静钻根植工法地热能源桩是一种将静钻根植工法与地源热泵技术相结合的新型地热能源桩,将换热管置于桩外水泥土中,有效避免换热管损坏且便于施工,具有广阔的应用前景。目前,地热能源桩在深厚软土地基中应用较少,其理论研究和现场原位试验开展不多,把静钻根植工法桩作为载体的地热能源桩热-力学特性的研究基本空白。因此本文以外置双U型静钻根植工法地热能源桩为对象,采用原位试验、理论分析与数值计算等手段,对静钻根植工法地热能源桩热交换性能和热-力学特性展开研究,进一步促进其推广应用。为了探究该型桩的热交换性能和热-力学特性,首先通过现场热响应试验,在分析其换热机理的基础上,分别利用线热源、空心柱面热源和实心柱面热源三种理论模型分析其岩土综合导热系数,并对三种理论模型进行比较,同时讨论了三种理论模型初始时间与岩土综合导热系数λ的关系,采用实心柱面热源模型分析静钻根植工法地热能源桩的岩土综合导热系数比较合理。其次建立三维传热数值模型,分析静钻根植工法地热能源桩温度分布特性,并与实测值进行对比,表明地热能源桩主要沿径向换热。试验初期,钻孔内为瞬态换热,温度变化明显,温度影响半径小于0.5m;试验后期,钻孔内换热接近稳态,温度影响半径小于1m。桩身温度随着深度先增加后降低,呈现中间略高,两端稍低的状态,桩顶和桩底温度要低于桩中部温度,桩身中部附近的温度达到最大。此外,利用三维传热模型分析换热管间距及其导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数等因素对该型桩换热性能的影响。分析结果表明,提高换热管间距、换热管导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数均能提高地热能源桩的换热性能,但当换热管间距大于0.25m,换热液流速达到紊流态,换热管和桩周水泥土导热系数高于岩土综合导热系数后,提高上述参数对地热能源桩换热性能的贡献不大。地热能源桩换热性能受岩土综合导热系数影响,且变化为线性。预制管桩导热系数对地热能源桩换热性能影响较小。通过现场实测,发现桩身自由热应变分布与桩身温度分布大致相同,随着深度先增大后减小,呈现中间略高,两端稍低的状态。观测应变增量与温度增量成正比,两者变化同步。桩身观测应变从位移零点向两端逐渐增大。桩体升温后由于桩周约束的存在,桩体产生约束应变,存在附加轴向压应力。随着桩身温度的上升,桩身附加应力也逐渐增大。总体上,桩体附加应力分布规律与观测应变相反,呈中间大,两端小的趋势。在桩身整体升温6℃时,桩身最大附加压应力位于桩中下部,达到1.7MPa。桩身沿深度各截面附加应力与温度增量呈线性关系。热响应试验全过程中,桩都处于热弹性状态。附加桩侧摩阻力分布特性研究表明,桩位移零点位于桩身中偏下处。下部土层强度相对于上部土层越高,位移零点越向下偏移。桩身位移零点上下分别产生负侧摩阻力和正侧摩阻力。位移零点附近的正、负摩阻力增量相对其他位置较小,越接近两端,桩侧附加摩阻力的值越大,其极值分别为-5kPa和9kPa。附加桩侧摩阻力随着温度升高而增大。基于本文现场试验和公开的现场试验数据,提出部分约束条件下地热能源桩热-力学响应规律,分别考虑均质土层和桩顶存在软弱层的情形。同时发现不同桩型和施工工艺对地热能源桩的热-力学特性存在影响。本文通过现场试验、理论分析以及数值模拟,对宁波深厚软土地区静钻根植工法地热能源桩热交换性能和热-力学特性进行研究,为进一步研究地热能源桩设计方法提供参考。