能量桩是一种在传统混凝土桩内埋入换热管,利用换热管提取清洁、可再生、可持续的浅层地热能,对建筑物进行供暖制冷的地热利用装置。随着能源需求的不断增加,新能源的开发利用显得越来越重要。在此背景下,充分利用浅层地热能的能量桩技术在岩土工程中的应用不断增多。换热效率与热力学响应作为能量桩的关键性能而成为本文研究的重点,其主要取决于桩身及桩周土体的强度、变形、热物性、温度场分布等多项指标。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术是一种新兴的交叉学科技术,其作用过程涉及一系列生物化学和离子化学反应,该技术在改善岩土材料的强度、刚度、抗液化及抗侵蚀性等方面效果极佳。然而,MICP技术需要培养微生物菌群,对试验条件要求较为严格,且该技术的固化反应程序较为复杂,固化效果受诸多因素的影响与制约,实施难度较大。因此,本文尝试采用化学介导碳酸钙沉积矿化技术代替MICP技术开展热物性试验研究。化学矿化技术,即化学法生成碳酸钙沉淀,可以通过优化注浆工艺生成具有胶结作用的碳酸钙沉淀。因此,本文采用化学注浆的方法开展相关试验研究,在研究化学注浆对土材料力学性能影响的基础上,着重研究注浆加固土壤的热力学性能的改变,即,土壤孔隙碳酸钙晶体的大量生成对桩周土体的导热系数的影响。此外,与微生物矿化相比化学矿化反应机理简单,涉及的过程参数较少,原材料获取方便,成本低廉。本文基于化学介导碳酸钙沉淀的方法,通过一系列试验研究化学介导的碳酸钙对土的热物性的影响,以期通过改善土的热学性能来提高桩-土热交换率,改善土的力学性能来提高桩的承载性能。基于已竣工工程的实际数据,借助ANSYS Workbench数值分析软件,对夏季和冬季两种工况下能量桩的温度场分布规律以及桩体热-力学响应特性进行研究,探明其复杂的作用机理和热-力学耦合特性。研究工作涉及:分段测土柱的无侧限抗压强度、碳酸钙含量以及干密度用以分析土的化学加固效果;以注浆次数及注浆量为变量制作多组试块,揭示注浆次数及注浆量对土体抗压强度、干密度和碳酸钙分布的影响效果;以注浆次数为变量制作多组试块并测试其导热系数,阐明化学矿化产生的碳酸钙晶体对土体热学性能的影响规律;对试块进行电镜扫描试验,从微观尺度充分评价土体的加固效果,分析热物性变化的原因;建立能量桩单桩模型,分析两种工况下单桩径向和竖向温度场分布规律,以及两种工况下桩体的热力响应(轴向应力、桩侧剪应力及轴向位移);建立能量桩群桩模型,分析两种工况下群桩的温度场分布规律及热力响应,并将单桩模拟结果与群桩模拟结果进行对比分析。主要研究结论如下:(1)通过对砂柱试样碳酸钙含量、干密度以及无侧限抗压强度(UCS)的测定发现,随着化学注浆次数的增加砂柱孔隙中的碳酸钙含量逐渐增多,起胶结和填充作用的碳酸钙有效提高了砂土试样的密实度,并将松散的砂颗粒黏结成一个整体,从而提高了试样的抗压强度。试样的抗压强度沿着测试砂柱由上(注浆口)至下逐渐递减,注浆20次的试样上部抗压强度平均值为0.56MPa,下部抗压强度平均值为0.51MPa。砂柱中的碳酸钙含量由上至下逐渐递减,且上部的递减速率(0.17%/cm)小于下部的递减速率(0.53%/cm)。砂柱试样的干密度以及无侧限抗压强度与孔隙中的碳酸钙含量成正比,试样中碳酸钙含量增加1%,则干密度和无侧限抗压强度的增量分别为4.05%、17.96%。(2)利用扫描电镜进行微观结构分析的结果表明:分布在砂颗粒表面的碳酸钙晶体呈多颗粒簇状集中,且多分布在砂颗粒接触部位;空间上相互接触的砂土颗粒在二维平面上存在着接触不到的地方,此处产生的碳酸钙晶体仅起到填充的作用,当碳酸钙晶体不断累积,不接触的晶体不断扩大,从而相互接触,转而起到了胶结的作用。(3)采用试块灌浆试验研究了级配较差的石英砂的导热系数及比热容随化学注浆次数(16、18、20次)的变化规律。结果表明:1)试样导热系数及比热容的值都随注浆次数的增加近似呈线性规律增长;2)孔隙中的碳酸钙晶体对砂土比热容的提升幅度较大,注浆20次时,试样导热系数的最大增幅为87.4%,比热容的最大增幅为159%;3)注浆处理后砂的导热系数明显高于未经处理的砂,且随处理次数的增加而增大。该研究结果证明了注浆材料碳酸钙可有效的改善土壤的导热系数,从而有效增加能量桩的热传导效率。(4)数值模拟分析结果表明:并联双U型管换热稳定之后,温度在桩基及土体中的扩散范围先逐渐增大,达到稳定之后又逐渐减小。温度在单桩模型中的扩散形状呈圆形,在群桩桩基处径向扩散形状近似呈三角形,随着径向距离的增大又近似呈圆形。桩顶以下1m处并联双U型管各支管之间出现热干扰现象,随着深度的增加,各桩之间也开始出现热干扰现象,桩深7m处最为明显。(5)能量桩的热-力耦合效应使得其荷载传递机理不同于常规的工程桩,热-力耦合作用改变了单一荷载作用下能量桩的荷载传递特征和承载性状。温度的介入必然会使桩身因热胀冷缩而产生附加轴向位移,夏季工况下,单桩产生向上的附加轴向位移0.05mm,群桩产生向上的附加轴向位移0.68mm;冬季工况下,单桩产生向下的附加轴向位移0.78mm,群桩产生向下的附加轴向位移0.97mm。附加轴向位移的产生会引起上部建筑物发生不均匀沉降、桩体受损及地基破坏等后果。