發(fā)布時間：2020-04-12 19:17

【摘要】：能量樁是一種通過在樁基中埋設熱交換管,實現(xiàn)上部建筑與土體進行熱交換而獲取淺層地溫能的新技術。加熱或制冷過程中,能量樁承擔上部建筑荷載的同時還受到溫度變化的影響,而樁體和土體受溫度影響會產(chǎn)生膨脹或收縮,引起結構的熱力學響應。已有研究主要集中在能量樁熱響應方面,而對樁體熱力耦合效應的研究仍相對較少。本文采用模型試驗、數(shù)值模擬及理論分析相結合的方法,對循環(huán)溫度作用下能量樁單樁豎向荷載傳遞機理與承載特性進行了系統(tǒng)研究,著重探討了埋管形式對能量樁熱力耦合效應的影響,并初步探討了能量樁單樁極限承載力計算方法。本文開展的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下:(1)開展了有無外部荷載和不同土體壓實度下的能量樁熱力耦合效應模型試驗,揭示了樁端土壓力和樁側水平土壓力受溫度影響的變化機理,獲得了樁體應變、應力、側摩阻力分布規(guī)律以及樁頂位移的變化規(guī)律。研究結果表明,樁側水平土壓力值與樁頂上部荷載無關,加熱后樁體應力沿深度分布規(guī)律發(fā)生變化,自然恢復后,外部荷載作用下樁頂也產(chǎn)生了不可恢復的沉降位移;樁側土體相對密實度對樁體的熱膨脹約束較為明顯。(2)開展了樁體兩端剛度約束、樁基埋管形式及環(huán)境溫度對能量樁熱力耦合效應影響的數(shù)值模擬,研究了樁頂上部荷載約束剛度和樁端土體約束剛度對位移零點位置以及樁體熱應力分布的影響,對比分析了W型和單U型樁體的樁頂橫截面傾斜度變化規(guī)律,提出了減少樁頂非均勻沉降的方法,進一步探討了外界環(huán)境的熱對流對樁體溫度以及樁頂位移的影響。研究結果表明,位移零點分別隨著樁頂上部荷載和樁端土體約束剛度的增大而上移和下移,熱應力則逐漸增大,并且分別沿深度減小和增加;相同溫差梯度下,單U型埋管形式樁體的傾斜度約為W型樁的2倍;環(huán)境溫度對樁體溫度的變化有一定影響,而對樁頂位移的影響較小,當考慮外界溫度的熱對流時,其溫度的深度影響范圍達到了17%L。(3)開展了不同埋管形式對能量樁熱力學特性影響的模型試驗,對比分析了單U型、螺旋型、W型埋管樁的樁體和樁周土體溫度、樁端土體壓力、樁側水平土壓力、樁體熱應力以及樁頂位移的差別,進一步研究了溫度變化引起的熱應力和樁頂位移對結構安全的影響,研究結果表明,W型埋管樁變化最為明顯、繼而依次為螺旋型和單U型;W型樁在制冷過程中產(chǎn)生的拉應力和樁頂沉降位移對結構的安全性影響較大。研發(fā)了一種新型埋管形式的能量樁,綜合新型能量樁的傳熱性能和力學響應,其對結構安全影響較小,適用性較強。(4)開展了長期溫度循環(huán)下能量樁熱力耦合效應研究,揭示了多次溫度循環(huán)作用下土體的儲熱機理,獲得了樁體內(nèi)部的應力積累和樁頂位移的長期沉降變化規(guī)律。開展了能量樁極限承載力模型試驗,得到了不同溫度和溫度循環(huán)下樁體的荷載-沉降曲線,在此基礎上,對比分析了1次、3次和5次冷熱循環(huán)后樁體極限承載力的差別,進一步探討了干燥和飽和條件、土體密實度、不同埋管形式對樁體極限承載力的影響。研究結果表明,樁基極限承載力隨著溫度的增加而增大,1次冷熱循環(huán)后,樁體極限承載力基本無變化,而多次冷熱循環(huán)后樁體極限承載力下降明顯;土體密實度較大、埋管形式換熱量較大時樁體極限承載力變化較為明顯。(5)建立了能量樁樁側摩阻力和樁端阻力影響因子以及基于β法的能量樁極限側摩阻力計算方法�；谝延鞋F(xiàn)場試驗和部分模型試驗,提出影響因子λ和η,分別對樁側摩阻力和樁端阻力的變化進行分析。給出λ和η的變化區(qū)間以及平均值,進一步分析了不同承載類型樁體的影響因子變化規(guī)律以及溫度變化的影響�；谝延幸�(guī)范的β推薦值,結合現(xiàn)場試驗,提出適用于能量樁的β參考值。
【圖文】：

圖 1.2 重慶市 2010 2011 地表溫度變化圖[3]Ground temperature variations with depth measured from 2010 to 2011 in ，淺層地溫能的開采主要依托于地源熱泵技術，通過輸入少電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉移。淺層地溫能分別在熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地熱能中的熱量“取”出給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來，釋放到地下土體溫度。淺層地溫能交換形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)。地下水和地表水地源熱和地表水為熱源，換熱效率較高，地源熱泵發(fā)展初期應用較造成污染，同時操作不當，容易引起土體的沉降塌陷等不良這兩種熱泵系統(tǒng)需要充足的地下水和地表水，受到自然和地而地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用地下巖土體作為熱源，通過循環(huán)入防凍劑的水）在封閉的環(huán)路中實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)與大地之間的

圖 1.4 能量樁鋼筋籠內(nèi)傳熱管布置圖[5]Fig.1.4 Heat exchanger tubing attached to reinforcement cages for energy pile但是目前對于能量樁的研究還遠遠不夠，尤其是能量樁力學特性方面在一定程度上制約了能量樁的發(fā)展。能量樁在實際應用過程中，由，土體溫度場會發(fā)生變化，從而引起土體性質的變化，而混凝土內(nèi)應力，，從而影響樁-土體荷載傳遞規(guī)律。建筑荷載作用下，樁體和土應力場和位移場，而溫度場的變化會引起應力場和位移場的變化，載作用下也會產(chǎn)生固結，引起樁體和土體沉降，這是一個復雜的熱力推廣能量樁技術的關鍵問題之一。因此對于能量樁熱力學效應的研的學術意義和應用價值。能量樁技術簡介樁基礎根據(jù)施工方法的不同，可分為灌注樁、預制樁、攪拌樁等。置埋管換熱器，施工工藝較為復雜，較為適合的樁型是灌注樁和預
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU473.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 黃旭;孔綱強;劉漢龍;吳宏偉;;循環(huán)溫度場作用下PCC能量樁熱力學特性模型試驗研究[J];巖土力學;2015年03期

2 郭紅仙;李翔宇;程曉輝;;能源樁熱響應測試的模擬及適用性評價[J];清華大學學報(自然科學版);2015年01期

3 孔綱強;;能量樁換熱管新型埋管方式技術比較分析[J];建筑節(jié)能;2014年12期

4 桂樹強;程曉輝;;能源樁換熱過程中結構響應原位試驗研究[J];巖土工程學報;2014年06期

5 劉漢龍;孔綱強;吳宏偉;;能量樁工程應用研究進展及PCC能量樁技術開發(fā)[J];巖土工程學報;2014年01期

6 桂樹強;程曉輝;張志鵬;;地源熱泵樁基與鉆孔埋管換熱器換熱性能比較[J];土木建筑與環(huán)境工程;2013年03期

7 陳忠購;趙石嬈;張正威;;內(nèi)置并聯(lián)U形埋管能量樁的換熱性能研究[J];工程力學;2013年05期

8 吳華劍;付祥釗;劉希臣;;樁基螺旋地埋管換熱器模型與換熱性能研究[J];煤氣與熱力;2012年10期

9 王佳玉;周德源;薇薇安·洛夫特尼斯;;綠色建筑暖通空調方案——能源樁系統(tǒng)及其發(fā)展綜述[J];動感(生態(tài)城市與綠色建筑);2012年01期

10 張國柱;夏才初;馬緒光;李攀;魏強;;寒區(qū)隧道地源熱泵型供熱系統(tǒng)巖土熱響應試驗[J];巖石力學與工程學報;2012年01期

相關會議論文 前1條

1 李魁山;張旭;高軍;劉俊;;樁基式土壤源熱泵換熱器換熱性能及土壤溫升研究[A];中國制冷學會2007學術年會論文集[C];2007年

相關博士學位論文 前1條

1 趙嵩穎;能量樁儲熱試驗與數(shù)值模擬研究[D];吉林大學;2015年

相關碩士學位論文 前7條

1 黃蕓;樁基埋管換熱器換熱性能和溫變沉降特征研究[D];西安建筑科技大學;2016年

2 楊文曉;并聯(lián)U型埋管能量樁傳熱分析[D];山東建筑大學;2016年

3 常桂欽;地源熱泵應用中的巖土熱物性測試與分析[D];重慶大學;2011年

4 李新;能量樁的傳熱研究與工程應用[D];山東建筑大學;2011年

5 王文;樁基埋管對樁承載特性的影響研究[D];山東建筑大學;2010年

6 于子望;樁埋管技術試驗及THM耦合理論研究[D];吉林大學;2009年

7 王宇航;地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器的研究[D];湖南大學;2006年

本文編號：2625084