趙 敏，黃會(huì)杰，鄭永輝

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

能量樁技術(shù)，是基于樁基基礎(chǔ)和傳統(tǒng)地埋管地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)在樁基中埋設(shè)U型管或W型管，實(shí)現(xiàn)樁體與土體冷熱交換，獲取低溫位的地?zé)崮?，從而減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的消耗，既有實(shí)現(xiàn)潛層地?zé)崮芾錈峤粨Q功能,又有滿(mǎn)足支持上部建筑荷載功能。德國(guó)的法蘭克福主塔美茵塔、奧地利某康復(fù)中心與我國(guó)南京朗詩(shī)國(guó)際街區(qū)及世博園的世博軸都曾使用這一技術(shù)，但總體而言能量樁技術(shù)還處在前期研究階段且國(guó)內(nèi)外建筑實(shí)際應(yīng)用并不普遍。文獻(xiàn)[1]研究能量樁樁體位移在多次溫度循環(huán)下的影響，其結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)每次冷熱循環(huán)后能量樁樁體發(fā)生沉降且隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加沉降不斷加大，制冷工作時(shí)荷載對(duì)樁頂產(chǎn)生影響更大。文獻(xiàn)[2]研究W型、螺旋型與U型等不同埋管形式下能量樁的熱力學(xué)特性，施加熱荷載時(shí)樁體埋設(shè)方式為W型的能量樁熱效應(yīng)最為突出，同時(shí)其水平方向的土壓力和能量樁樁端阻力變化最大，在施加冷荷載時(shí)樁體發(fā)生明顯沉降。文獻(xiàn)[3-5]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示施加不同溫度荷載引起的樁體熱脹冷縮直接影響樁土相對(duì)位移，使得能量樁的側(cè)阻力、負(fù)摩阻力和軸力分布等與常規(guī)樁有明顯區(qū)別，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件較難以控制、復(fù)雜程度高和試驗(yàn)代價(jià)較大等，許多學(xué)者采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法研究能量樁的工作特性及影響因素。文獻(xiàn)[6]對(duì)PCC能量樁循環(huán)溫度作用下熱力學(xué)特性進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究得出能量樁的熱循環(huán)(夏季模式)比冷循環(huán)(冬季模式)情況下?lián)Q熱效率高，冷熱循環(huán)都將改變樁頂位移值且產(chǎn)生塑性變形。文獻(xiàn)[7]通過(guò)加熱響應(yīng)試驗(yàn)研究能量樁的換熱性能，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：能量樁樁體較大時(shí)采用沿樁壁均勻鋪設(shè)U型換熱管，管長(zhǎng)越長(zhǎng)換熱效率越高。樁體在加熱過(guò)程中會(huì)引起樁身側(cè)摩阻力變化，溫度荷載導(dǎo)致部分側(cè)摩阻力發(fā)生反向。目前在工程實(shí)際應(yīng)用中怎樣才能使能量樁具有更高的換熱效率與能量樁在長(zhǎng)期冷熱循環(huán)換熱過(guò)程中能否滿(mǎn)足樁基沉降要求一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。然而能量樁在地震荷載作用下是否滿(mǎn)足抗震要求，且對(duì)能量樁抗震性方面的研究當(dāng)前鮮有涉足。為此，本文以U型埋設(shè)方式能量樁為研究對(duì)象，對(duì)能量樁在樁土非熱交換情況(春秋季非工作狀態(tài))下的抗震性能進(jìn)行研究，采用ABAQUS軟件建立能量樁模型，分析普通混凝土樁與U型能量樁在El波、蘭州波和人工波作用下的抗震性能，以期在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中為能量樁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

本模型以西安市某小區(qū)為工程背景，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，按設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，本場(chǎng)地設(shè)計(jì)特征周期為0.35 s。場(chǎng)地內(nèi)基礎(chǔ)以下各土層的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

模型選擇承臺(tái)為4 m×4 m×2 m，并假定能量樁與承臺(tái)一體，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選取30 m長(zhǎng)，樁徑600 mm，土體按10 m×10 m×50 m進(jìn)行建模，U型管長(zhǎng)29 m，U型管管徑25 mm，徑距500 mm。

2 抗震性分析

2.1 黏彈性邊界可靠性分析

巖土工程數(shù)值模擬分析中，地應(yīng)力平衡過(guò)程是求解研究土體初始地應(yīng)力場(chǎng)的過(guò)程。地應(yīng)力平衡所求解出的初始地應(yīng)力場(chǎng)還原出土體的實(shí)際情況。J.H.Atkinson和G.Sallfors將地基土在動(dòng)、靜荷載作用下土的應(yīng)變分為三類(lèi):≥10-2為大應(yīng)變；10-5～10-2為小應(yīng)變；≤10-5為極小應(yīng)變。

實(shí)際工程測(cè)試結(jié)果表明，建筑物基坑、基礎(chǔ)與隧道周?chē)馏w應(yīng)控制在小應(yīng)變范圍內(nèi)(10-4～10-3)。圖1為地應(yīng)力平衡后的應(yīng)力，圖2為地應(yīng)力平衡后的位移，從中可以發(fā)現(xiàn)土體移動(dòng)的數(shù)量級(jí)在10-4m級(jí)，相對(duì)整體模型小很多，土體不會(huì)發(fā)生較大變形，能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

圖1 地應(yīng)力平衡后的應(yīng)力

圖2 地應(yīng)力平衡后的位移

在工程抗震設(shè)計(jì)中，常用的人工邊界有彈性邊界、無(wú)限元和黏彈性邊界等。黏彈性邊界可以模擬散射波向無(wú)限域的傳播和實(shí)現(xiàn)人工邊界處介質(zhì)的彈性恢復(fù)等特點(diǎn)，在人工邊界節(jié)點(diǎn)的法向和切向設(shè)置并聯(lián)彈簧和阻尼元件操作上更為便捷，因此采用該方法。并在進(jìn)行地震作用分析前，對(duì)此處黏彈性邊界進(jìn)行測(cè)試，確定其可靠性。

驗(yàn)證等效節(jié)點(diǎn)荷載的模型尺寸為6 m×6 m×50 m，網(wǎng)格尺寸為1 m，介質(zhì)的彈性模量為24 MPa，泊松比為0.2，密度為1 000 kg·m-3。

(1)

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為質(zhì)量密度；Vs為土的壓縮波波速。壓縮波速度為163.3 m·s-1。單位脈沖壓縮波在模型底部垂直向上輸入，壓縮波的位移函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中：u(t)為位移；t為時(shí)間；f為頻率。入射壓縮波位移函數(shù)如圖3所示，黏彈性邊界和等效節(jié)點(diǎn)荷載圖如圖4～5所示，Z軸正方向?yàn)閴嚎s波入射方向。圖6為計(jì)算結(jié)果與理論對(duì)比，由波動(dòng)理論可知，自由表面絕對(duì)位移的理論解為考慮行波效應(yīng)延遲后放大2倍的入射位移時(shí)程。采用壓縮位移波理論計(jì)算壓縮波到達(dá)模型頂部時(shí)的土體最大豎向位移。表明黏彈性邊界能夠較好的對(duì)土體的地震波響應(yīng)進(jìn)行模擬。

圖3 入射壓縮波

圖4 黏彈性邊界

圖5 等效節(jié)點(diǎn)荷載圖

圖6 計(jì)算結(jié)果與理論對(duì)比

2.2 地震響應(yīng)分析

土-結(jié)構(gòu)相互作用中的基巖地震動(dòng)一般有3種選取方法：① 地震危險(xiǎn)性生成工程場(chǎng)址法；② 地面地震動(dòng)記錄反演法；③ 使用地面地震動(dòng)法。

綜合考慮場(chǎng)地的設(shè)防烈度和震中距等因素，使用SHAKE91程序來(lái)反演基巖波，計(jì)算理想半無(wú)限空間的水平均勻成層土在豎向傳播的剪切波作用下的響應(yīng)。利用等效線(xiàn)性化方法對(duì)土體的非線(xiàn)性性質(zhì)進(jìn)行頻域分析。

對(duì)于重要和不規(guī)則的建筑物通常采用時(shí)程法進(jìn)行分析，應(yīng)按設(shè)計(jì)地震分組與建筑場(chǎng)地類(lèi)別選用不低于兩組實(shí)際地震記錄和一條人工模擬的加速度時(shí)程曲線(xiàn)。選取2條實(shí)際地震動(dòng)及1條人工合成地震動(dòng)，選用的地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)

地震作用下能量樁與普通樁地震響應(yīng)對(duì)比以El波為主進(jìn)行分析，僅從加速度、位移、剪力和軸力4個(gè)方面進(jìn)行具體分析。

2.2.1 對(duì)能量樁與普通樁地震作用下加速度時(shí)程分析

截取加速度時(shí)程進(jìn)行分析，其中包含了樁體承臺(tái)頂部和樁底加速度時(shí)程的最大和最小加速度，從圖8～9可看出,在相同地質(zhì)條件下，能量樁與普通樁的加速度是不一樣的。

圖8 能量樁加速度時(shí)程

由表2可看出，在El波地震荷載作用下，X、Y方向上承臺(tái)頂部和樁底處普通樁的加速度均大于能量樁的加速度，這是因?yàn)槟芰繕断噍^于普通混凝土樁自重減小的緣故。

表2 地震響應(yīng)加速度分析

圖9 普通樁加速度時(shí)程

2.2.2 能量樁與普通樁地震作用下位移分析

對(duì)能量樁和普通樁施加El波地震荷載，選取承臺(tái)頂部和樁底底部作為樁體相對(duì)位移的參考點(diǎn)，圖10和圖11是能量樁與普通樁的相對(duì)位移時(shí)程，可以看出El波地震荷載作用下能量樁與普通樁在相同地質(zhì)條件下X、Y方向的位移在時(shí)間約為5 s與7 s 時(shí)都有明顯的突變，并且在這兩點(diǎn)處位移值達(dá)到一定數(shù)值。在5 s時(shí)能量樁產(chǎn)生了最大的Y向負(fù)位移，其最大值約為0.057 453 2 m。同時(shí)普通樁產(chǎn)生了最大的X向負(fù)位移，其最大值為0.056 265 4 m。由此可以看出地震波對(duì)普通樁和能量樁的加強(qiáng)激勵(lì)一致。地震響應(yīng)位移分析見(jiàn)表3。

圖10 能量樁相對(duì)位移時(shí)程

圖11 普通樁相對(duì)位移時(shí)程

表3 地震響應(yīng)位移分析

由表3可知，在E1波作用下,X方向上普通樁承臺(tái)頂部和樁底之間最大相對(duì)位移為0.037 040 8 m，能量樁最大相對(duì)位移為0.034 731 2 m，相對(duì)于普通樁，能量樁的位移值在X方向上減少6.24%；在Y方向上普通樁承臺(tái)頂部和樁底之間最大相對(duì)位移為0.057 453 2 m，能量樁最大相對(duì)位移為0.056 265 4 m，相對(duì)于普通樁，能量樁的位移值在Y方向上減少2.07%；在Z方向上普通樁承臺(tái)頂部和樁底之間最大相對(duì)位移為0.002 155 9 m，能量樁最大相對(duì)位移為0.002 014 9 m，相對(duì)于普通樁，能量樁的位移值在Z方向減少6.54%；可見(jiàn)能量樁對(duì)普通樁而言有一定位移差，且能量樁在X方向和Y方向上的位移值均小于普通混凝土樁，與能量樁在X方向和Y方向上的加速度值均小于普通混凝土樁相一致，一般情況而言樁體破壞常常因?yàn)樗郊袅^(guò)大導(dǎo)致，由此可以表明能量樁抗震性能優(yōu)于普通樁。

2.2.3 能量樁與普通樁地震作用下剪力分析

在地震中地震波會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生剪應(yīng)力，較大的剪應(yīng)力常常會(huì)導(dǎo)致樁基出現(xiàn)剪切彎曲變形，故此要分析樁的水平剪力，見(jiàn)表4。在X方向上能量樁承臺(tái)頂部的剪力比普通樁減小，能量樁樁底部的剪力比普通樁減??；在Y方向能量樁承臺(tái)頂部的剪力比普通樁減小，能量樁樁底部的剪力比普通樁增加。

表4 地震響應(yīng)剪力分析

2.2.4 能量樁與普通樁地震作用下軸力分析

在地震中地震波會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生軸應(yīng)力，較大的軸應(yīng)力常常會(huì)導(dǎo)致樁基出現(xiàn)較大沉降，故此要分析樁的軸力，見(jiàn)表5。普通樁承臺(tái)頂部的軸力比能量樁小，普通樁樁底最大軸力比能量樁大。普通樁樁底軸力大于能量樁樁底軸力是由于能量樁樁體里面放置U型導(dǎo)管而導(dǎo)致樁體自身重量減少原因。對(duì)同一根樁而言，能量樁和普通樁樁底軸力均大于承臺(tái)頂部軸力這是由于樁底承受了樁本身荷載。

表5 地震響應(yīng)軸力分析

3 結(jié) 論

采用El波、蘭州波以及人工波對(duì)在非熱交換條件下U型能量樁與普通混凝土樁的地震響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析，得到結(jié)論為

1) 在設(shè)防地震條件下，能量樁地震響應(yīng)后的位移相較于普通樁，在X方向上減小，在Y方向上減小，在Z方向上減小。

2) 能量樁承臺(tái)頂部、樁底部X方向上的加速度幅值相較于普通樁均減??；能量樁承臺(tái)頂部、樁底部Y方向上的加速度幅值相較于普通樁均減小。

3) 通過(guò)與普通樁的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，能量樁的整體呈現(xiàn)出柔性特性，且抗震性能U型能量樁優(yōu)于普通混凝土樁，在春秋兩季即非熱交換條件下能量樁滿(mǎn)足抗震要求。

在冬夏兩季即能量樁實(shí)際工作過(guò)程中總會(huì)伴隨能量樁與土體之間的溫度交換，今后在能量樁地震過(guò)程中與溫度進(jìn)行耦合，進(jìn)一步模擬能量樁在工作時(shí)遇到地震的動(dòng)力響應(yīng)，全面分析能量樁的抗震性能，以驗(yàn)證能量樁的抗震性能。