能源桩(energy piles)是将地埋管换热器置于桩基中的一种地源热泵技术,其利用了混凝土结构较高的导热性能和换热截面,从而比传统钻孔埋管换热器有更高的换热效率,同时又节省了大量的钻孔和回填材料费用,因而其技术经济优势十分明显。能源桩的大规模推广应用存在两大主要问题,其一是能源桩的换热效率评价不够精确和全面,尤其缺乏对能源桩在周期性运行时的工作性能评价,因而在优化系统运行设计和经济性评价方面缺乏依据；其二,缺乏必要的现场实测工作来探讨能源桩换热过程中的结构热-力学特性,因此结构物的安全性或耐久性受到换热的影响程度欠缺有说服力的证据。以上问题的存在严重阻碍了这项技术的大规模使用,因而亟待研究。本文以能源桩的运行特征为研究对象,在信阳地区开展了两项原位试验,结合理论分析、室内试验和数值模拟等方法研究了能源桩的换热性能和结构热-力学特性,为能源桩的推广应用提供了一定的科学依据。本文首先通过现场实测及室内试验获取了试验场地各层岩土体的热物性参数,分析了信阳地区典型岩土体物理力学参数与导热系数之间的关系及其影响因素。结果显示矿物组份和含水率是影响岩土体热物性的主要因素,矿物组分中石英含量越高(粘土含量越低),导热系数越高,解释了信阳地区白垩纪泥质粉砂岩导热系数相对较低的原因为其粘土含量较高(约60%),而石英含量较低(约30%)；岩土体导热系数随含水率的变化较为敏感,通过实测数据建立了含水率与粉砂岩导热系数之间的函数关系,建议在能源桩设计时应考虑含水率对岩土体导热系数的影响。通过室内试验分析了混凝土不同配合比、温度、干湿状态及配筋率等因素对导热系数的影响,建立了不同影响因素与混凝土导热系数之间的量化关系,分析了各项影响因素的敏感性,从大到小排序为：干湿状态、配筋率、水灰比、粗骨料含量、温度和细骨料含量。通过解析法、数值模拟及现场实测等方法研究了能源桩换热过程中的温度场变化特征。分析了双U型埋管和螺旋型埋管能源桩桩内温度场分布特征及其影响因素,建立了温度场与影响因素之间的量化关系；在相同热流密度下,桩内温度场主要受桩径和回填材料导热系数的影响,桩径越小,导热系数越大,桩内温度上升的速率越快,相应的桩内温度越高。不同传热模型针对不同埋管型式能源桩的适用性不同,试验验证显示有限长圆柱面热源模型对双U型埋管能源桩具有更好的适用性,其计算误差小于4%,有限长线圈热源模型对螺旋型埋管能源桩具有更好的适用性,其计算误差小于2.5%。能源桩桩周温度表现为以地埋管为中心向外传递,在横向呈抛物型上升或下降,在纵向则表现为差异特性,桩端部位与桩中间区域存在明显的温度差异,建议能源桩设计时在桩端区域适当增加埋管量以提高换热效率；实测了岩土体温度扩散过程,在制热结束经过了约25天的地温恢复后,桩周岩土体平均温度升高了约1℃,验证了地源热泵运行过程中冷、热平衡的重要性。对四种不同埋管型式(双U型、三U型、双W型和螺旋型)能源桩分别进行了冷、热响应测试,获得了其制热(冷)性能,进而对能源桩地源热泵系统的运行方式提出了合理化的建议。测试成果显示双U型埋管能源桩的制热(冷)性能最差,双w型埋管和螺旋型埋管能源桩的制热(冷)性能基本相同,其换热效率高于双U型埋管能源桩67%-69%,三U型埋管能源桩具有最佳的换热性能,其换热性能比双W型埋管和螺旋型埋管能源桩高约7.8%。大管径地埋管能源桩具有更好的换热效率,相比25mm管径的地埋管,采用32mmm管径地埋管的换热效率提高了约32%。相比能源桩热能输出的经济效益,地埋管的成本影响十分有限,其回收期仅为30-35天,综合能源桩安装成本和换热效率,推荐三U型埋管和螺旋型埋管能源桩作为优选方案。对比了能源桩与钻孔埋管换热器的换热效率差异,得出能源桩换热性能明显优于钻孔埋管换热器。通过现场原位试验模拟了能源桩在结构荷载、温度荷载及结构+温度荷载共同作用下的受力工况,获得了能源桩在不同荷载作用下的桩身应变及桩顶位移,以此为基础计算获得了桩身荷载曲线、桩侧摩阻力曲线及桩身位移曲线,分析了能源桩的结构热-力学响应特征。制热工况下,温度荷载在桩内产生的压力荷载表现为中间大,两侧小,荷载最大处位移为零,位移零点位于桩体中下部,且随着温度荷载的增加逐渐下移；制冷时,温度荷载在桩体内产生拉力荷载,且拉力最大处位移为零,位移零点近似位于桩体中间部位并保持位置基本不变。在能源桩运行时的极限制热温差AT=+10℃时,温度荷载产生的最大压力荷载约占能源桩设计抗压承载力的11.1%；在极限制冷温差△T=-10℃时,桩体中的最大拉力近似达到了能源桩的设计抗拉能力,对能源桩结构安全影响较大,但结构荷载的出现较好的改变了这一不利状态。在1800kN荷载作用下,信阳高铁站测试桩实测成果显示桩体拉力荷载由占桩体设计拉力荷载的92%下降到51%。能源桩在温度荷载作用下的横向膨胀和收缩改变了能源桩与岩土体之间的接触关系,进而影响了能源桩的承载能力,制热时因横向膨胀所增加的桩侧摩阻力约占总摩阻力的3.4%。无论是制热还是制冷,均在能源桩桩顶产生最大位移,且方向相反,即能源桩桩顶位移呈周期性变化,实测结果显示在一个制热-制冷周期内,在桩顶产生了2.1mm的位移差值,同时产生了0.6mm不可恢复的变形。以实测数据和计算成果为依据,建立了能源桩在不同荷载作用下结构热-力学响应的力学模型。以信阳高铁站测试桩在结构荷载作用下的实测数据为基础,设定一极限位移Su,获得了信阳地区典型地层的荷载传递函数,之后以刚度矩阵法理论为基础,建立了能源桩在结构荷载作用下的结构响应理论模型；以信息大厦测试桩在温度荷载作用下的实测数据为基础,引入位移零点位置调整系数(?)和应变调整系数β1～β4,通过经验参数法建立了能源桩在温度荷载作用下的结构热-力学响应理论模型；将结构荷载和温度荷载的计算结果叠加获得了能源桩在结构+温度荷载作用下的结构热-力学响应理论模型。以理论模型为基础开发了能源桩结构热-力学响应计算软件,针对两个测试工点,分别计算了能源桩在不同荷载作用下的结构热-力学响应,并与实测值进行了对比分析,结果显示计算值与测试值的误差较小,且计算值基本大于实测值,计算软件偏于保守,验证了理论模型的正确性和计算软件的可靠性,计算软件可进行推广应用。本文从能源桩传热和结构两个方面探讨了其换热性能和结构热-力学特性的一般规律,采用理论计算、数值模拟和试验等手段对其进行了研究和对比分析,研究了能源桩作为地源热泵换热器的特点及其存在的问题,为能源桩的设计提供了理论支持和计算软件,本文的研究为能源桩的推广应用提供了一定的科学依据。