常虹， 沈凤全， 王琰， 王浩全， 赵嵩颖

(1.吉林建筑大学测绘与勘查工程学院， 长春 130118； 2. 吉林建筑大学市政与环境工程学院， 长春 130118)

作为换热器，能量桩具有可以提供结构支撑以及在上层建筑与地基土之间进行热传递的双重作用[1]。与传统的地源热泵技术相比，能量桩技术可以大大提高换热效率和节省地下空间以及钻孔费用[2-3]，虽然应用前景十分广阔，但是关于能量桩承载性能的理论研究仍然相对滞后，并且在实际工程中并没有进行大规模的应用以及推广。由于在温度循环的过程中会引起桩土温度的变化，桩身会产生附加热应力，从而引起桩端土压力、桩身侧摩阻力、桩顶以及桩周土体竖向位移的变化，对桩基的承载性能产生影响。

针对能量桩的承载性能，中外学者进行了大量的研究，并取得了一定的研究成果。郭浩然等[4]通过数值模拟对黏土地基中能量桩的承载力特性进行研究，得出随着桩顶上部荷载的增加，温度荷载对其承载性能的影响减小；史宏财等[5]通过解析模型的方法对非饱和土中能量桩的换热性能进行研究，得出能量桩的热交换比率随土体饱和度的增大而增大；路乐乐等[6]通过模拟现场试验对能量桩的沉降规律进行研究，得出仅荷载作用时桩体的沉降大于热-力耦合共同作用；Nguyen等[7]通过模型试验的方法对黏土地基中能量桩的力学特性进行研究，得出不可逆桩顶沉降随热循环次数的增加而增加；陆浩杰等[8]采用模型试验方法研究循环温度作用下饱和黏土中能量桩的变形特性，得出温度循环过程中桩顶位移变化率在制热时略小于制冷时；刘干斌等[9]通过模型试验方法对饱和黏土中能量桩承载力特性进行研究，得出土体固结沉降量大于桩体沉降量；常虹等[10]对饱和黏土中能量桩由于温度循环产生的力学特性进行研究影响，得出冷热循环过程中能量桩位移零点的位置会发生变化，工作荷载作用下升温导致桩顶产生向上的位移，但多次温度循环过程中，桩顶逐渐产生累积沉降；王成龙等[11]在饱和砂土地基中通过模型试验方法研究工作荷载情况下温度循环对桩基承载性能的影响，得出施加温度荷载后桩顶沉降随着循环次数的增加而增加。

以上针对能量桩承载性能研究主要集中于干砂和黏性土地基，针对饱和砂土地基展开的研究相对较少。由于在沿海地区如汕头、长三角地区大范围地基土为饱和砂土，所以本文研究选取地基土为饱和砂土；由于在桩身混凝土中掺入钢纤维可提高桩的承载力，掺入石墨可以增强其导热性能[12]，所以选取新型能量桩(掺入0.6%的钢纤维和4%的石墨)，因此现采用室内模型试验方法，对热力耦合作用下饱和砂土地基中新型能量桩的承载性能进行研究，为能量桩在实际的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 桩周土体参数

本次试验所用砂土为饱和砂土，天然密度为1.28 g/cm3，最大干密度和最小干密度分别为1.77 g/cm3和1.37 g/cm3，不均匀系数Cu=2.67，曲率系数Cc=0.82，颗粒级配曲线如图1所示。

图1 砂土颗粒级配曲线Fig.1 Curve of sand grain composition

1.2 试验仪器及装置

1.2.1 试验模型槽

本试验在室内模型槽中进行，模型槽主要由亚克力板、底板及不锈钢箍圈组成。在模型槽内铺上一层透明塑料薄膜，防止土体水分的流失。模型槽尺寸为直径600 mm、高600 mm的圆桶。试验中通过人工夯实的方法将砂土分6层填筑，控制每层夯实之后的厚度为100 mm、相对密实度为70%，模型槽底部填筑200 mm土作为桩端土，并在桩端固定好土压力盒，待砂土填筑完成后开启架设在槽顶四周的注水花洒，缓缓地将水注入砂土中使其饱和。

1.2.2 试验仪器

本试验通过应变片和数显应变采集仪测量桩体应变，应变片采用BFH120-50AA-D-D300免焊接应变片，数显应变采集仪为DH3818静态应变测试仪；测量桩周土体温度采用PT100铂电阻温度传感器连接温度采集仪；桩端土压力采用测量范围为0～2 000 kPa的应变式微型土压力盒；采用量程为±25.4 mm的数显式百分表测量桩顶和桩周土体竖向位移；试验加载采用堆载的方式分级进行，在桩顶放置一边长为300 mm、厚度为30 mm的方形混凝土板作为加载平台；采用数显恒温水浴锅进行温度的控制，自吸泵的功率为150 W，试验中控制循环水的流速为22 L/min。

1.3 模型桩及测点布置

模型桩由掺入0.6%的钢纤维、4%的石墨(钢纤维取总质量的百分比，石墨取细骨料质量的百分比)的C30混凝土浇筑而成，配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.57∶1.78∶3.17，桩体弹性模量、热膨胀系数分别为30 GPa、1×10-5/℃，桩长为500 mm，直径D为84 mm，埋入土中400 mm，换热管采用外径为14 mm、壁厚为3 mm的PVC钢丝软管，布管方式为单U型，换热管两肢间距为32 mm。

试验中在模型桩两侧对称粘贴5个应变片；在填土表面以及距填土表面100、200、300 mm深度处的土体中布置4层、每层3个温度传感器，共计12个(T1～T12)；土压力盒固定在桩端；桩顶以及桩周土体竖向位移用百分表测量，平台板和桩周土体分别对称布置2个百分表(B1～B4)，测得的数据取平均值。各测点布置示意图如图2所示。

图2 各测点布置示意图Fig.2 Layout diagram of each measuring point

1.4 试验过程

通过静载试验确定单桩极限承载力，静载试验采用慢速维持荷载法[13]，分11级加载，每一级荷载为0.12 kN，当1 h内百分表读数小于0.1 mm时，认为沉降趋于稳定，再进行下一级加载，当荷载-沉降曲线出现可以判定桩体极限承载力的陡降段或桩顶位移大于40 mm时终止加载。图3为桩体的荷载-沉降曲线，测得桩体极限承载力为1.2 kN。

图3 桩体荷载-沉降曲线Fig.3 Load-settlement curve of pile

试验施加工作荷载为0.6 kN，分10级加载，待桩体沉降稳定后进行温度循环。试验过程中，先将水温升至指定温度，再进行水流循环并维持该温度11 h，之后停止加热自然降温13 h，视为完成一次温度循环；试验根据入水温度、循环次数、工作荷载的不同分为8种工况进行，并进一步分析不同工况下桩周温度场分布、桩身应力、桩身侧摩阻力、桩端土压力、桩顶以及桩周土体竖向位移的变化规律。具体试验方案如表1所示。

表1 试验方案Table 1 Test schemes

2 试验结果与分析

2.1 桩周温度场分布

工况3桩身温度随时间的变化曲线如图4(a)所示；距离填土表面100 mm深度处桩周土体沿径向温度随时间的变化曲线如图4(b)所示。

从图4(a)中可以看出升温5 h以内各测点温度上升速率较快，之后趋于平缓；降温3 h以内各测点温度下降速率较快，随后下降速率逐渐减小，降温结束后各测点温度基本能恢复到初始状态，桩身中上部温度变化幅度大于下部，这是由于入水口水流温度较高，流经路线越长能量损失越多；从图4(b)中可以看出桩身和桩周土体的温度均随着升温的进程不断升高，随着降温的进程不断降低，桩身的温度变化幅度大于桩周土体，沿径向距离桩身越远，土体温度变化越不明显，这是因为距离换热管越近，温度变化越明显，由于土壤热阻的影响，距离桩身越远，温度变化越滞后。

图4 桩体和桩周土体温度随时间变化曲线Fig.4 Temperature curve of pile and soil around pile with time

2.2 桩端土压力变化规律

多次温度循环条件下桩端土压力随时间的变化曲线如图5所示。以工况4和工况8所测得的结果进行对比分析，从图5中可以看出升温时桩体受热膨胀，桩端土压力逐渐增大，降温时桩体受冷收缩，桩端土压力逐渐减小；工作荷载条件下桩端土压力大于零荷载，每次温度循环后桩端土压力有所增长，考虑在降温阶段桩顶的沉降量较大，随着循环次数的增加桩顶的沉降不断累积，故在循环结束时桩端土压力增大；随着循环次数的增加桩端土压力的最大值呈逐渐减小的趋势，考虑是随着循环次数的增加，桩周土体逐渐固结，桩端土体密实度增加，土体承载力提高，桩侧阻力逐渐增加的缘故。

图5 桩端土压力随时间变化曲线Fig.5 The variation curve of earth pressure at pile tip

2.3 桩身热应力变化规律

桩体因为温度的升高或降低会出现膨胀或收缩的情况，由于有上部荷载和桩周土体的约束会导致桩体内部的应力发生变化，产生的热应力[14]σT的计算公式为

σT=E(εT-αCΔT)

(1)

式(1)中：E为混凝土弹性模量，GPa；αC为混凝土线膨胀系数，℃-1；ΔT为温度变化值，℃；εT为热应变。

图6为升温结束11 h及降温结束24 h各工况桩身热应力沿深度分布曲线，定义拉应力为正，压应力为负，升温时桩体产生压应力，降温时压应力逐渐减小甚至出现拉应力。从图6可以看出桩身热应力随着深度的增加呈现先增加后减小的趋势，最大值出现在桩身中部，同时说明位移零点会出现在桩体的中部；同一深度处温度越高桩体内产生的热应力越大；工作荷载条件下的热应力大于零荷载产生的热应力，考虑是由于桩顶荷载的约束作用导致的；随着循环次数的增加热应力会产生累积。以工况8为例，每次循环最大压应力分别为-0.525、-0.542、-0.576 MPa,最大拉应力分别为0.45、0.468、0.482 MPa，其中最大拉应力占C30混凝土抗拉强度标准值(2 MPa)的24.1%，因此在实际工程中温度循环引起的拉应力对混凝土抗拉强度的影响应予以考虑。

图6 桩身热应力沿深度分布曲线Fig.6 Pile thermal stress distribution curve along depth

2.4 桩身侧摩阻力变化规律

温度荷载作用下，能量桩会出现热胀冷缩的情况，由于桩周土体对桩体的约束作用，桩-土接触面会产生相对位移，从而使得桩侧摩阻力发生改变，不同深度处的桩侧摩阻力为

(2)

式(2)中：fs,mob,j为桩侧摩阻力，MPa；σT,j为j点处桩身应力，MPa；j=1，2，3，4，5表示从填土表面到桩底；D为桩体直径，mm；Δl为相邻两应变片之间的距离，mm。

规定向上的侧摩阻力为正，向下为负。图7为11 h及24 h时各工况桩侧摩阻力沿深度分布曲线。从图7可以看出升温时桩体受热膨胀，桩体上部产生负的侧摩阻力，下部产生正的侧摩阻力；降温时桩体受冷收缩，桩体上部产生正的侧摩阻力，下部产生负的侧摩阻力，位移零点位于距离填土表面200 mm处。无论有无工作荷载作用，桩侧摩阻力均随温度的升高而增大，且桩体下部侧摩阻力小于上部侧摩阻力，考虑是由于靠近桩端部分桩土的相对位移较小的缘故。

为更好地描述多次温度循环桩身侧摩阻力变化规律，以工况8条件下距填土表面200 mm深度处侧摩阻力为例，每次升温结束时侧摩阻力分别为-0.044 1、-0.045 99、-0.049 14 MPa，每次降温结束时侧摩阻力分别0.037 8、0.038 43、0.038 85 MPa。从图7可以看出随循环次数的增加桩侧摩阻力不断增加，但增加的幅度不大，考虑是随着循环次数的增加，桩周土体产生固结，导致土体的承载力提高的缘故。

图7 桩侧摩阻力沿深度分布曲线Fig.7 Pile shaft friction distribution curve along the depth

2.5 桩顶和桩周土体竖向位移变化规律

在工作荷载和温度荷载的作用下，桩及桩周土体会产生竖向位移。定义向上的位移为正，向下的位移为负，图8为多次温度循环的条件下桩周土体竖向位移随时间的变化曲线。

图8 桩周土体位移随时间变化曲线Fig.8 Displacement curve of soil around pile with time

曲线的拟合关系式为

s=-2×10-7t3+3×10-5t2-0.002 2t-0.009，R2=0.971 8

(3)

式(3)中：s为位移，mm；t为时间，h；R2为相关系数，R2越接近1表明关系式与试验数据越吻合。

从图8可以看出，升温阶段土体沉降速率较大，降温阶段沉降速率较小，随着循环次数的增加最后趋于平缓，考虑是由于温度循环导致桩周土体出现热固结的缘故。

图9(a)为工况1～3条件下桩顶位移随时间的变化曲线，从图中可以看出升温时桩体受热膨胀隆起，桩顶出现向上的位移，降温时桩体受冷收缩，桩顶向上的位移不断减小，同一时刻温度越高，向上的位移越大；图9(b)为工况4条件下桩顶位移随时间的变化曲线，从图中可以看出,升温时桩顶位移向上，降温时桩顶位移向下，每次循环结束时的位移均为正值并且随着循环次数的增加而增加，考虑是由于升温阶段桩体有膨胀并且有热量的累积，降温阶段没有完全收缩到初始状态，随着循环次数的增加桩体的膨胀量逐渐累积的缘故。

图9(c)为工况8条件下桩顶位移随时间的变化曲线，与工况4相比，由于上部荷载的约束使得升温时限制了桩顶向上的位移，降温时桩体收缩方向与施加工作荷载的方向一致，引起桩顶产生较大的沉降位移，随着循环次数的增加，桩顶的沉降位移不断累积，经过3次温度循环后，桩顶最终沉降为0.26 mm，约为0.3%D(D为桩径 )。 能量桩在实际工程的应用中有上部建筑荷载及冷热循环的作用，导致桩体产生累积沉降，会对结构的安全性、耐久性及正常使用造成不利的影响，因此在设计的过程中要充分考虑温度循环引起的桩体累积沉降。

图9 桩顶位移随时间变化曲线Fig.9 Pile top displacement curve with time

3 结论

(1)温度荷载作用下桩身和桩周土体的温度均随着升温的进程不断升高，随着降温的进程不断降低，桩身的温度变化幅度大于桩周土体；沿径向距离桩身越远，温度变化越滞后。

(2)桩端土压力在升温时逐渐增大，降温时逐渐减小；温度循环后桩端土压力有所增长，随着循环次数的增加桩端土压力的最大值呈逐渐减小的趋势。

(3)桩身热应力随着深度的增加呈现先增加后减小的趋势，最大值出现在桩身中部，同一深度处温度越高桩体内产生的热应力越大，随着循环次数的增加热应力产生累积，工作荷载条件下的热应力大于零荷载产生的热应力；升温时桩体上部产生负的侧摩阻力，下部产生正的侧摩阻力，降温时正相反；无论有无工作荷载，桩侧摩阻力均随温度的升高及循环次数的增加而增大，且桩体下部侧摩阻力小于上部侧摩阻力。

(4)工作荷载作用时，随着循环次数的增加桩顶的沉降位移不断累积，经过3次温度循环后，桩顶最终沉降为0.26 mm，约为0.3%D，对结构的安全性、耐久性及正常使用造成不利的影响，因此在设计的过程中要充分考虑温度循环引起的桩体累积沉降。