软土地基能源桩桩-土界面摩擦性状研究

发布时间：2020-08-27 13:19

【摘要】：建筑采暖和制冷约占我国总能耗的10%以上,且现阶段使用的能源以化石燃料为主,会造成一系列的环境问题。浅层地热能作为一种可再生能源,可替代大量化石燃料在建筑采暖和制冷中的使用,而摩擦型能源桩作为一种较为理想的浅层地热能利用形式,具有广泛的应用前景。然而,许多现场试验结果表明桩-土界面的温度变化会对能源桩承载特性造成影响。因此,明晰温度作用对能源桩桩-土界面摩擦性状的影响对其推广与运用具有重要意义。本文采用细石混凝土界面作为桩界面,高岭土界面作为土界面,进行了不同正应力下的桩-土界面直剪试验,研究了不同界面温度和不同界面温度循环模式(包括循环次数、循环温差和循环路径)对能源桩桩-土界面摩擦性状的影响。同时,依托温控直剪试验研究结果进行了数值模拟,分析不同入水口温度和不同温度循环工况对能源桩单桩承载力的影响。主要工作和研究成果如下:(1)系统地总结了已有直剪试验装置的特点与不足,并根据已有试验仪器的不足,自行研制一台具有直剪剪切面积恒定和控制剪切面温度功能的等应变温控直剪试验仪。(2)通过温控直剪试验研究了温度对能源桩桩-土界面摩擦性状的影响,试验结果表明:界面温度变化后,其抗剪强度随温度的变化规律呈正相关趋势,界面温度为10、20、30、40、50℃时,对应摩擦角为12.93°、13.97°、14.42°、15.22°和16.07°,而界面的粘聚力存在一个极值,界面温度升高或者降低都会使其粘聚力减小;(3)通过温控直剪试验研究了温度循环模式对能源桩桩-土界面摩擦性状的影响,试验结果表明:桩-土界面经历不同次数的温度循环后,其抗剪强度会随着温度循环次数的增加而减小,经历1-3次温度循环后,摩擦角相对初始温度分别减小了2.27%、4.68%和5.46%,粘聚力分别减小了11.61%、16.12%、18.31%;桩-土界面经历不同温差的温度循环后抗剪强度随温差的增大而减小,经历5、10、20℃温差的温度循环后,摩擦角相对初始温度分别减小了1.49%、2.27%和4.11%,粘聚力分别减小了4.10%、11.61%和31.14%;桩-土界面经历不同温度循环路径后,界面的粘聚力随着温度应力路径的增加而减小。(4)采用有限元模拟软件COMSOL得到了能源桩在工作过程中的温度场分布,取温度场稳定时(第60天)的桩-土界面温度,通过线性分段函数拟合得到界面温度随深度变化公式。将试验结果与公式导入ABAQUS中,计算得到软土地区能源桩在入水口温度不同和循环温度不同工况下的荷载沉降曲线。数值模拟结果表明:入水口温度由初始温度下降20、10℃以及上升10、20、30℃时,其极限承载力分别变化了-5.85%、-1.33%、2.02%、3.86%、5.26%;桩-土界面经历1-3次的温度循环后,其极限承载力分别减小了1.45%、2.74%、3.28%;桩-土界面经历5、10和20℃的温度循环后,其极限承载力分别减小了0.75%、1.45%、2.48%。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU473.1;TU83
【图文】：

能源消费结构,中华人民共和国,数据,可再生能源

第一章绪论背景及意义国城市化和工业化进程的加快，环境问题和能源问题日渐突的主要原因在于巨大的能耗以及不合理的能源分配。据国前我国建筑能耗约占全社会总能耗的 1/3，而采暖和制冷占呈上升趋势。我国现阶段能源消费主要以煤炭等矿物燃料为占能源消费总量的 63 %，而可再生能源仅占能源消费总量1-1 所示），煤炭的开采及使用会造成地下水的污染、气体和放等一系列严重的环境污染[2-4]。“十三五”能源规划大力倡及改善水、大气等环境污染的可再生能源的发展和利用[5]。天然气 8%水能 8% 核能 1%可再生能源 2%

地表,年平均温度,温度分布图,地层

（b）图：（a）某地地表和距地表 15 米处地层年平均温度图（化图（Brandl[10]，2006）perature profile：(a) The average annual temperature chand 15 meters from the surface, and (b) Temperature versusBrandl[10]统（Ground-source heat pump system）是以岩土体由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑内系统组所示。根据能源的来源分为土壤源地源热泵系统、和海水源地源热泵系统以及污水源地源热泵系统。等介质四季温度较为稳定的特点，能够有效的利用冷，从而实现降低建筑能耗和保护环境的目的，具目前正被世界各国广泛推广应用[12-14]。在钻孔成本高，换热效率低，钻孔的回填质量难以

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4图 1-5 能源桩工作示意图Figure 1-5. Schematic diagram of energy pile以下四大优点：利用率高。源（煤、石油等）为建筑进行制热、制冷时，能源能源桩供热制冷时可将能源的利用效率提升至 400 空间利用率高。了“一桩两用”，将热交换装置埋入建筑桩基，无需的使用。性和换热性好[17]。

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