串聯(lián)式能量排樁逆轉(zhuǎn)流向現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)

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(diǎn)試驗(yàn)室，南京 210098；2.三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌 443002；3.中國(guó)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(duì)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(duì)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(fù)荷［1-14］. Laloui和Bourne-Webb 等分別對(duì)在黏土中的摩擦型樁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，加熱—冷卻過(guò)程會(huì)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(kāi)展了建筑物供暖條件下的能量樁季節(jié)性熱響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)，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(duì)軸向約束應(yīng)變分布會(huì)產(chǎn)生持續(xù)影響［17］. Akrouch等開(kāi)展了不同荷載等級(jí)下能量樁拉拔試驗(yàn)，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(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于掌握能量樁熱力響應(yīng)特性、指導(dǎo)能量樁設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義. 然而，針對(duì)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(duì)較少. 因此，本文針對(duì)黏土地基中摩擦型能量排樁開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，實(shí)測(cè)進(jìn)/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(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

本試驗(yàn)場(chǎng)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(zhǎng)L 在21.8 m至24.5 m不等. 混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)振弦式傳感器. 傳熱管采用高強(qiáng)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(chǎng)土性參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣、室內(nèi)土工測(cè)試獲得土體物理力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)土性參數(shù)如表1所示.

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

1.3 試驗(yàn)過(guò)程與研究方案

本試驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)為期20 d、共480.8 h. 試驗(yàn)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(chǔ)熱能力. 三根試驗(yàn)?zāi)芰颗艠堕g距為2.5 m，位于黏土地基中，樁頂自由無(wú)約束. 本試驗(yàn)采用國(guó)際通用的熱響應(yīng)測(cè)試方法，將三根能量樁串聯(lián)，通過(guò)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(yàn)分兩個(gè)階段，第一階段（10 月10—20 日），循環(huán)水流從1 號(hào)樁進(jìn)入，通過(guò)串聯(lián)管路，從3 號(hào)樁流出，為期10 d；第二階段（10 月20—30 日），循環(huán)水流從3 號(hào)樁流入，1 號(hào)樁流出，為期10 d. 通過(guò)安裝在傳熱管進(jìn)/出口處的溫度計(jì)和能量樁體內(nèi)部的混凝土應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)進(jìn)/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(duì)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(cè)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(yàn)結(jié)果與分析

圖2 能量排樁總進(jìn)/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(jìn)/出口水溫變化規(guī)律

能量排樁第一階段（前240 h）的總進(jìn)/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(yàn)運(yùn)行期間，進(jìn)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(yùn)行約0.6 h后，進(jìn)/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(dá)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(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示，由圖3可見(jiàn)，樁體溫度隨時(shí)間均衡上升，上升幅度逐步降低. 第一階段，1號(hào)樁溫度最高，3號(hào)樁溫度最低. 第二階段，循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)，3號(hào)樁溫度迅速上升，其后續(xù)溫度變化趨勢(shì)與第一階段1號(hào)樁溫度變化趨勢(shì)相一致；而1號(hào)樁溫度迅速降低，其后續(xù)溫度變化趨勢(shì)與第一階段3號(hào)樁溫度變化趨勢(shì)相一致；2號(hào)樁溫度未出現(xiàn)波動(dòng). 由此表明，串聯(lián)能量排樁循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)對(duì)于正中樁溫度基本無(wú)影響，而對(duì)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(shí)間內(nèi)重新達(dá)到換熱平衡，新達(dá)到的換熱平衡與第一階段對(duì)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(huì)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?chǔ)臫的公式如下（McCartney&Murphy，2012）［19］：

式中：αs是應(yīng)變計(jì)中鋼絲的線膨脹系數(shù)；ΔT 是應(yīng)變計(jì)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(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示. 由圖4可見(jiàn)，第一階段中，1號(hào)樁的軸向約束應(yīng)變明顯大于3號(hào)樁，流向逆轉(zhuǎn)之后，1號(hào)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?。坏诙A段結(jié)束，1號(hào)樁軸向約束應(yīng)變大小與第一階段結(jié)束時(shí)相同. 而3號(hào)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(diǎn)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(jì)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(cè)量處樁基的溫度變化. 負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力.

能量樁運(yùn)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(jiàn)，能量樁樁體最大軸向約束應(yīng)力在樁體中部（10 m）處. 1號(hào)樁兩試驗(yàn)階段結(jié)束時(shí)，樁身軸向約束應(yīng)力十分接近，而3號(hào)樁有較大差別. 兩根邊樁對(duì)于溫度的響應(yīng)在深度方向上呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，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(shí)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(shí)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(duì)黏土地基中循環(huán)水流向逆轉(zhuǎn)對(duì)于串聯(lián)能量排樁熱響應(yīng)特性的影響開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）本文試驗(yàn)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(dá)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(huì)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(duì)于正中樁基本無(wú)影響，而對(duì)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.