考虑桩-土界面温变效应的能源桩承载特性研究

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浅层地热能资源丰富,具有清洁、可再生的优点,存在巨大的应用价值。能源桩在承载建筑荷载的同时可有效利用浅层地热能,满足建筑物供暖和制冷的需求,达到降低能耗和保护生态环境的目的。相比于传统钻孔埋管技术,能源桩经济实用、换热效率高,得到广泛应用。然而在能源桩的实际工程应用中,桩基内部的温度变化效应改变了桩-土界面力学特性,产生附加温度应力与变形,影响能源桩的承载特性。国内外学者针对能源桩传热模型及承载特性研究取得较多成果,然而在能源桩桩-土界面性状变化方面的研究较少,亟待开展温变效应对能源桩桩-土界面特性改变的研究分析。本文采用数值模拟、模型试验、理论分析等手段开展了考虑桩-土界面温变效应的能源桩承载特性研究,主要工作和成果如下:(1)通过数值模拟软件建立了不同工况的能源桩模型,开展了桩-土界面温度场模型的研究。针对模型桩的温度分布特性,分析了桩-土界面温度场的影响因素及温度扩散规律,通过对不同深度处桩-土界面的温度数据进行拟合,建立了能源桩桩-土界面温度场分布的指数函数模型。(2)通过室内模型试验开展了不同桩-土界面温度条件对能源桩承载特性影响规律的研究,获得了能源桩在温度-荷载耦合作用下的沉降变形规律,分析了能源桩桩身轴力、桩侧摩阻力-桩土相对位移在不同温度条件下的变化规律,验证了桩侧双曲线荷载传递模型的合理性。(3)基于所建立的桩-土界面温度场分布的指数函数模型,考虑径向温度应力对能源桩桩-土界面力学特性的影响,建立了温度应力影响下能源桩单桩桩端、桩侧荷载传递模型的具体表达式,形成了考虑温变效应的能源桩荷载-沉降迭代计算方法,并对比实测算例数据,验证了该荷载-沉降计算方法的合理性。(4)基于所提出的能源桩桩-土界面温变模型及荷载传递模型,通过数值模拟软件提供的用户子程序平台进行二次开发,并验证其合理性。利用二次开发后的数值模拟软件实现了不同温度工况下能源桩温度场及承载特性变化规律的研究。
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