能源桩是利用建筑桩基础与周围岩土体进行热交换的新型结构和换热构件,具有高效开发利用浅层地热能和节省地下空间等优点。由于不同地区不同建筑物的能源需求各不相同以及对能源桩和桩周岩土体热-水-力耦合行为认识的匮乏,能源桩的设计和安全服役面临着挑战。本文采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的方法,对温度荷载作用下单桩与桩周土体的相互作用进行了重点研究,着重探讨了不同温度荷载形式对能源桩热-水-力耦合响应的影响,以反映建筑物不同能源需求对能源桩桩土相互作用的影响。本文开展的主要研究内容和取得的成果如下:（1）能源桩在土中的热-水-力耦合过程主要涉及桩、土以及桩-土界面,它们之间存在高度的耦合。本文针对饱和土,分别建立了桩传热、桩变形、土体传热、土体孔隙水运移、土体变形和桩-土界面变形的控制方程（共11个）,在此基础上提出了饱和土中能源桩的热-水-力耦合作用模型。重点讨论了它们之间的耦合途径。该模型能够考虑桩、土以及桩-土界面高度的耦合,其独立变量共有11个,包括桩温度T_p、桩位移u_p,i（x、y和z三个方向）、土体温度T、土体位移u_i（x、y和z三个方向）、孔隙水压力p_w、桩-土界面相对位移u_s和u_n。（2）开展了干燥粉土中单根能源桩在静态温度荷载作用下的热-力耦合模型试验,重点研究温度作用下能源桩桩顶位移变化规律。试验结果表明:桩升温时,桩顶隆起;桩降温时,桩顶沉降。桩顶位移变化趋于平缓的时刻早于温度变化趋于平缓的时刻,且在桩顶位移趋于平缓之后随着时间增加桩顶位移仍有缓慢变化。基于上述饱和土中能源桩的热-水-力耦合作用模型,不考虑土体中孔隙水运移,建立了干燥粉土中能源桩的热-力耦合模型,并基于该简化模型对上述模型试验进行了模拟分析。数值模拟结果与模型试验数据较吻合,能很好的反映温度作用下桩土相互作用和桩顶位移变化规律,同时反映桩顶位移除了受到桩热胀冷缩的影响,还受到因桩变形引起的土体变形和桩、土热传递引起的土体变形的共同影响。验证了该简化模型的合理性和可靠性。（3）基于上述饱和土中能源桩的热-水-力耦合模型,假设桩-土界面完全接触,重点研究不同温度荷载作用下能源桩桩顶位移变化机理和规律。针对饱和黏土中受到长期机械荷载作用的单根能源桩,共设置了四个温度荷载工况,包括:两个对称循环温度荷载和两个非对称循环温度荷载。数值分析结果表明:桩身温度变化引起桩身变形,桩身变形造成桩侧土体变形。同时,桩、土热传递过程引起土体中土骨架变形以及孔隙水压力变化导致土体进一步变形,最终土体的变形也影响桩的变形。以上共同决定了桩顶位移的变化。降温幅度较大时,桩收缩变形较大;且造成桩侧上部土体孔压增加幅度较大,有效应力减小较大;桩、土热传递幅度较大,土骨架收缩变形较大,导致桩顶沉降较大,为1.80mm。降温幅度较小时,桩顶沉降较小,为0.80mm。升温幅度较大时,桩膨胀变形较大;桩、土热传递引起的孔压较大,引起一定区域内孔隙水流动造成热对流较大,土体温度增加较快,土体膨胀变形较为明显,导致桩顶隆起较大,为0.90mm。升温幅度较小时,桩顶隆起较小,为0.45mm。在长期机械荷载作用下,四组工况下的最大冬季沉降和夏季隆起分别为1.80mm,0.90mm;0.80mm,0.45mm;0.80mm,0.90mm;1.80mm,0.45mm。说明温度变化对桩顶位移的影响较小,对桩的力学行为影响较小。在饱和黏土中,当降温加载速率过大时,土体中会产生更大塑性变形,需要关注冬季采暖需求较多的地区的能源桩安全使用问题。