【摘要】：建筑采暖和制冷約占我國總能耗的10%以上,且現(xiàn)階段使用的能源以化石燃料為主,會造成一系列的環(huán)境問題。淺層地熱能作為一種可再生能源,可替代大量化石燃料在建筑采暖和制冷中的使用,而摩擦型能源樁作為一種較為理想的淺層地熱能利用形式,具有廣泛的應用前景。然而,許多現(xiàn)場試驗結果表明樁-土界面的溫度變化會對能源樁承載特性造成影響。因此,明晰溫度作用對能源樁樁-土界面摩擦性狀的影響對其推廣與運用具有重要意義。本文采用細石混凝土界面作為樁界面,高嶺土界面作為土界面,進行了不同正應力下的樁-土界面直剪試驗,研究了不同界面溫度和不同界面溫度循環(huán)模式(包括循環(huán)次數(shù)、循環(huán)溫差和循環(huán)路徑)對能源樁樁-土界面摩擦性狀的影響。同時,依托溫控直剪試驗研究結果進行了數(shù)值模擬,分析不同入水口溫度和不同溫度循環(huán)工況對能源樁單樁承載力的影響。主要工作和研究成果如下:(1)系統(tǒng)地總結了已有直剪試驗裝置的特點與不足,并根據(jù)已有試驗儀器的不足,自行研制一臺具有直剪剪切面積恒定和控制剪切面溫度功能的等應變溫控直剪試驗儀。(2)通過溫控直剪試驗研究了溫度對能源樁樁-土界面摩擦性狀的影響,試驗結果表明:界面溫度變化后,其抗剪強度隨溫度的變化規(guī)律呈正相關趨勢,界面溫度為10、20、30、40、50℃時,對應摩擦角為12.93°、13.97°、14.42°、15.22°和16.07°,而界面的粘聚力存在一個極值,界面溫度升高或者降低都會使其粘聚力減小;(3)通過溫控直剪試驗研究了溫度循環(huán)模式對能源樁樁-土界面摩擦性狀的影響,試驗結果表明:樁-土界面經(jīng)歷不同次數(shù)的溫度循環(huán)后,其抗剪強度會隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而減小,經(jīng)歷1-3次溫度循環(huán)后,摩擦角相對初始溫度分別減小了2.27%、4.68%和5.46%,粘聚力分別減小了11.61%、16.12%、18.31%;樁-土界面經(jīng)歷不同溫差的溫度循環(huán)后抗剪強度隨溫差的增大而減小,經(jīng)歷5、10、20℃溫差的溫度循環(huán)后,摩擦角相對初始溫度分別減小了1.49%、2.27%和4.11%,粘聚力分別減小了4.10%、11.61%和31.14%;樁-土界面經(jīng)歷不同溫度循環(huán)路徑后,界面的粘聚力隨著溫度應力路徑的增加而減小。(4)采用有限元模擬軟件COMSOL得到了能源樁在工作過程中的溫度場分布,取溫度場穩(wěn)定時(第60天)的樁-土界面溫度,通過線性分段函數(shù)擬合得到界面溫度隨深度變化公式。將試驗結果與公式導入ABAQUS中,計算得到軟土地區(qū)能源樁在入水口溫度不同和循環(huán)溫度不同工況下的荷載沉降曲線。數(shù)值模擬結果表明:入水口溫度由初始溫度下降20、10℃以及上升10、20、30℃時,其極限承載力分別變化了-5.85%、-1.33%、2.02%、3.86%、5.26%;樁-土界面經(jīng)歷1-3次的溫度循環(huán)后,其極限承載力分別減小了1.45%、2.74%、3.28%;樁-土界面經(jīng)歷5、10和20℃的溫度循環(huán)后,其極限承載力分別減小了0.75%、1.45%、2.48%。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU473.1;TU83
【圖文】：

第一章 緒 論背景及意義國城市化和工業(yè)化進程的加快，環(huán)境問題和能源問題日漸突的主要原因在于巨大的能耗以及不合理的能源分配。據(jù)國前我國建筑能耗約占全社會總能耗的 1/3，而采暖和制冷占呈上升趨勢。我國現(xiàn)階段能源消費主要以煤炭等礦物燃料為占能源消費總量的 63 %，而可再生能源僅占能源消費總量1-1 所示），煤炭的開采及使用會造成地下水的污染、氣體和放等一系列嚴重的環(huán)境污染[2-4]�！笆濉蹦茉匆�(guī)劃大力倡及改善水、大氣等環(huán)境污染的可再生能源的發(fā)展和利用[5]。天然氣 8%水能 8% 核能 1%可再生能源 2%

（b）圖：（a）某地地表和距地表 15 米處地層年平均溫度圖（化圖（Brandl[10]，2006）perature profile：(a) The average annual temperature chand 15 meters from the surface, and (b) Temperature versusBrandl[10]統(tǒng)（Ground-source heat pump system）是以巖土體由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑內(nèi)系統(tǒng)組 所示。根據(jù)能源的來源分為土壤源地源熱泵系統(tǒng)、和海水源地源熱泵系統(tǒng)以及污水源地源熱泵系統(tǒng)。等介質四季溫度較為穩(wěn)定的特點，能夠有效的利用冷，從而實現(xiàn)降低建筑能耗和保護環(huán)境的目的，具目前正被世界各國廣泛推廣應用[12-14]。在鉆孔成本高，換熱效率低，鉆孔的回填質量難以

4圖 1-5 能源樁工作示意圖Figure 1-5. Schematic diagram of energy pile以下四大優(yōu)點：利用率高。源（煤、石油等）為建筑進行制熱、制冷時，能源能源樁供熱制冷時可將能源的利用效率提升至 400 空間利用率高。了“一樁兩用”，將熱交換裝置埋入建筑樁基，無需的使用。性和換熱性好[17]。

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本文編號：2806156