(yàn)零點(diǎn)位置和規(guī)律時(shí)刻變化,升溫16 d后樁身存在3個(gè)零點(diǎn).
6)樁身軸向附加溫度應(yīng)力和附加側(cè)摩阻力的分布形式與樁頂、樁端和樁側(cè)的約束條件密切相關(guān).因此,能源樁承載性狀與其施工工藝、服役狀態(tài)和約束條件等因素相關(guān).