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        循環(huán)溫度場作用下PCC能量樁熱力學(xué)特性模型試驗研究

        2015-02-13 06:53:32孔綱強劉漢龍吳宏偉
        巖土力學(xué) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:熱循環(huán)樁體溫度場

        黃 旭,孔綱強,劉漢龍,吳宏偉

        (1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.香港科技大學(xué) 土木工程系,香港)

        1 引言

        隨著世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展而日益凸顯的是能源危機和環(huán)境污染問題,因而節(jié)能減排成為了21世紀(jì)生產(chǎn)生活中需要面對的首要課題。地源熱泵技術(shù)作為一種新型的節(jié)能技術(shù),采用與地下恒溫土層進行熱能交換的方法達(dá)到節(jié)能減排的效果,并在近年得到了快速發(fā)展。然而現(xiàn)在的地源熱泵技術(shù)多采用的模式占用地下空間較大,鉆孔費用相對較高且換熱效率低下,使得推廣應(yīng)用受到了極大的限制。從20世紀(jì)80年代開始,巖土工作者創(chuàng)造性地將地源熱泵的傳熱管埋設(shè)在建筑樁基中,使其與已有的建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合,解決了傳統(tǒng)地源熱泵的問題,這種新型巖土結(jié)構(gòu)被稱為能量樁與熱工地下結(jié)構(gòu),而能量樁則是其代表。我國東南沿海地區(qū)多為軟土地基,為了對軟基進行處理,河海大學(xué)開發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型樁基礎(chǔ)技術(shù)現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁(以下簡稱PCC樁),并已在東南沿海軟土處理區(qū)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。在傳統(tǒng)PCC樁基礎(chǔ)上,劉漢龍等提出了PCC樁與地源熱泵樁埋管技術(shù)相結(jié)合的PCC能量樁新型技術(shù)[2];并針對當(dāng)前能量樁在工程中實際應(yīng)用的情況進行了初步歸納總結(jié),通過分析傳統(tǒng)能量樁的特點以及存在的主要技術(shù)問題,對PCC能量樁技術(shù)的特點及發(fā)展做出了分析說明[3]。

        針對能量樁的承載特性,相關(guān)研究人員開展了系列研究,并取得了一定的成果。Laloui等[4]、Bourne-Webb等[5]分別針對常規(guī)熱交換樁進行了現(xiàn)場試驗,研究了常規(guī)實心樁體在熱-力耦合作用下的受力特性,并與數(shù)值模擬的結(jié)果進行了對比分析,研究結(jié)果表明,溫度作用引起的樁體熱應(yīng)力較大,同時證明了其有限元模型反映熱-力耦合作用下樁體承載特性的可靠性,但沒有研究其樁體承載力。Amatya等[6]對文獻(xiàn)[4-5]的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行分析,將樁假設(shè)為受熱線性膨脹的桿,提出在自由受熱膨脹和受端部約束時的樁體熱應(yīng)力分布理論模型,將樁體應(yīng)力分布分為溫度場作用引起的熱應(yīng)力和常規(guī)荷載作用引起的樁身應(yīng)力,驗證了理論的真實性,但試驗并沒有對樁土復(fù)合地基的承載力特性進行分析。Durpray等[7]通過建立熱-力耦合的二維及三維研究了能量樁的儲熱性能,并對其對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進行了分析,但并未涉及能量樁對環(huán)境的影響。Gao和Lee等[8-10]通過建立有限元模型與理論方法相結(jié)合,對能量樁的傳熱機制,傳熱效率進行研究,分析了不同傳熱媒介等因素對其傳熱特性的影響。桂樹強等[11]針對某區(qū)域能量樁的現(xiàn)場試驗進行分析,在Laloui的研究基礎(chǔ)上進一步進行了熱-力耦合特性的研究。Hassani等[12]、Suryatriyastuti等[13]利用COMOSOL軟件對不同形式的循環(huán)導(dǎo)管的熱傳遞效果進行了比較分析,揭示了雙U導(dǎo)管形式比單U導(dǎo)管形式的傳熱效率高,此外還對不同循環(huán)形式(熱循環(huán)和冷循環(huán))下在能量樁樁周引起的熱效應(yīng)區(qū)域進行了分析。Li等[14]、Hueckel等[15]等從基礎(chǔ)線性熱源的熱傳導(dǎo)方法方法出發(fā),假設(shè)能量樁的熱傳導(dǎo)過程為無限持續(xù)熱源在復(fù)雜圓柱媒介中的傳導(dǎo),用解析的方法對能量樁的溫度場及能量傳導(dǎo)等進行了分析。

        綜上可知,已有能量樁特性相關(guān)研究主要集中在能量樁的傳熱效率與傳熱機制方面,而針對冷熱循環(huán)溫度影響下能量樁的承載特性與受力機制研究相對較少。因此,本文擬展開飽和砂土中PCC能量樁在冷熱交替循環(huán)條件下承載力特性及荷載傳遞特性的分析,并對冷熱交替循環(huán)過程中,樁周土體溫度場的變化進行了分析,為能量樁對周圍土體的溫度場影響評價給出建議。

        2 室內(nèi)模型試驗概況

        2.1 試驗方案設(shè)計及參數(shù)選擇

        本文模型試驗采用混凝土結(jié)構(gòu)砌筑成模型槽,模型槽內(nèi)邊尺寸為75 cm×75 cm×1 200 cm(長×寬×高),共有4個模型槽,采用防水土工布進行防水,具體模型槽實物圖如圖1所示。

        圖1 模型槽及PCC能量樁實物圖Fig.1 Model tank and PCC energy pile

        試驗樁體采用空心鋁管來模擬PCC樁,模型樁樁徑為50 mm,壁厚為10 mm,樁長為1 000 mm,實際埋入砂土層的有效深度為900 mm,長徑比為16。所采用鋁材彈性模量為70 GPa,熱膨脹系數(shù)為23×10-6/℃,導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/m×k,熱(冷)循環(huán)采用塑料導(dǎo)管,管徑為15 mm,能量樁導(dǎo)熱循環(huán)系統(tǒng)及PCC能量樁橫截面示意圖如圖2所示。

        圖2 溫度場循環(huán)系統(tǒng)及能量樁橫截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal cycle and cross-section of PCC energy pile

        試驗所采用的樁周土體為南京地區(qū)典型砂土,室內(nèi)土工試驗測得砂土相關(guān)物理力學(xué)特性參數(shù)指標(biāo):天然密度為1.050 g/cm3,最大干密度為1.738 g/cm3,最小干密度為1.474 g/cm3,相對密實度為0.8,Cu=3.008 1,Cc=0.903 1。顆粒級配曲線如圖3所示。根據(jù)直剪試驗測得,溫度變化情況下,樁-土接觸面摩擦角為30.6°~31.9°。

        模型試驗時砂土的壓實度控制在80%,根據(jù)模型槽尺寸計算所需天然砂土質(zhì)量為1 132.6 kg,分20級填如模型槽內(nèi),每級所需填筑砂土56.5 kg,將其均勻填入模型槽并壓實,為了保證各個模型槽內(nèi)砂土的壓實度相同,每級砂土壓實控制其壓實后高度為6 cm,填筑完成后向模型槽內(nèi)注水使砂土飽和。

        圖3 砂土顆粒級配曲線Fig.3 Particle size distribution curve of sand

        2.2 模型試驗過程與測量

        2.2.1 溫度荷載和結(jié)構(gòu)荷載

        試驗采用的溫度工況共有3種,15、35、5 ℃分別模擬常溫、夏季以及冬季的PCC樁工作環(huán)境。循環(huán)溫度荷載的施加是通過循環(huán)導(dǎo)熱液體來實現(xiàn),使用功率125 W日制全自動冷熱水自吸泵將熱水從加熱(制冷)水槽中抽出,然后以固定的流速壓入循環(huán)導(dǎo)管來加熱(或制冷)能量樁,其最大流量為15 L/min,最大吸程為9 m。在夏季模式——熱循環(huán)中,熱量從導(dǎo)熱液體(水)傳遞到樁體,并逐步向樁周土體中擴散,導(dǎo)熱液體溫度降低后流出樁體返回加熱水槽,如此循環(huán)加熱數(shù)小時待溫度場穩(wěn)定后;在制冷循環(huán)中將冰塊放置于制冷水槽中,使循環(huán)導(dǎo)熱液體(水)的溫度接近于冰水混合物的溫度,循環(huán)過程中熱量從樁體及樁周土體傳遞到循環(huán)液體,使樁及樁周土的溫度降低,待循環(huán)制冷數(shù)小時后溫度場穩(wěn)定。

        結(jié)構(gòu)荷載施加通過砝碼堆載的方式進行:在PCC樁頂部放置一長度為200 mm、寬度為200 mm、厚度為15 mm的鋁板作為加載平臺,加載使用的砝碼重度為100 N/塊,通過估算單樁的承載力極限值確定結(jié)構(gòu)堆載最大值為1500 N,分15級加載。本試驗中先逐級加載至第8級荷載,然后進行熱循環(huán),待熱循環(huán)穩(wěn)定后停止,等樁體及周圍土體自然冷卻,再進行冷循環(huán),待冷循環(huán)穩(wěn)定后停止,再逐級加載至最后一級荷載。

        2.2.2 傳感器布設(shè)及溫度場測量

        樁端壓力值通過江蘇海巖儀器設(shè)備廠制造的應(yīng)變式動土壓力盒測量,壓力盒直徑為50 mm;樁頂位移采用百分表進行測量,百分表最大量程為5 cm,加載板兩側(cè)各放置一個百分表,樁頂位移取兩表讀數(shù)平均值,百分表布置如圖1所示;樁上沿樁深分別布置了兩組應(yīng)變片,應(yīng)變片間隔100 mm,樁身軸力通過兩組應(yīng)變片讀數(shù)計算的應(yīng)力值取平均,應(yīng)變片及溫度傳感器讀數(shù)如圖4所示。

        試驗中通過水槽進水和出水口的溫度傳感器測量導(dǎo)熱液體進入樁體和流出樁體時的溫度;通過樁側(cè)布置的溫度傳感器測量樁體溫度的上升情況,溫度控制精度0.5 ℃,樁身溫度計的分布如圖4所示,溫度的讀數(shù)儀器采用江蘇海巖儀器設(shè)備廠生產(chǎn)的X05多功能頻率儀。

        圖4 應(yīng)變計、溫度傳感器、壓力計安裝示意圖(單位:mm)Fig.4 Distribution of strain gauges,temperature gauges and pressure cells in the test pile(unit:mm)

        2.2.3 試驗穩(wěn)定時的終止條件規(guī)定

        隨著循環(huán)地進行,樁身及樁周土體溫度逐漸上升,待樁體及樁周土體溫度在相鄰2次讀數(shù)差值小于10%時,終止試驗,并認(rèn)為循環(huán)已經(jīng)穩(wěn)定,熱交換進入穩(wěn)態(tài)。

        3 模型試驗結(jié)果與分析

        3.1 樁身溫度場變化規(guī)律分析

        模擬夏季及冬季模式時的熱、冷循環(huán)前、后溫度沿樁身的變化規(guī)律如圖5所示,圖中Tp、Ts、Tw分別表示樁體、土體、循環(huán)液體溫度。由圖可知,樁身溫度最值分別為35、5 ℃;熱循環(huán)(夏季循環(huán))時,進水口出循環(huán)導(dǎo)熱液體的溫度為50 ℃,待循環(huán)進入穩(wěn)定階段后,樁身溫度不再變化,樁身溫度最大值在樁頂,達(dá)到35 ℃,溫度沿著樁身逐漸降低,樁底溫度穩(wěn)定在20 ℃;在冷循環(huán)(冬季循環(huán))時,進水口循環(huán)導(dǎo)熱液體的溫度為冰水混合物溫度,待循環(huán)進入穩(wěn)定狀態(tài)后,樁身溫度不再變化,樁頂溫度達(dá)到8 ℃,溫度沿著樁深遞增,樁底溫度達(dá)到12 ℃,接近于環(huán)境溫度。

        圖5 樁身在常溫及循環(huán)穩(wěn)定時的軸向溫度分布圖Fig.5 Distribution of axial temperature of pile body at normal temperature and after heating and cooling cycles

        3.2 樁周土體溫度變化規(guī)律分析

        圖6(a)給出了冷熱循環(huán)時距離樁頂10 cm深度處樁周土體溫度場變化曲線,從圖中可以看出,在制冷循環(huán)中樁周土體越靠近樁身溫度越低,而在距離樁身達(dá)到2倍樁徑的距離處,溫度的變化在2 ℃之間,在超過兩倍樁徑的部分溫度場的變化已經(jīng)很小,故而在超過兩倍樁徑的樁周土區(qū)域,溫度場受該能量樁的影響較??;而由不同時間曲線可以看出,隨著樁周土體的溫度逐漸降低,能量樁和樁周土體的換熱效率也在逐漸減小,說明溫差的減小使得能量的轉(zhuǎn)換效率降低。圖6(b)給出了熱循環(huán)時樁周土體的溫度變化曲線,靠近樁身的地方溫度越高,在距離樁身超過兩倍樁徑的區(qū)域,土體的溫度場變化同樣已經(jīng)較??;由不同循環(huán)時間后的溫度曲線可知,隨著樁周土體的溫度逐漸升高,能量樁和樁周土體的換熱效率也同樣降低。

        制冷循環(huán)中,能量從土體傳向樁體,而在熱循環(huán)中,能量從樁體傳向土體,由熱循環(huán)過程曲線可以看出,在循環(huán)進行2 h后樁周土體的溫度場已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài),而制冷循環(huán)過程直到4小時后才逐漸趨于穩(wěn)定,說明能量從樁體向土體傳遞的效率要比從土體傳向樁體要高。

        圖6 距樁頂10 cm深度樁周土體溫度變化圖Fig.6 Temperature variation of soil surrounding pile at depth of 10 cm

        圖7給出了樁周土體在循環(huán)穩(wěn)定后的溫度曲線。圖7(a)可以看出樁周土體溫升最大值發(fā)生在樁頂附近靠近地表層的部分,這是由于樁頂進水口處,樁身溫度最高,樁周土體溫升也最大;隨著樁深的增大,樁周土體溫升值逐漸變小,這是由于隨著樁深的增加,樁身溫度逐漸變小。而從圖7(b)中可以看出,接近樁頂附近的樁周土由于靠近地表層,與大氣換熱較為迅速,其溫度并不是溫降最大的區(qū)域,而隨著遠(yuǎn)離地表逐漸向樁底延伸,循環(huán)導(dǎo)熱液體的溫度也隨著熱交換的過程而逐漸上升,樁底部的溫降也并不是最大,由圖可知,溫降的最大值發(fā)生在樁中部靠上區(qū)域。

        圖7 冷熱循環(huán)下樁周土體的溫度場Fig.7 Temperature field of soil during heating and cooling cycles

        3.3 樁頂位移變化規(guī)律分析

        根據(jù)Laloui等[4]和Bourne-Webb等[5]給出的基本假定:若作用一個溫度場△T 在試驗?zāi)P蜆渡?,若樁體兩端部沿樁身軸向完全自由不受約束,樁身將會產(chǎn)生一個均勻應(yīng)變

        式中:α為樁體的熱膨脹系數(shù)。

        若樁兩端部沿樁軸向被完全約束,那么樁身長度不會發(fā)生變化,一個均勻分布的軸向力將會作用于樁體,

        式中:P為軸向力;A為樁身的橫截面面積;E為樁身彈性模量。

        圖8給出了循環(huán)試驗中樁頂位移的變化曲線,0時刻為靜載加載的起點時刻,840時刻以前為靜載試驗,840時刻開始進行熱循環(huán)(夏季模式),每30 min記錄一次樁頂位移;熱循環(huán)穩(wěn)定后,待樁體自然冷卻12 h,隨后進入制冷循環(huán)(冬季模式),同樣每30 min記錄一次樁頂位移。根據(jù)圖5中的樁身溫度情況可知,樁身上半部分溫度可取平均值按照35 ℃計算,下半部分取平均值按照28 ℃計算,由式(1)可得,樁體自由情況下膨脹值約為0.379 5 mm,樁頂沉降值應(yīng)相應(yīng)減少。由圖8可知,在熱循環(huán)時樁身實際變化值為0.238 mm,這是由于樁的兩端所受約束作用影響,在經(jīng)歷自然恢復(fù)階段后,樁頂?shù)奈灰仆耆謴?fù)到熱循環(huán)之前并有進一步的沉降,說明在熱循環(huán)階段土體產(chǎn)生了彈塑性變形;在制冷階段,樁身上部4/5溫度可取平均值9.5 ℃計算,下部1/5溫度可取平均值11 ℃計算,由式(1)可得,樁體兩端自由情況下的收縮值約為0.119 6 mm;由圖8可知,在制冷循環(huán)中樁身實際變化值0.18 mm,且在制冷循環(huán)結(jié)束,自然恢復(fù)后,土體壓縮量并沒有完全恢復(fù),說明在制冷循環(huán)階段土體同樣產(chǎn)生了彈塑性變形。

        以上結(jié)果表明,在熱循環(huán)和制冷循環(huán)的過程中樁頂位移值都將明顯改變,且都會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。在長期的冷熱循環(huán)作用下,這些變形會不斷積累,并可能對復(fù)合地基及上部結(jié)構(gòu)帶來危害,需要在設(shè)計時給予足夠的考慮。

        圖8 樁頂位移變化圖Fig.8 Displacements of pile top

        3.4 樁身應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律分析

        Laloui等[4]給出了實心樁體在受熱循環(huán)溫度場作用時熱-力耦合作用的荷載傳遞機制,假設(shè)樁體上部荷載都由樁側(cè)摩阻力承擔(dān),且側(cè)摩阻力沿樁身軸向均勻分布,即沿深度方向應(yīng)變線性變化,當(dāng)溫度荷載作用時,溫度變化也沿樁身方向均勻分布。

        圖9(a)給出了加載結(jié)束時和加熱循環(huán)穩(wěn)定時樁體的應(yīng)變曲線,由εT=23Δ T計算理想狀況下的的溫度場引起的軸向熱應(yīng)變,樁頂處應(yīng)變值最大約為460×10-6,最小值為樁底115×10-6,而實際測得樁身應(yīng)變在樁頂處約為250×10-6,樁底處約為125×10-6。此外圖中可以看出,樁身軸向應(yīng)變的增加并不是沿樁身線性增加,且樁底部的軸向應(yīng)變增加值并不明顯,這主要是因為溫度場沿樁身深度是遞減的,且溫度場對樁體產(chǎn)生的熱應(yīng)力和應(yīng)變很大程度上受樁體端部的約束影響:當(dāng)樁體端部受剛性約束時,軸向應(yīng)力-應(yīng)變沿樁深線性變化,且在端部變化值較大;當(dāng)樁體端部約束較小時,其軸向應(yīng)力-應(yīng)變的變化并不呈線性,且在端部的變化值較小。

        圖9 樁身軸向應(yīng)變Fig.9 Axial strains of pile

        Laloui等[4]給出了實心樁體受到冷循環(huán)溫度場作用時的荷載傳遞機制,假設(shè)樁體兩端自由,不受約束作用,樁體受冷循環(huán)溫度場作用時樁體將壓縮,任何約束都將在樁身引起拉伸應(yīng)變以及拉應(yīng)力的增大。在樁身上半部分,溫度場引起的應(yīng)力和在樁頂施加壓力時引起的應(yīng)力方向一致,而在樁體的下半部分兩者方向相反。當(dāng)制冷荷載和樁頂壓力共同作用時,軸向壓縮荷載將會減小甚至轉(zhuǎn)為軸向拉力,而樁身側(cè)摩阻力在上部增加而在下部減小。

        圖9(b)給出了制冷循環(huán)穩(wěn)定時樁體受溫度荷載和上部荷載共同作用時的軸向應(yīng)變圖。由εT=23Δ T計算理想狀況下的溫度場引起的軸向熱應(yīng)變,樁頂處應(yīng)變值最大約為161×10-6,最小值為樁底69×10-6,在樁體上半部分,冷溫荷載引起的應(yīng)力應(yīng)變和樁頂壓力所引起的應(yīng)力-應(yīng)變一致,故其上半部分的樁身應(yīng)變要大于常溫時的樁身應(yīng)變;在樁體下半部分溫度荷載引起的應(yīng)力-應(yīng)變和壓力引起的應(yīng)力-應(yīng)變方向相反,故其樁身軸向應(yīng)變相比較常溫時更小,室內(nèi)試驗的樁端約束條件相對自由。

        與熱循環(huán)不同,制冷循環(huán)中產(chǎn)生的附加應(yīng)力,根據(jù)公式:

        式中:a為樁體的熱膨脹系數(shù);εT-Obs為試驗觀察的軸向應(yīng)變; PT為溫度場施加的樁身附加應(yīng)力。

        由計算可知,在樁底部產(chǎn)生了約為25 kPa的附加應(yīng)力且為拉應(yīng)力,需要在設(shè)計時充分考慮混凝土材料的抗拉強度。

        4 結(jié)論

        (1)熱循環(huán)(夏季模式)中能量樁的換熱效率要比制冷循環(huán)(冬季模式)中的換熱效率高,熱量更容易從能量樁向周圍土體傳遞。單U型循環(huán)導(dǎo)管形式的PCC能量樁單樁的溫度場影響范圍約為樁徑的2倍,在考慮換熱效率設(shè)計時應(yīng)當(dāng)予以考慮,且實際運行時,循環(huán)穩(wěn)定后樁身的溫度并不是均勻的,溫度沿樁身深度向下遞減,在分析能量樁熱應(yīng)力-應(yīng)變時應(yīng)當(dāng)予以考慮。

        (2)熱循環(huán)和制冷循環(huán)的過程中都將明顯改變樁頂?shù)奈灰浦?,且都會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。在長期的冷熱循環(huán)作用下,這些變形會不斷積累,可能對復(fù)合地基及上部結(jié)構(gòu)帶來危害,需要在設(shè)計時給予足夠的考慮。

        (3)不同的樁端約束條件下,溫度場對樁身應(yīng)力-應(yīng)變的影響有很大的不同,室內(nèi)試驗中樁體底部置于飽和砂土層中,端部受堆載約束,兩端約束較小,在熱循環(huán)下,樁身軸向的熱應(yīng)力-應(yīng)變并不呈線性,且在端部變化值較小。在冷循環(huán)時,溫度應(yīng)力-應(yīng)變在樁體上半部分和下半部分分別和樁端壓力引起的應(yīng)力-應(yīng)變方向相反,在底部產(chǎn)生的附加應(yīng)力可能為拉力,數(shù)值較大,設(shè)計時需要考慮到混凝土材料的抗拉強度。溫度場引起的樁身應(yīng)力增加值很大,在樁身設(shè)計時,需要考慮溫度熱應(yīng)力的影響。

        [1]劉漢龍,費康,馬曉輝,等.振動沉模大直徑現(xiàn)澆薄壁管樁技術(shù)及其應(yīng)用(I):開發(fā)研制與設(shè)計[J].巖土力學(xué),2003,24(2):164-168.LIU Han-long,F(xiàn)EI Kang,MA Xiao-hui,et al.Cast-in-situ concrete thin-wall pipe pile with vibrated and steel tube mould technology and its application(I):Development and design[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(2):164-168.

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