黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究_曹卫平.pdf
《黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究_曹卫平.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究_曹卫平.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第44卷第4期2023年4月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol.44,No.4Apr.,2023收稿日期:2022-06-02基金项目:陕西省自然科学基础研究计划一般项目通信作者:李庆(1996),男,硕士,主要从事桩基方面的研究。DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0812文章编号:0254-0096(2023)04-0539-08黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究曹卫平,李庆,李清源(西安建筑科技大学土木工程学院,西安 710055)摘要:能量桩通过内置循环管与周围土体进行热交换来开采浅层地热能。通
2、过室内模型试验,测试4个完整的冷热循环过程中能量桩仅受温度作用及热-力耦合两种工况下的桩身和桩侧土体温度、桩顶和桩侧土表面沉降、桩顶荷载及桩身内力,分析黄土地基中埋设单U形换热管的能量桩热力学及承载变形特性。试验结果表明,对于每个冷热循环过程,随循环时间增加能量桩热交换效率逐渐降低并趋于稳定状态,黄土地基中能量桩桩身温度随深度增加逐渐减小。冷热循环会使能量桩桩顶产生累积沉降,与仅受温度作用工况相比,在热-力耦合作用下能量桩桩顶累积沉降较大,桩侧土表面沉降较小,而桩侧土体受影响范围则较大。对于两种工况,冷热循环稳定后能量桩最大附加应力均出现在桩身中部,热循环时桩身上部摩阻力为负,下部摩阻力为正,
3、冷循环时则相反。关键词:能量桩;黄土地基;模型试验;冷热循环;热-力耦合中图分类号:TU473.1文献标志码:A0引言能量桩技术将传统桩基与地源热泵技术相结合,通过内置于桩体的热交换管与周围土体进行热量交换,以此开采浅层地热能。能量桩技术具有空间利用率高、经济绿色等诸多优点,近年来逐渐成为建筑节能技术研究的热点。Rotta Loria等1通过数值模拟分析了饱和砂土中能量桩热力学特性,发现能量桩受热荷载作用时桩顶位移会不断积累、桩身热量会发生大量转移。郝耀虎等2利用数值方法研究了桩端受不同约束条件时桩身内力的变化特点,指出温度循环时能量桩最大应力出现在桩身中部,热循环时桩端约束对桩身应力分布的影
4、响大于冷循环。Sutman 等3基于现场试验对比分析了桩顶约束的影响,发现能量桩的热力行为高度依赖于桩顶及桩端的约束水平。郭易木等4通过原位试验分析了预应力高强度混凝土能量桩的桩身受力特性,发现桩侧土体的强度越大,对桩身约束越强,引起的桩身附加热应力也越大。包小华等5基于室内缩尺模型试验研究了砂土中能量桩热力学行为,试验结果表明能量桩运行过程中桩身会产生差异应变。杨卫波等6通过模型试验发现热荷载会引起桩、土温度升高,从而造成桩身内力及桩顶位移逐渐积累。孔纲强等7通过模型试验发现多次温度循环会造成桩体沉降积累。上述分析表明,目前相关研究多侧重于单次温度循环时能量桩的热力学特性分析,关于多次温度循
5、环时能量桩的相关研究仍较少。本文基于模型试验研究黄土地基中能量桩受多次冷热循环作用时桩身热力学特性及承载变形性状,分析温度荷载对能量桩力学性状的影响,得到一些规律性的认识,以期为能量桩技术在实际工程应用中起到有益的参考。1模型试验1.1试验装置试验装置主要由模型槽、加载及测量装置、循环装置三大部分组成,如图 1 所示。模型槽尺寸为 1500 mm(长)M4009601500T.T0($)S1S281.620024016080320320320T4T11T9T7T3T6T10T8T581.681.6$(81.6ACBD E200 200 200 200 200 200U1D2D3D0.37D0.
6、74D 2.5DT2()(F)T1图1模型试验系统示意图(单位:mm)Fig.1Schematic diagram of model test(Unit:mm)网络首发时间:2023-04-14 15:04:23网络首发地址:https:/ mm(宽)1800 mm(高);桩顶荷载施加及测量分别采用RSC-5 型液压油缸及 DYLY-104 型轴力计;温度测量采用精度 0.15%的 PT100-A 型滚口传感器,传感器接 EWP 八回路数字显示仪显示温度;循环动力设备采用流速稳定的 MP-10RZ 微型水泵。选用 2 个尺寸均为 600 mm(长)600 mm(宽)800 mm(高),厚度为
7、10 mm 的玻璃水箱分别作为冷、热循环时的恒温水箱。水箱表面覆盖 20 mm 厚的保温棉,以减小水箱内;循环液与周围环境的热量交换。热循环时使用功率为 2 kW的恒温发热棒加热水箱中的循环液,温度差值在0.5 之内;冷循环则采用冰水混合的方法,即向水箱中加入冰块降低循环液温度,温度误差在1 之内。本文试验时采用自来水作为循环液,冷热循环过程中循环液流量为 1.4 L/min。1.2模型桩模型桩为钢筋混凝土桩,长 1400 mm,桩身直径 81.6 mm。桩身混凝土配合比为水水泥砂碎石=0.3 1.1 1.2 2.0,桩身混凝土有关参数见表 1。模型桩纵筋为 4 根长 1380 mm、直径 6
8、 mm 的光圆钢筋,箍筋直径 2 mm,间距 150 mm。热交换管采用 U 型不锈钢管,用细铁丝绑扎固定在纵筋上,U 型管长 1280 mm,管外径 10 mm,壁厚 1 mm。表1模型桩参数Table 1Model pile parameters桩长/mm1400桩径/mm81.6抗压强度/MPa30.6弹性模量/GPa30热膨胀系数/10-5导热系数/kJ/(mh)10.6沿桩长每隔 200 mm 在桩身表面对称位置粘贴 BX120-20AA 型电阻式应变片并用环氧树脂保护,应变片基座尺寸为 20 mm3 mm,灵敏系数为 2.081%,电阻值为(119.80.1)。使用 CML-1H-
9、32 型电子应变仪按 1/4 桥接桥方式来测读桩身应变,取同一截面对称位置两片应变片读数的平均值作为该位置桩身的应变。1.3地基土桩侧土为 960 mm 厚的黄土,取自陕西蓝田某场地,其基本物理性质见表 2。原状黄土晾晒粉碎后过孔径为 2 mm 的筛,以减小过大土颗粒粒径对桩土界面的影响。晾晒粉碎后重塑黄土含水率约为 5%,c、值分别为 53.6 kPa、23.5。表2原状黄土物理性质参数Table 2Physical property parameters of undisturbed loess土样原状黄土含水率/%17.41天然密度/(kg/cm3)1650土粒比重Gs2.69液限/%3
10、1.6塑限/%19.5桩端进入厚 640 mm 的砂土持力层 240 mm,砂土界限粒径 d10、d30、d60分别为 0.145、0.370、0.920 mm,不均匀系数 Cu=6.345,曲率系数 Cc=1.026,砂土最大、最小干密度分别 1800、1690 kg/m3,相对密实度为 0.56。1.4试验过程模型槽填土时桩底砂土持力层、桩侧黄土均采用砂雨法分层填筑,分层厚度 200 mm,每层填筑完成后采用振动机振密至相应密度。持力层砂土填筑密度为 1750 kg/m3,黄土填筑密度约为 1450 kg/m3。持力层填筑完成后固定模型桩至相应位置,而后填筑厚度为 3D(D 为桩身直径)的
11、砂土,最后分层填筑厚度为 960 mm 的重塑黄土。桩侧土填筑过程中按图 1所示埋设温度传感器。填土完成后待桩土在自重作用下沉降小于 0.01 mm/24 h时进行竖向抗压极限承载力试验。按照 建筑基桩检测技术规范8中的慢速维持荷载法逐级施加桩顶竖向荷载。图 2为试验的荷载-沉降(Q-S)曲线,可看出第 11 kN 载施加初期桩顶立即发生大量沉降且不能稳定,因此可得到能量桩单桩竖向抗压极限承载力为 10 kN,其承载力设计值可取 5 kN。024681012048121620NL/mmN9E/kN图2荷载-沉降曲线Fig.2Q-S curve单桩竖向抗压载荷试验结束后开展能量桩仅受温度荷载影响
12、的冷热循环试验。按前述方法将桩土埋入模型槽后静置,待桩土自重沉降稳定后分别在能量桩桩顶、距桩身0.37D、0.74D、D、2D、2.5D 处的桩侧土表面布置百分表,监测试验过程中桩、土沉降。开展受热力耦合作用下能量桩模型试验时,仍按前述方法将桩土埋入模型槽并静置,待桩土自重沉降稳定后,在桩顶分级施加竖向下压荷载至 5 kN 并维持不变,随后进行能量桩冷热循环。冷热循环时水箱内循环液的温度分别为 4、35,按图 3所示顺序开展冷热循环。每个热循环进行 5 h,间隔 10 h 后015274254698196108010203040 /h18681545927 325191009643246730
13、15426935(10 h)4(8 h)图3温度荷载施加顺序Fig.3Temperature load application sequence4期曹卫平等:黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究541进行 4 h 的冷循环,冷循环结束后间隔 8 h 继续进行下一个热循环。一个热循环和随后的一个冷循环组成一次冷热循环,两种工况下能量桩均进行 4 次冷热循环。实际地层是半无限大的,一定深度以下土体温度处于恒定状态,恒温带以下的土壤温度随深度的增加而增大。西安地区地表以下约 7 m 为恒温层,土层温度基本维持在约 17 9。开展模型试验时,地基土土温度始终维持在约 23.1,因此能较
14、好地模拟恒温工况能量桩热力学特性。2试验结果及其分析2.1桩、土温度图 4 为仅受冷热循环时能量桩桩身及桩侧土温度的变化曲线。由于水泵与能量桩换热管进口之间相连的 PVC 软管在冷热循环过程会与周围环境发生热量交换,使得能量桩换热管进口处温度与恒温水箱内循环液之间存在温差。冷热循环稳定后进口温度分别约为 12、33。由图 4a 可看出,冷热循环过程中不同测点处桩身温度均逐渐趋近于进口温度,且循环次数对桩身温度变化量影响不大。黄土层中桩身温度(T3、T4、T5)均随深度的增加而减小,砂土层桩身温度(T6)与黄土层未呈线性变化,如第 3 次热循环 结 束 时 温 度 T3、T4、T5、T6分 别
15、为 32.08、31.14、30.84、30.44,与 T3相比 T4、T5、T6分别减小了 2.93%、3.87%、5.11%,这是由于桩身平均温度自上而下逐渐衰减,使得桩体较深处温度变化率低于较浅处。第 3 次冷循环结束时桩身温度 T3、T4、T5、T6分别为 13.20、12.67、12.31、13.34,与 T3相比 T4、T5分别减小了 4.02%、6.74%,T6增大了 1.06%,这是因为砂土导热率较大10,因此冷热循环时砂土层桩身温度变化率小于黄土层,冷循环时砂土层桩身温度略高于黄土层。051519 2732 4246 5459 6973 8186 96100101418222
16、63034/L/h T0()T3(2D)T4(6D)T5(10D)T6(14D)1234a.桩身温度051519 2732 4246 5459 6973 8186 9610020.521.522.523.524.525.5$/h T7(2D,D)T8(10D,D)T9(2D,2D)T10(10D,2D)T11(2D,3D)4321b.桩侧土体温度图4桩土温度变化曲线Fig.4Temperature variation of pile and surrounding soil从图 4b 可看出,第 3 次热循环稳定后 T3(32.08)、T7(24.23)、T9(22.94)、T11(22.94
17、)较初始温度分别增大了 38.63%、9.10%、2.22%、0.66%。第 3 次冷循环稳定后 T3(13.2)、T7(21.26)、T9(23.24)、T11(23.43)较初始温度分别减小 48.11%、10.56%、1.48%、-0.60%,显然 T11受冷热循环影响最小,因此可确定黄土层中桩身温度的径向影响范围约为 3D。对比黄土层中桩土温度曲线发现,冷热循环时较浅处(距土面 2D)桩土温度变化大于较深(距土面 10D)处,如第 3次热循环稳定时温度 T3、T7、T9分别比 T5(30.84)、T8(24.12)、T10(22.27)高出 4.02%、0.46%、2.92%。第 3
18、次冷循环稳定时温度 T3、T7、T9均分别比 T5(12.31)、T8(21.16)、T10(22.82)处高出 7.22%、0.47%、1.84%,这是由于能量桩运行过程中土体与室温之间的温度差使得浅层土542太阳能学报44卷体热量释放较完全,最终导致温度循环过程中较浅层(2D)桩土温度高于较深(10D)处。2.2热交换效率单位长度桩长在单位时间内与地基土之间交换的热量即为能量桩的热交换效率 q,可按式(1)、式(2)计算,即:q=Q/H(1)Q=vcp(Tout-Tin)(2)式中:q每延米能量桩热交换效率,W/m;Q能量桩换热功率,W;H桩身有效入土深度,m;v管内循环液流量,kg/s;
19、cp循环液比热容,4.2103J/(kg);Tout、Tin能量桩出口、进口温度为进出口处循环液温差,。图 5 为冷热循环过程中能量桩的热交换效率曲线。051519 2732 4246 5459 6973 818696100020406080100120/W/m/h123405101520253035 T1()T2()a T1aT2/图5能量桩热交换效率Fig.5Heat exchange rate of energy pile冷热循环过程中能量桩热交换效率会逐渐减低至稳定状态,如图 5 第 3 次热循环初始最大换热效率约为 48 W/m,结束时热交换效率降至约 21 W/m;冷循环初始热交换
20、效率约为 29 W/m,结束时平均热交换效率降至约 19 W/m。这是由于冷热循环初期,桩土温差较大,而冷热循环后期,桩土温差逐渐减小并趋于稳定,因此热交换效率也逐渐趋于稳定状态11,这与由爽等12原位试验、杨卫波等6模型试验得出的规律一致。2.3桩顶沉降图 6 为冷热循环过程中能量桩桩顶沉降累积曲线,本文规定桩顶位移向上为正、向下负。0515192732424654596973818696 1001080.300.210.120.030.060.15()()()()()()432/mm/h11.41.21.00.80.60.40.20.05 kN4 kN3 kN2 kN/mm1 kN图6冷热
21、循环时桩顶沉降过程Fig.6Process of pile top settlement during temperature cycling从图 6 可看出,能量桩仅受温度作用时,各次冷热循环结束后桩顶均会产生累积沉降。14 次热循环结束时,桩顶积累沉降分别为 0.109、0.150、0.094、0.105 mm;14 次冷循环结束时桩顶积累沉降分别为-0.140、-0.160、-0.172、-0.181mm,第 24 次冷循环结束时,桩顶积累沉降较第 1 次分别增大了 14.29%、22.86%、29.29%。4 次冷热循环结束后(第 108小时)桩顶产生了-0.123 mm(0.15%D
22、)积累沉降。整体上而言,4 冷循环引起的桩顶累积沉降大于 35热循环,因此工程中更需要考虑冷循环对能量桩积累沉降的影响。图 6 表明有、无工作荷载时桩顶沉降变化规律相同,热力耦合作用时能量桩桩顶沉降大于仅受温度作用,如 4 次冷循环结束后桩顶沉降积累值分别为-0.232、-0.255、-0.277、-0.287 mm,分别为仅受温度荷载工况的 1.65、1.60、1.61、1.59倍,这是由于受热力耦合作用时能量桩桩顶受到荷载作用的约束。另外,桩顶荷载的存在有效减小了热循环引起的桩顶向上位移,但却增大了冷循环引起的桩顶沉降。2.4桩侧土表面沉降图 7 给出了无、有工作荷载两种工况 4 次冷热循
23、环过程中桩侧土面沉降累积曲线,循环过程中两种工况的桩侧土面均呈周期性的膨胀、收缩,累积沉降随循环次数的增加而增大,各次循环结束后沉降均无法恢复至初始状态。/h0515192732424654596973818696 1001080.050.000.050.100.150.201324 0.37D 0.74D D 2D 2.5D/mma.无工作荷载/h0515192732424654596973818696 1001080.070.040.010.020.050.080.110.142341/mm 0.37D 0.74D D 2D 2.5D 3D b.有工作荷载图7不同工况桩侧土表面沉降过程Fi
24、g.7Surface settlement process of pile side soil under different conditions能量桩仅受温度荷载作用时,第 1 次循环结束后于距桩侧 2D、2.5D 处各加装一个百分表监测较远位置土面沉降。由图 7a 可看出,第 4 次冷循环结束时(第 100 小时)距桩侧0.37D、0.74D、D 处土面的累积沉降分别为 0.022、0.082、0 mm,0.74D 处土面的累积沉降大于 0.37D 处,这是由于距桩身越近,桩土界面抗剪强度越高受温度场影响越小。第 4 次热循环结束时(第 108 小时)0.37D、0.74D、D 土面累积
25、沉降值分别为 0.033、0.093、0 mm,较第 4 次冷循环结束时(第 100 小时)继续增大了 50%、13.41%、0,这是由于温度在土体传递过程中的“滞后效应”使得各次循环结束后土体内的热量传递不会立即结束,会在土体内继续传递。而 2D 处土面的沉降规律不同于其它测点,第 2 次冷循环结束时呈现负沉降,第 4次循环结束时产生了-0.039 mm 沉降积累,这是由于受温度场的影响土颗粒重新排布紧密,造成土体发生沉降。2.5D 处的土面沉降较小,循环结束后仅产生 0.024 mm 的累积沉降,第 3、4 次冷热循环基本未产生沉降,这是因为距温度场中心距离越远,土体受扰动程度越低。图 7
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 黄土 地基 能量 热力学 特性 承载 变形 性状 模型 试验 研究 曹卫平
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。