呂志祥， 孫廣超， 劉俊平， 車 平

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點試驗室，南京 210098；2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002；3.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135； 4.銀西鐵路有限公司，寧夏吳忠 751100；5.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，南京 210007）

能量樁是一種具有雙重作用的新型地下能源結(jié)構(gòu)，除了對建筑結(jié)構(gòu)起到整體的支撐作用外，還將樁體充當(dāng)熱交換器單元，利用地表土層的蓄熱能力及其相對恒定的溫度和深度提供足夠的熱交換，以覆蓋建筑所需的冷/熱負荷［1-14］. Laloui和Bourne-Webb 等分別對在黏土中的摩擦型樁進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，加熱—冷卻過程會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致樁體內(nèi)產(chǎn)生額外的應(yīng)力，并降低樁側(cè)摩阻力，樁的溫度變化導(dǎo)致軸阻力和軸向載荷的增加和減少［15-16］. Murphy和McCartney開展了建筑物供暖條件下的能量樁季節(jié)性熱響應(yīng)測試試驗，表明能量樁在夏季和冬季均表現(xiàn)出穩(wěn)定的熱交換效率，溫度循環(huán)對軸向約束應(yīng)變分布會產(chǎn)生持續(xù)影響［17］. Akrouch等開展了不同荷載等級下能量樁拉拔試驗，研究結(jié)果表明，升溫使得在高塑性黏土中能量樁的蠕變速率增大，這將引起附加位移［18］.

綜上所述，已有現(xiàn)場試驗結(jié)果對于掌握能量樁熱力響應(yīng)特性、指導(dǎo)能量樁設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義. 然而，針對黏土地基中摩擦型能量排樁的熱響應(yīng)特性，特別是在循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)的影響下的熱響應(yīng)特性研究仍然相對較少. 因此，本文針對黏土地基中摩擦型能量排樁開展現(xiàn)場試驗研究，實測進/出口水溫、樁身溫度以及樁身熱應(yīng)變與熱應(yīng)力等變化規(guī)律；分析能量樁換熱、樁體軸向約束應(yīng)力、軸向位移等熱力響應(yīng)特性.

1 現(xiàn)場試驗概況

1.1 工程概況

本試驗場位于江蘇省南京市六合區(qū)，樁體為鉆孔灌注樁，樁徑D 為0.6 m，由于施工誤差，各能量樁樁長L 在21.8 m至24.5 m不等. 混凝土強度等級為C30，鋼筋籠直徑為0.5 m，鋼筋籠上沿樁深方向每隔2 m布置一對振弦式傳感器. 傳熱管采用高強度PE管，其外徑為25 mm、壁厚為2 mm，埋管形式為W型.

1.2 現(xiàn)場土性參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔取樣、室內(nèi)土工測試獲得土體物理力學(xué)參數(shù)，試驗場地現(xiàn)場土性參數(shù)如表1所示.

表1 現(xiàn)場土性參數(shù)表Tab.1 Soil parameters in-situ

1.3 試驗過程與研究方案

本試驗將三根樁間距為2.5 m 的能量排樁串聯(lián)，如圖1所示. 本文現(xiàn)場試驗為期20 d、共480.8 h. 試驗期正處于秋季，所得數(shù)據(jù)反映了南京地區(qū)秋季條件下能量樁的儲熱能力. 三根試驗?zāi)芰颗艠堕g距為2.5 m，位于黏土地基中，樁頂自由無約束. 本試驗采用國際通用的熱響應(yīng)測試方法，將三根能量樁串聯(lián)，通過循環(huán)水泵以0.6 m/s 的恒定流速向能量樁體輸送恒定3 kW 熱功率的循環(huán)水流. 本試驗分兩個階段，第一階段（10 月10—20 日），循環(huán)水流從1 號樁進入，通過串聯(lián)管路，從3 號樁流出，為期10 d；第二階段（10 月20—30 日），循環(huán)水流從3 號樁流入，1 號樁流出，為期10 d. 通過安裝在傳熱管進/出口處的溫度計和能量樁體內(nèi)部的混凝土應(yīng)變計和溫度計，監(jiān)測進/出口水溫、樁體溫度及應(yīng)變數(shù)據(jù)，探討循環(huán)水流流向逆轉(zhuǎn)對于串聯(lián)能量排樁熱響應(yīng)特性的影響.

圖1 能量樁、傳熱管及測試元器件布置示意圖Fig.1 Schematic diagram on layout of energy piles，heat transfer tubes and test components

2 試驗結(jié)果與分析

圖2 能量排樁總進/出口水溫及環(huán)境氣溫變化曲線Fig.2 Variation curves of total inlet/outlet water temperature of energy piles and environmental air temperature

2.1 進/出口水溫變化規(guī)律

能量排樁第一階段（前240 h）的總進/出口水溫及同期環(huán)境氣溫變化如圖2所示. 由圖2可知，第一階段試驗運行期間，進口水溫從23.8 ℃穩(wěn)步提升到37.2 ℃，出口水溫從23.4 ℃穩(wěn)步提升到33.0 ℃. 運行約0.6 h后，進/出口水溫差穩(wěn)定在4.0 ℃左右. 同期內(nèi)，環(huán)境氣溫有12.8 ℃的溫度變化，溫度范圍由14.6 ℃至27.4 ℃.由此表明，在3.0 kW的輸熱功率下，串聯(lián)能量排樁的換熱能迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，受環(huán)境氣溫影響較小.

2.2 樁體溫度流向逆轉(zhuǎn)前后變化規(guī)律

三根能量排樁10 m深度處，樁體溫度隨時間的變化規(guī)律如圖3所示，由圖3可見，樁體溫度隨時間均衡上升，上升幅度逐步降低. 第一階段，1號樁溫度最高，3號樁溫度最低. 第二階段，循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)，3號樁溫度迅速上升，其后續(xù)溫度變化趨勢與第一階段1號樁溫度變化趨勢相一致；而1號樁溫度迅速降低，其后續(xù)溫度變化趨勢與第一階段3號樁溫度變化趨勢相一致；2號樁溫度未出現(xiàn)波動. 由此表明，串聯(lián)能量排樁循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)對于正中樁溫度基本無影響，而對兩邊樁換熱平衡有較大影響，但在流向逆轉(zhuǎn)后，能量樁在短時間內(nèi)重新達到換熱平衡，新達到的換熱平衡與第一階段對應(yīng)的換熱平衡相一致，表明能量排樁在3 kW加熱功率下，換熱較為充分，流向逆轉(zhuǎn)不會出現(xiàn)換熱效果降低的影響.

圖3 10 m處能量樁樁體溫度Fig.3 Temperature of energy pile at 10 m

2.3 樁身應(yīng)變流向逆轉(zhuǎn)前后變化規(guī)律

定義軸向約束應(yīng)變εT的公式如下（McCartney&Murphy，2012）［19］：

式中：αs是應(yīng)變計中鋼絲的線膨脹系數(shù)；ΔT 是應(yīng)變計位置處混凝土的溫度變化.

兩根邊樁在10 m深度處的軸向約束應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律如圖4所示. 由圖4可見，第一階段中，1號樁的軸向約束應(yīng)變明顯大于3號樁，流向逆轉(zhuǎn)之后，1號樁軸向約束應(yīng)變迅速減小，具體數(shù)值倒退至96 h前的大小；第二階段結(jié)束，1號樁軸向約束應(yīng)變大小與第一階段結(jié)束時相同. 而3號樁在流向逆轉(zhuǎn)之后，軸向約束應(yīng)變迅速增大，這與兩根能量樁在該點處的溫度變化規(guī)律相一致.

圖4 10 m處能量樁軸向約束應(yīng)變Fig.4 Axial constraint strain of energy pile at 10 m

2.4 樁身軸向約束應(yīng)力流向逆轉(zhuǎn)前后變化規(guī)律

能量樁的軸向約束應(yīng)力σT可由式（2）計算得到：

式中：εT是由式（1）算得的給定深度處的軸向約束應(yīng)變；E 是混凝土的楊氏模量；αC是混凝土的熱膨脹系數(shù)；ΔT′是應(yīng)變測量處樁基的溫度變化. 負號表示壓應(yīng)力.

能量樁運行溫度導(dǎo)致樁體因受熱膨脹產(chǎn)生的軸向約束應(yīng)力沿樁深方向分布規(guī)律如圖5所示，由圖5可見，能量樁樁體最大軸向約束應(yīng)力在樁體中部（10 m）處. 1號樁兩試驗階段結(jié)束時，樁身軸向約束應(yīng)力十分接近，而3號樁有較大差別. 兩根邊樁對于溫度的響應(yīng)在深度方向上呈現(xiàn)出一致的變化趨勢，表明能量樁的溫度響應(yīng)特性十分靈敏，且在相同的土質(zhì)中其熱響應(yīng)表現(xiàn)十分穩(wěn)定. 圖6展示了10 m深度處兩根能量邊樁的軸向約束應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律. 數(shù)據(jù)顯示，軸向約束應(yīng)力的變化規(guī)律與軸向約束應(yīng)變基本一致，軸向約束應(yīng)力最大值為-2.09 MPa，在樁體承載范圍內(nèi)，不影響樁體承載性能.

圖5 軸向約束應(yīng)力沿樁深方向分布規(guī)律Fig.5 Distribution of axial constraint stress along the direction of pile depth

圖6 10 m深度處軸向約束應(yīng)力隨時間變化規(guī)律Fig.6 Variation of axial constraint strain of energy pile at 10 m depth with time

3 結(jié)論

本文針對黏土地基中循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)對于串聯(lián)能量排樁熱響應(yīng)特性的影響開展現(xiàn)場試驗研究，可以得到如下幾點結(jié)論：

1）本文試驗條件下，在3.0 kW恒定輸熱功率條件下，循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)前后，串聯(lián)能量排樁的換熱平衡能迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，且環(huán)境氣溫影響較小.

2）能量排樁在3 kW加熱功率下，換熱較為充分，流向逆轉(zhuǎn)不會降低排樁整體換熱效果.

3）串聯(lián)能量排樁循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)對于正中樁基本無影響，而對兩邊樁有較大影響，但在流向逆轉(zhuǎn)后，樁體最大軸向約束應(yīng)力為-2.09 MPa，在樁體承載范圍內(nèi)，不影響樁體承載性能.