謝金利,覃英宏,,李穎鵬,蒙相霖,譚康豪,張星月

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院；工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541000；3.廣西交通投資集團有限公司，南寧 530022）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對能源的需求量急劇上升。當(dāng)前主要供應(yīng)能源為煤炭、石油和天然氣等化石能源。傳統(tǒng)的化石能源雖能滿足目前人類社會對能源的大部分需求，但也向大氣中排放了大量溫室氣體，加劇了氣候變暖[1]。因此，可再生清潔能源技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N可再生能源，具有儲量大、分布廣、清潔無污染等特點，如何開發(fā)和利用淺層地?zé)崮芤殉蔀楫?dāng)前的研究熱點。地源熱泵(Ground Source Heat Pump)是目前使用范圍最廣的淺層地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)。地源熱泵的核心部分是地?fù)Q熱器，主要包括水平、豎直布置兩種形式，但因水平布置占地面積大和豎直布置鉆孔費用高等問題，限制了地源熱泵的大規(guī)模發(fā)展。而能源樁的出現(xiàn)給地源熱泵的廣泛應(yīng)用提供了新的思路。能源樁是通過在建筑結(jié)構(gòu)樁基中埋管，在滿足承載要求的同時又可以實現(xiàn)與淺地層的熱交換，有效利用了樁基礎(chǔ)預(yù)成孔，換熱面積大，成功克服了傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的缺陷[2]。能源樁發(fā)展至今已有30余年，中國雖然起步較晚，但成果頗豐，重慶大學(xué)、河海大學(xué)及清華大學(xué)等教學(xué)科研單位為能源樁的開發(fā)及推廣做出了重要貢獻。

能源樁的傳熱是一個復(fù)雜的水—熱耦合過程，伴隨著熱傳導(dǎo)和對流換熱等傳熱形式，在持續(xù)換熱過程中，能源樁在樁與樁周圍土體中產(chǎn)生溫度場，使樁體承受了額外的溫度應(yīng)力。筆者針對能源樁傳熱過程中涉及的影響因素、傳熱模型及溫度載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)進行系統(tǒng)地歸納總結(jié)，并指出目前研究中的不足和未來工作的方向，供研究人員參考。

1 傳熱性能影響因素

1.1 流體、管道的傳熱性能

流體與換熱管間通過熱對流及熱傳導(dǎo)進行熱交換，通常用換熱率QHE和單位管長換熱率（QHEP）來衡量換熱性能的大小，分別用式（1）、式（2）計算。

式中：QHE為換熱率，W；QHEP為單位管長換熱率，W/m；C為管內(nèi)流體的比熱容，J/(kg·K)；m?為流量，kg/s；ΔT為進出口流體溫度之差，K；L為管體長度，m。

換熱率表示單位時間內(nèi)能源樁與外界發(fā)生熱交換的規(guī)模，數(shù)值越大表明樁體與外界熱交換越充分；單位管長換熱率則描述了管體單位長度的換熱量，是衡量換熱效率的指標(biāo)。一般來說，二者數(shù)值越大，換熱性能越好。影響換熱性能的主要因素有管型、螺旋形管樁螺距、循環(huán)介質(zhì)流速和進水口溫度等。

1）管型。能源樁管型是影響流體與管壁熱對流的決定性因素。管型的設(shè)計原則是使管的換熱面積最大化。常見的管型有單U型、雙U型、三U型、W型、螺旋型等，詳見圖1。表1對比分析了近年來各種管型傳熱性能的研究成果[3-11]。由于螺旋狀管型能提供的換熱范圍最大，故傳熱效率最優(yōu)，但螺旋型管布設(shè)形式經(jīng)濟成本較高[3]，且施工較U型、W型管困難。選擇什么樣的管型要綜合考慮換熱性能和施工環(huán)境（如樁數(shù)、鉆孔長度和施工難度等）等因素[4]。

表1 不同管型傳熱性能比較Table 1 Comparison of heat transfer of different tube types

圖1 換熱管布設(shè)形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat exchange tube layout forms

2）螺旋形管樁螺距。Park等[12]對200、500 mm螺距的能源樁進行了熱性能測試，結(jié)果表明，較小的螺距提供了較大的換熱面積。因此，螺距越小，線圈總換熱率越大。但由于管間距離過小會引起管間熱流的相互干擾[13]，單位管長換熱率反而會降低。有學(xué)者提出在換熱管出水口下方添加保溫層，以減少換熱管的熱干擾和熱耗散[14]，但保溫層的長期工作性能和服役壽命仍有待研究。

3）循環(huán)介質(zhì)流速。在流速水平較低時，流體流動狀態(tài)近似層流，換熱率很低。此時增大流體流速會使流體與管壁的對流換熱系數(shù)提高，換熱量增加，換熱率明顯提高。但流速增加到一定值后，由于流體在管內(nèi)的換熱時間縮短，換熱不充分，換熱率反而降低[15]。因此，管內(nèi)介質(zhì)的流速不宜過高或過低，一般認(rèn)為只需確保其流動狀態(tài)為湍流即可。

4）進水口溫度。若無外界因素干擾，進口溫度主要由當(dāng)?shù)貧鉁貨Q定。由式（1）可知，進口溫度直接影響熱交換時進出口液體的溫度差，溫差越大，熱量傳導(dǎo)的動力越強，換熱率越高。相關(guān)研究表明，在一定范圍內(nèi)換熱率隨進口溫度升高近似呈線性增長[8-9]。

1.2 樁體傳熱性能

混凝土熱物性和樁體幾何尺寸是制約樁體內(nèi)導(dǎo)熱特性的主要因素?；炷潦菢渡砼c土進行熱交換的介質(zhì)，其傳熱性能通過導(dǎo)熱系數(shù)來衡量。研究表明，當(dāng)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)從1.2 W/(m·K)增加到2.5 W/(m·K)時，能源樁的傳熱性能可提高42%[16]。實際工程中，提高混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的同時往往要保證其力學(xué)性能，通常，合理的做法是在混凝土中加入一些導(dǎo)熱系數(shù)較高的水泥摻合料（如鋼纖維、石墨等）來實現(xiàn)。在一定范圍內(nèi)，樁長和樁徑的增加也有利于增大傳熱面積，提升傳熱性能[15]。如樁徑由0.5 m增加到0.7 m時，樁傳熱性能顯著提高，但樁徑增長到一定值后，換熱性能變化不明顯[16]。對樁的規(guī)格進行合理規(guī)劃設(shè)計要綜合考慮樁體傳熱、承載特性及成本等要素。但截至目前，能源樁的規(guī)劃設(shè)計仍主要依據(jù)過往項目經(jīng)驗，關(guān)于樁體傳熱特性的定量分析仍有待深入。

1.3 土的傳熱性能

1.3.1 含水率 總的來看，適當(dāng)增加含水率有利于增強土壤的儲熱和傳熱能力。一方面，隨著含水率的增加，一部分孔隙被水填充，顯著提高了土壤比熱容，增強了地面對冷能（熱能）的儲存能力[17]。另一方面，雖然在含水率水平較低時，土粒表面只覆蓋了一層水膜，對導(dǎo)熱系數(shù)影響不大，但隨著含水率的增加，土粒間產(chǎn)生“水橋”效應(yīng)，原本由空氣傳導(dǎo)的部分熱量轉(zhuǎn)為由導(dǎo)熱系數(shù)更大的水分傳遞[18]，使得土體整體導(dǎo)熱性能增強。因此，非飽和土的導(dǎo)熱系數(shù)與含水率成正相關(guān)。但對于飽和土，如果含水率過高，土粒間相互接觸產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)效應(yīng)弱化，導(dǎo)熱系數(shù)可能反而降低[17]。

1.3.2 礦物成分、干密度 土壤固相對導(dǎo)熱系數(shù)的影響可以通過土的礦物成分和干密度進行分析。不同土礦物成分導(dǎo)熱系數(shù)有明顯差別，如石英的導(dǎo)熱系數(shù)約為7～9 W/(m·K)，而云母、高嶺石及長石約2～3 W/(m·K)。為了量化由不同礦物成分組合而成的土粒的導(dǎo)熱系數(shù)，Johansen[19]提出將土中礦物劃分為兩類：石英和其他礦物。按照石英的含量（體積分?jǐn)?shù)20%為界限）分情形計算土體導(dǎo)熱系數(shù)。該方法計算簡便，有一定合理性，但未能考慮土體各組分的空間分布，同時，由于質(zhì)地不純、干密度及測量方法的不同，同類礦物測量所得的導(dǎo)熱系數(shù)也有所差異，因此，土體綜合計算結(jié)果與實際有一定誤差。

土的干密度越大，其單位體積的孔隙就越少，即孔隙率越小。土壤中氣體主要以自由態(tài)存在于土壤的孔隙中，極少部分以吸附態(tài)吸附在土壤顆粒表面或以溶解態(tài)溶解在水中。總體而言，土壤固體顆粒形狀、結(jié)構(gòu)和排列方式?jīng)Q定孔隙性狀、尺寸和分布，進而影響導(dǎo)熱系數(shù)[20-21]。隨著干密度增大，土壤固體顆粒的接觸面積增加，土的有效導(dǎo)熱系數(shù)更接近于土粒的固體導(dǎo)熱系數(shù)，故導(dǎo)熱系數(shù)的增大，如圖2所示[22]。另外，測試表明，土壤試樣的尺寸對導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大，故可以用現(xiàn)場試驗代替室內(nèi)試驗[23]。

圖2 不同含水率的砂土/黏壤土導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的關(guān)系[22]Fig.2 Relationship between thermal conductivity and dry density of sandy/clay loam with different moisture content[22]

1.4 長期換熱性能

地表以下10 m內(nèi)的地溫受太陽輻射和季節(jié)性天氣循環(huán)的影響，深度大于10 m時，土壤溫度保持相對恒定，有利于持續(xù)的熱交換[24]。在夏季，淺層地表平均溫度低于氣溫，可通過熱交換為地表建筑散熱；相反，冬季的地層溫度高于氣溫，夏季儲存在地下的熱量被提取并用于加熱。但是，若四季中制冷/制熱需求不均，樁周土體的熱量不斷累積，土溫?zé)o法自然恢復(fù)到初始溫度，將影響之后的周期性熱循環(huán)。通過在地源熱泵系統(tǒng)上配備太陽能集熱器或冷卻設(shè)備對地溫進行補償，可在一定程度上緩解熱泵系統(tǒng)內(nèi)部的能量失衡，但成本較高，對場地環(huán)境也有一定要求[25]。

2 傳熱模型

在地源熱泵系統(tǒng)中，熱輻射傳導(dǎo)的熱量忽略不計，主要由熱傳導(dǎo)和熱對流產(chǎn)生傳熱作用。一般來說，樁—土間的傳熱方式主要為熱傳導(dǎo)，但如果土層中存在豐富的地下水流動參與換熱，換熱方式將以熱對流為主。地下?lián)Q熱器的傳熱模型是發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)的前提，一個準(zhǔn)確而恰當(dāng)?shù)哪Ｐ湍転橄到y(tǒng)的整個傳熱過程提供有效的預(yù)測和指導(dǎo)。

2.1 線熱源模型

線熱源模型將樁—土間的傳熱過程簡化為以一個無限長的恒定熱流密度的熱源為中心，以輻射狀向外傳熱。線熱源模型可分為無限長線熱源模型與有限長線熱源模型。Mogensen于1983年提出了無限長線熱源模型的解析解。在此基礎(chǔ)上，Eskilson于1987年提出了有限長熱源模型，該模型能更好地描述地源熱泵系統(tǒng)埋地部分長時間運行狀況下的傳熱過程。Zeng等[26]在前人基礎(chǔ)上進一步推導(dǎo)了有限長線熱源半無限介質(zhì)的瞬時溫度響應(yīng)解析解。

2.2 圓柱熱源模型

圓柱熱源模型分為空心和實心兩類。王子陽等[27]考慮了土層間的熱物性差異，將不同土層的埋管換熱器簡化為分層空心圓柱面熱源，建立了考慮土壤分層的有限長圓柱熱源模型?？招膱A柱熱源模型將熱源簡化為圓柱面，從幾何維度上講，比線熱源更為先進。而實心圓柱模型將熱源簡化為三維圓柱體，其主要針對的是直徑大、鉆孔深度較淺且換熱管密集盤布于樁周的螺旋管樁。Man等[28]提出了考慮樁體熱容的一維和二維實心圓柱熱源模型。一維模型形式簡單，但其忽略了軸向熱流；二維模型則考慮了軸向傳熱和熱流邊界條件的影響，適用性更強但計算更為復(fù)雜。

2.3 存在地下水條件下的傳熱模型

一般認(rèn)為，地下水的存在對能源樁傳熱性能有積極影響。地下水位（土中孔隙的位面和飽和水分的位面之間的分界線）以下的水分在土層顆粒之間移動，形成水平流，而水平流可以降低樁周土溫度，緩解地層冷熱積累，改善傳熱性能，最終使土溫趨于穩(wěn)定。筆者以時間為序整理了若干瞬態(tài)傳熱模型，如表2所示。

表2 存在地下水條件下的瞬態(tài)模型Table 2 Transient model in the presence of groundwater

3 能源樁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

3.1 樁—土作用機制

3.1.1 樁基軸力變化趨勢 與常規(guī)樁基礎(chǔ)不同，承載時能源樁，與外界發(fā)生持續(xù)的換熱作用，產(chǎn)生額外溫度載荷。熱量的轉(zhuǎn)移將改變樁體溫度，使樁體膨脹（收縮）。受限于樁周圍巖土體的約束，樁基無法發(fā)生自由變形，在樁內(nèi)部會產(chǎn)生額外的溫度應(yīng)力。實際工程中，能源樁的樁型大多是摩擦樁，樁周土體施加的摩阻力和樁端約束力與外力相平衡。Amatya等[37]將能源樁假設(shè)為可受熱產(chǎn)生線性膨脹的桿，其應(yīng)力分為熱載荷引起的熱應(yīng)力和常規(guī)載荷引起的機械應(yīng)力（見圖3）。當(dāng)樁身溫度升高時，樁體膨脹，受樁周約束限制，軸向應(yīng)力增大；樁上部相對于土體向上運動，故受到向下的負(fù)摩阻力。樁下部相對土體向下運動，故受到向上的摩阻力（見圖3（a））。當(dāng)溫度降低時，樁身收縮，樁體軸向應(yīng)力相應(yīng)減?。粯渡喜肯鄬ν馏w向下運動，故受到的摩阻力向上，樁下部相對土體向上運動，故受到的摩阻力向下（見圖3（c））。溫度與上覆載荷同時作用時的軸力狀態(tài)如圖3（b）、（d）所示。對于端承型能源樁，溫度荷載下的應(yīng)力和位移均表現(xiàn)為熱彈性，未觀察到明顯的熱塑性變形，故溫度對其力學(xué)性能影響不大[38]。

圖3 有溫度載荷作用時樁基軸力分布[37]Fig.3 Axial force distribution of the energy pile under temperature loading[37]

一般來說，上覆載荷水平較低時，隨著摩阻力的積累，軸向應(yīng)力逐漸減小，到達一定深度后變?yōu)榱?，該零點處往下部分的應(yīng)力水平主要受溫度載荷影響。現(xiàn)場試驗結(jié)果也證實了這一點。Laloui等[39]檢測了能源樁單樁的受力情況，發(fā)現(xiàn)在溫度載荷和上覆載荷同時作用下，溫度對樁中下部的軸力影響較大，甚至?xí)^上覆載荷引起的應(yīng)力。Bourne-Webb等[40]也提出，冷熱循環(huán)作用下引起的溫度應(yīng)力較大，在制冷時，即使存在結(jié)構(gòu)上部載荷，樁身中下部也有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。

影響能源樁應(yīng)力和位移的主要因素包括上部荷載剛度、樁端土體剛度以及樁內(nèi)埋管形式等。王成龍等[41]研究表明，隨著機械載荷剛度的增加，樁體的溫度—位移零點將上移，熱應(yīng)力隨深度的增大而減??；相反，若樁端土體剛度增大，樁體的溫度—位移零點將下移，熱應(yīng)力隨深度增大而增大。樁內(nèi)埋管形式也會影響樁體內(nèi)部溫度應(yīng)力，王成龍等[42]研究表明，加熱時W型埋管形式樁體應(yīng)力是螺旋型的1.6倍、單U型的2.4倍，制冷時分別為螺旋型和單U型的1.3倍和1.8倍。

3.1.2 樁周土體熱—力耦合特性及影響 能源樁與土發(fā)生熱傳導(dǎo)，引起土體溫度沿樁體徑向變化，從而引起土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。從土的角度看，影響樁的承載力和性能的主要因素包括水—熱耦合過程中土壤的熱硬化、熱誘導(dǎo)水流、超靜孔隙水壓力的發(fā)展和熱固結(jié)后的體積變化。對于正常固結(jié)土，升溫條件下塑性應(yīng)變的硬化效應(yīng)與等應(yīng)力排水條件下邊界面產(chǎn)生的軟化效應(yīng)相抵消，土體產(chǎn)生塑性壓縮，塑性壓縮變形遠大于土體骨架熱彈性膨脹變形，故總體表現(xiàn)為體積縮小。加熱導(dǎo)致土體在孔隙水排出過程中發(fā)生固結(jié)，土粒之間結(jié)合更加緊密，抗剪強度增大[43-44]，同時，孔隙壓力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛赏亮９羌艹袚?dān)的有效應(yīng)力，從而強化樁—土作用面處的側(cè)摩阻力。高固結(jié)土體的骨架熱脹效應(yīng)較明顯，塑性壓縮變形不足以抵消熱脹效應(yīng)，最終表現(xiàn)為體積增加。其受孔隙水排出的影響很小，溫度升高引起的超靜水壓力不易消散，故加熱可能導(dǎo)致抗剪強度減小。

Yazdani等[45]通過模型試驗研究了能源樁在飽和正常固結(jié)黏土中承受循環(huán)溫度載荷時的孔隙水壓力（PWP）及極限承載力的變化情況，見圖4。由于跟樁基發(fā)生熱傳導(dǎo)，樁周土體溫度和孔隙水壓力都產(chǎn)生周期性變化，周期基本相同。熱誘導(dǎo)引起的孔隙水壓力的變化程度主要由黏土的加熱和冷卻速率及滲透性和壓縮性決定[46]。除了初始階段孔隙水壓力為正，往后基本處于負(fù)值（負(fù)壓），究其原因，水分在溫度梯度作用下發(fā)生定向遷移，使得土粒與孔隙水之間表現(xiàn)為吸力。此種吸力作用有：1）降低孔隙水平均壓力，土體骨架承擔(dān)的應(yīng)力增加；2）由吸力引起的毛細現(xiàn)象使土顆粒表面產(chǎn)生進一步的黏結(jié)作用。結(jié)果表明，在熱載荷作用下，由于樁—土界面內(nèi)摩擦角和有效應(yīng)力的提高，樁側(cè)摩阻力與樁身軸力顯著提高，但增加溫度循環(huán)次數(shù)對樁身承載力影響不大。

圖4 熱循環(huán)狀態(tài)下土的溫度與孔隙壓力呈周期性變化[45]Fig.4 The temperature and pore pressure of soil under thermal cycling state change periodically[45]

對于不會發(fā)生固結(jié)或固結(jié)程度較低的砂土，溫度變化引起的體積膨脹（收縮）很小[47]，只需考慮土體骨架的熱脹冷縮變形以及樁—土之間的變形差異引起的荷載重分配現(xiàn)象。Wang等[48]通過現(xiàn)場試驗對砂土地基中能源樁溫度載荷作用下樁身承載力與位移變化趨勢進行了研究，結(jié)果表明：在一個完整的溫度循環(huán)結(jié)束后，樁端承載力沒有損失，樁身尺寸基本恢復(fù)原狀，表現(xiàn)出熱彈性。Kramer等[49]對在干砂狀態(tài)下運行的能量樁進行研究發(fā)現(xiàn)，升溫工況下極限承載力隨著樁體的膨脹而增大。但在制冷時由于樁體的橫向收縮，樁土間的水平土壓力減小，側(cè)摩阻力減小，樁體的承載力略微降低[50]。

3.2 樁基沉降

在巖土工程設(shè)計中往往需要考慮樁基沉降。過度的樁基均勻沉降使得建筑物高程降低，影響建筑正常使用，而不均勻沉降更會使建筑產(chǎn)生附加應(yīng)力而引起裂縫，甚至局部構(gòu)件斷裂。樁體沉降由樁本身的彈性壓縮和樁端土體壓縮產(chǎn)生的樁端沉降組成。McCartney等[51]通過離心機縮尺試驗表明，隨著溫度升高，樁體膨脹并且土體排水后抗剪強度增強，樁側(cè)摩阻力得到強化，故相同載荷水平下，溫度越高，樁端沉降量越小（見圖5）。

圖5 不同溫度下樁端沉降量與軸向載荷的關(guān)系[51]Fig.5 Relationship between pile tip settlement and axial load at different temperatures[51]

陸浩杰等[52]、孔綱強等[53]、王成龍等[54]、任連偉等[55-56]通過對能源樁的長期運行狀態(tài)進行監(jiān)測，指出在工作載荷、溫度載荷共同作用下，樁體內(nèi)部產(chǎn)生少量殘余應(yīng)變導(dǎo)致樁體下沉，影響樁體穩(wěn)定性；提出了考慮溫度作用效應(yīng)的樁—土摩擦系數(shù)的計算方法。另外，埋管形式對樁體沉降也有影響[42]，加熱時W型埋管形式的樁基沉降量為單U型的1.8倍、螺旋型的1.6倍。在制冷時，W型埋管形式的樁體位移變化也最明顯，為單U型的1.7倍。

3.3 群樁承載特性

對于群樁，溫度荷載會引起樁群的內(nèi)力重分布。隨著附加沉降的累積，能源樁側(cè)阻力及樁端阻力退化，導(dǎo)致常規(guī)樁的承載壓力增大，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)失效。Peng等[57]和Rotta Loria等[58]針對能源樁在群樁中的位置影響作用展開研究，結(jié)果表明，能源樁與承臺之間的相互作用會改變能源樁的力學(xué)特性，非加熱樁的力學(xué)特性也會受到影響；群樁效應(yīng)會降低能源樁的換熱效率；溫度荷載一定時，能源樁與常規(guī)樁之間產(chǎn)生相互影響的主要原因是二者之 間 的 不 協(xié) 調(diào) 變 形。Murphy等[59]、Salciarini等[60]對能源樁群樁的長期承載水平進行了研究，結(jié)果表明，群樁荷載重分布效應(yīng)在熱傳導(dǎo)過程中早期達到峰值（此時換熱樁與普通樁之間的溫差最大），此后隨著時間的推移逐漸減小，直至達到穩(wěn)態(tài)；熱軸向應(yīng)力和位移在合理范圍內(nèi)。總之，能源樁的承載過程受到各種因素之間相互作用的影響，其承載特性是多因素條件下的綜合反映。

3.4 巖土熱-力耦合本構(gòu)模型

熱塑性效應(yīng)在土體熱機械響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，非等溫條件下的土體力學(xué)行為建模需要先進的彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變理論框架。Hueckel等[61]基于實驗結(jié)果提出了宏觀熱力學(xué)模型，首次引入了熱塑性的概念。通過改進傳統(tǒng)的劍橋模型，提出了屈服面的熱收縮效應(yīng)，給出了細粒土的熱塑性本構(gòu)模型，其中溫度被視為變量，認(rèn)為隨著溫度的升高，先期固結(jié)壓力降低。但此模型無法描述一些特定的熱—力學(xué)行為，如中等固結(jié)度的土體受熱產(chǎn)生的不可逆熱應(yīng)變。據(jù)此，Modaressi等[62]提出了黏性熱塑性模型，用于檢驗先期固結(jié)壓力隨溫度的變化趨勢。之后，Laloui等[63]給出了先期固結(jié)壓力隨溫度變化的表達式，進一步提高了模型的有效性。Cui等[64]增加了新的熱屈服函數(shù)，以描述不同固結(jié)比下產(chǎn)生的不可恢復(fù)的熱應(yīng)變，進一步完善了Hueckel等[61]提出的熱塑性模型。中國對巖土熱—力本構(gòu)方面的研究還較少，Yao等[65]、孔令明等[66]提出了關(guān)于超固結(jié)土的等向應(yīng)力—應(yīng)變—時間關(guān)系式，并考慮了溫度變化對黏土體積和強度參數(shù)的影響，建立了超固結(jié)土的熱黏彈塑性本構(gòu)模型。

3.5 樁體結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值模擬

基于有限元方法的數(shù)值模型是除試驗之外的有利補充。Rotta Loria等[67]對能源樁進行了熱—水—力有限元耦合分析，提出了溫度位移零點的概念。對于無上覆荷載時升溫工況下的摩擦型能源樁，以溫度位移零點為界，上下兩側(cè)產(chǎn)生變形。升溫過程中，溫度位移零點以上的側(cè)摩阻力隨深度增加，零點以下的側(cè)摩阻力隨深度減小。故溫度位移零點也是附加熱應(yīng)力極值點，與Amatya等[37]結(jié)論一致（見 圖3（a））。Di Donna等[68]、Tsetoulidis等[69]及Saggu等[70]采用彈塑性模型模擬了能源樁的樁—土界面力學(xué)行為，指出熱載荷對樁身應(yīng)力和位移影響的嚴(yán)重程度與參與換熱的能源樁數(shù)量以及樁與其周圍土體熱膨脹系數(shù)的相對值有關(guān)。費康等[71-72]考慮了溫度變化對土體力學(xué)性能的影響，模擬了黏土地基中能源樁的力學(xué)特性，指出上覆載荷越高，溫度循環(huán)次數(shù)越多，樁頂累積沉降越大；采用雙曲線模型模擬樁—土交界面上的力學(xué)行為，考慮群樁之間的相互作用，建立了能量樁群樁基礎(chǔ)工作特性的簡化分析方法。有限元方法考慮了材料的非線性及復(fù)雜的邊界、荷載條件，但計算十分復(fù)雜，研究簡便實用的能源樁工作特性簡化分析方法對能源樁設(shè)計以及維護有重要意義。

4 綜合討論

4.1 傳熱模塊討論

4.1.1 傳熱性能討論 傳熱性能是能源樁的核心性能，不少學(xué)者針對能源樁傳熱狀態(tài)的影響因素做了大量研究。但總的來看，仍存在一些不足：

1）考慮到換熱范圍有限，能源樁的作用對象大多為低層建筑，因此，設(shè)計樁長一般不大。在一定土層深度范圍內(nèi)，土體溫度梯度變化的范圍有限。在寒冷地帶，環(huán)境溫度與土層溫度相差較大，地源熱泵熱效率較高，因此，較為成功的地源熱泵相關(guān)案例大都在偏冷地區(qū)；而在溫度較高的地區(qū)，如熱帶和亞熱帶地區(qū)，地源熱泵換熱效率較低。作為地源熱泵的特殊形式，能源樁在溫暖地帶的經(jīng)濟性值得探討。

2）長期換熱的穩(wěn)定性是能源樁急需解決的問題。季節(jié)性負(fù)荷（冷暖季供暖與制冷需求不平衡導(dǎo)致的地層溫度失衡）是影響能源樁長期換熱性能的主要因素。在地下水豐富的區(qū)域，地下水的流動可在相當(dāng)程度上緩解地層溫度的失衡，而在無地下水區(qū)域，則需對土層進行一定程度的熱量補償，但有效的熱量補償形式有待設(shè)計和完善。

3）換熱管長期承受循環(huán)介質(zhì)的沖刷與腐蝕，其耐久性需引起重視。管體破損除了影響換熱效率外，由于流體直接與樁體材料接觸，還可能降低混凝土樁體的承載力和耐久性。此外，換熱管的更替技術(shù)也有待研究。

4）換熱管、樁間距布置不當(dāng)將會產(chǎn)生熱干擾現(xiàn)象，但關(guān)于二者對換熱效率影響程度的量化研究仍有待深入。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合工程實際，兼顧成本、結(jié)構(gòu)安全等要素，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計，確保樁體換熱與承載性能長期穩(wěn)定。

4.1.2 傳熱模型討論 無限長線熱源模型運用于地源熱泵系統(tǒng)將會受到一定的限制，計算結(jié)果與實際有一定偏離。原因在于該模型只是孤立地考慮單管傳熱，而對于管間的熱干擾及運行時間對周圍土體的影響都沒有考慮。但由于該解析式簡單易用，至今在地下?lián)Q熱器中的應(yīng)用仍十分廣泛。用有限長線熱源模型可得穩(wěn)態(tài)溫度場，系統(tǒng)長時間運行后熱源周邊溫度場趨于穩(wěn)定，較之無限長線熱源模型結(jié)果更為精確，但計算更為復(fù)雜。

空心圓柱熱源模型考慮了鉆孔實際形狀的導(dǎo)熱影響，比線熱源模型更為完善。但當(dāng)傳熱時間較短或圓柱體尺寸過大、回填材料及埋管的導(dǎo)熱性不可忽視的時候，會與實際產(chǎn)生較大誤差。實心圓柱模型主要針對螺旋埋管樁和時間步長較短的加熱過程。該模型的解析解表達式簡單，便于數(shù)值計算。有地下水存在的情形下，換熱條件較為復(fù)雜，考慮水流流速、土體滲流特性及樁基軸向傳熱，提出瞬態(tài)熱源模型，大大提高了能源樁傳熱模型的適用性。

除能源樁本身的幾何構(gòu)型外，影響建模準(zhǔn)確度的因素還很多，如地面溫度分布、土壤含水量及其熱物性、地下水運動等。為簡化分析過程，當(dāng)前大多數(shù)模型都忽略了上述變量的影響。

從時間上看，地面溫度是一個變量，時間跨度較長時，地溫的變化不可忽略；從空間上看，地面溫度場也并非均勻分布，水平與豎直方向的分布有所差異。常見的模型都將地表溫度設(shè)為恒定（一般為0℃），但若地表溫差形成的溫度梯度過大時，將對模型的精確度造成相當(dāng)程度的影響。

土壤含水率及其熱物性與土壤的導(dǎo)熱系數(shù)息息相關(guān)，當(dāng)前主要通過假設(shè)土層為均勻介質(zhì)，測試幾種不同類型的天然土的導(dǎo)熱系數(shù)，引入?yún)?shù)，按建議參數(shù)取值并保持不變，但實際上土的導(dǎo)熱系數(shù)在不同類型的土和不同含水率下的連續(xù)變化很難通過參數(shù)取值進行預(yù)測，同時，熱量的傳遞將引起土的滲透性和力學(xué)特性的改變，這種變化又反過來影響土的熱物性。如何描述土的熱物性是建立模型的挑戰(zhàn)之一。

能源樁在含水地層的熱交換可以看作是土顆粒與孔隙水的熱傳導(dǎo)、地下水運動時與樁及樁周土的熱對流。整個過程是各因素相互耦合的瞬態(tài)過程，但當(dāng)前主要用穩(wěn)態(tài)模型進行模擬，有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ａ硗?，出于成本和操作難度的考量，實際工程中很難獲取準(zhǔn)確的水文地質(zhì)信息。綜上所述，各傳熱影響因素間的相互耦合十分復(fù)雜，仍存在很多亟待解決的問題。

4.2 結(jié)構(gòu)熱-力響應(yīng)討論

4.2.1 樁—土作用討論 樁周土體的熱響應(yīng)對樁基承載力的影響是多方面的。溫度變化引起樁體周期性的脹縮變形，改變了樁—土接觸狀態(tài)。可近似認(rèn)為樁周土承受了循環(huán)剪切作用，樁—土接觸應(yīng)力可能隨樁體溫度循環(huán)而逐漸衰減，使樁側(cè)摩阻力減小，不斷弱化樁基的承載性能。另外，對于黏性土而言，熱循環(huán)作用影響了土體的脹縮特性，使樁體產(chǎn)生剛性位移。熱循環(huán)引起土中水分的定向遷移，使土體干縮/膨脹。溫度變化將使土體產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，溫度升高時，同時存在彈性和塑性變形,塑性變形隨著土超固結(jié)度的增大而減?。粶囟冉档蜁r，則只有彈性變形。循環(huán)干縮/膨脹會使黏性土顆粒的集聚和排列方式發(fā)生變化，從而引起土體微觀結(jié)構(gòu)的改變。在早期的干濕循環(huán)中，由于土體結(jié)構(gòu)連結(jié)效果減弱，土體脹縮特性較為敏感。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，達到某種平衡狀態(tài)，土體的循環(huán)脹縮特性趨于穩(wěn)定，但由于存在塑性變形，脹縮過程并不完全可逆。

4.2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型討論 區(qū)別于常規(guī)樁基，能源樁在熱—力耦合下的承載特性有明顯區(qū)別。樁基與土體存在熱物性上的顯著差異，在溫度作用下會產(chǎn)生不同程度的熱脹冷縮變形，使樁周土體對樁體的約束產(chǎn)生變化，樁土界面法向接觸應(yīng)力隨之改變。目前提出的模型主要基于荷載傳遞法，即假設(shè)應(yīng)力與位移的傳遞函數(shù)（主要為折線、雙曲線模型及指數(shù)模型等），預(yù)估溫度位移零點位置，將樁體單元由溫度變化引起的變形作為變量，以樁體整體平衡條件作為控制方程，通過迭代計算得到樁的側(cè)摩阻力及樁端阻力。但傳統(tǒng)荷載傳遞模型不能反映樁—土界面加/卸載循環(huán)剪切性狀和樁—土界面反向加載時的殘余位移，也不能反映樁側(cè)土體固結(jié)過程中樁—土界面法向應(yīng)力遞增時樁—土界面的剪切力學(xué)特性。上述傳遞函數(shù)均未考慮溫度變化對土體力學(xué)行為和樁—土函數(shù)傳遞關(guān)系的影響，尤其對力學(xué)性質(zhì)隨溫度有明顯變化的黏性土來說，模型的有效性需要驗證。模型還需要關(guān)注到土壤的熱—力耦合效應(yīng)，而當(dāng)前考慮熱效應(yīng)的土壤本構(gòu)模型比較復(fù)雜，再疊加能源樁的循環(huán)溫度荷載，實際的樁—土工作狀態(tài)的描述仍有待探討。同時，考慮循環(huán)溫度荷載、群樁效應(yīng)、樁端約束形式和間歇運行等因素的樁基計算也是未來研究的重、難點。

5 結(jié)論與展望

針對開發(fā)利用地?zé)崮艿钠惹行枨螅钊敕治隽四茉礃秱鳠峒俺休d特性，描述了傳熱效率的影響因素，介紹了樁基結(jié)構(gòu)響應(yīng)，闡述了傳熱模型和荷載傳遞模型的研究現(xiàn)狀并進行了綜合評價。

1）傳熱影響因素方面，當(dāng)前研究主要集中在換熱管管型和布置形式、流體溫度和流速以及樁身和土體導(dǎo)熱系數(shù)等宏觀層面，筆者認(rèn)為后續(xù)的研究應(yīng)更多地考慮微觀層面，如液—樁—土間的接觸狀態(tài)、樁身材料、樁周土顆粒形態(tài)和顆粒間的接觸形式等，以傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，對能源樁傳熱全過程進行理論及試驗分析，從根本上了解各因素對能源樁換熱性能的影響。

2）傳熱模型方面，當(dāng)前主流的模型皆以直線形、圓柱形熱源模型為基礎(chǔ)，二者有著各自的適用性和局限性，需視情況進行選取?？紤]地溫邊界、土壤熱物性變化和地下水等條件的模型尚待提出和完善，同時應(yīng)更加注重原位試驗，以驗證模型的準(zhǔn)確性。

3）結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面，研究表明，溫度應(yīng)力作用下，樁基承載力會有一定衰減，但具體機理并不十分清楚。應(yīng)從樁—土熱交換本質(zhì)入手，考慮樁—土接觸機理和土的自然歷史條件等因素，全面評估熱交換對承載能力的影響。