冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性

杨涛; 瞿广鑫; 花永盛

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.202003003

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冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性

论文 | 更新时间：2025-09-25

- 冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性
- Long‑term Thermo‑mechanical Behavior of Energy Pile in Clay under Unbalanced Cooling‑heating Cycles
- 防灾减灾工程学报 2022年42卷第6期页码：1333-1340
- 作者机构：
  
  1.上海理工大学土木工程系,上海 200093
  2.贵州省建筑设计研究院有限公司,贵州贵阳550081
  3.盐城市东亭投资有限公司,江苏盐城 224001
- 作者简介：
  
  杨涛（1962—），男，教授，硕导，博士。主要从事地基加固与桩基础研究。E-mail: shyangtao@163.com
- 基金信息：
  
  上海理工大学沪江基金项目(D14003)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.202003003
  中图分类号： TU443
- 收稿：2020-03-03，
  
  修回：2020-07-22，
  
  纸质出版：2022-12-28
- 稿件说明：
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杨涛,瞿广鑫,花永盛.冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性[J].防灾减灾工程学报,2022,42(06):1333-1340.

YANG Tao,QU Guangxin,HUA Yongsheng.Long‑term Thermo‑mechanical Behavior of Energy Pile in Clay under Unbalanced Cooling‑heating Cycles[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(06):1333-1340.
杨涛,瞿广鑫,花永盛.冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性[J].防灾减灾工程学报,2022,42(06):1333-1340. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202003003.

YANG Tao,QU Guangxin,HUA Yongsheng.Long‑term Thermo‑mechanical Behavior of Energy Pile in Clay under Unbalanced Cooling‑heating Cycles[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(06):1333-1340. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202003003.

摘要

建立了热‑渗流‑力（T‑H‑M）三场耦合能量桩有限元数值分析模型，研究了力学荷载组合不同热聚集度（桩的放热量与吸热量之比）温度荷载下黏土地基中能量桩的长期热‑力学特性，包括桩身温度、桩头沉降、桩身轴向应力、地基土温度和超孔隙水压力特性等。计算结果表明：冷‑热平衡时桩头沉降随温度荷载循环的增加逐渐增大，桩头发生沉降累积，桩身轴向应力和地基土温度变化的幅值不随温度荷载循环而变化。当桩的放热量大于吸热量时，桩身温度随温度荷载循环的增加而升高，桩头沉降随之减小，但热荷载循环对桩身轴向应力没有影响。桩周土温度随热循环的增加而逐渐增大，产生热聚集现象。温度荷载的热聚集度数值越大，桩身和桩周土的温度越高，桩身最小压应力越大，桩头沉降越小。温度荷载引起的超静孔隙水压力数值很小。

Abstract

A coupled thermal-hydro-mechanical （T-H-M） finite element model is established to investigate the long-term thermal-mechanical behavior of a single energy pile in clay subjected to mechanical load and thermal load with different thermal aggregation degrees （defined as the ratio of the heat injected into the ground to that extracted from the ground）， including the pile temperature， pile head settlement， pile axial stress， ground temperature and the excess pore water pressure in the soil around the energy pile. The simulation results show that when the heating and cooling loads are reasonably balanced， the pile head settlement increases with the number of thermal cycles， that is， the pile head settlement accumulates gradually， while the amplitudes of the axial stress in the pile and the soil temperature around the pile keep the same. When the heating load is dominant， the pile temperature rises with the increase of thermal cycles， and the pile head settlement decreases. Thermal cycles have no effect on the axial stress in piles. With the increase of the thermal cycles， the temperature of the surrounding soil gradually increases， resulting in heat accumulation in the ground. The more dominant the heating load is， the higher the temperatures of the energy pile and the soil around the pile， the larger the minimum compressive stress in the energy pile， and the smaller the pile head settlement. The thermally induced excess pore water pressure within the surrounding soil is very small.

关键词

Keywords

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Brandl H . Energy foundations and other thermo-active ground structures ［J］. Géotechnique ， 2006 ， 56 （ 2 ）： 81 - 122 .

Moel M D ， Bach P M ， Bouazza A ， et al . Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations and their feasibility in Australia ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2010 ， 14 （ 9 ）： 2683 - 2696 .

刘汉龙，孔纲强，吴宏伟 . 能量桩工程应用研究进展及PCC能量桩技术开发［J］. 岩土工程学报， 2014 ， 36 （ 1 ）： 176 - 181 .

Liu H L ， Kong G Q ， Wu H W . Applications of energy piles and technical development of PCC energy piles ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2014 ， 36 （ 1 ）： 176 - 181 . （in Chinese）

Laloui L ， Nuth M ， Vulliet L . Experimental and numerical investigations of the behaviour of a heat exchanger pile ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods Geomechanicsin ， 2005 ， 30 （ 8 ）： 763 - 781 .

Bourne-Webb P J ， Amatya B ， Soga K ， et al . Energy pile test at Lambeth College， London： geotechnical and Thermodynamic aspects of pile response to heat cycles ［J］. Géotechnique ， 2009 ， 59 （ 3 ）： 237 - 248 .

桂树强，程晓辉 . 能源桩换热过程中结构响应原位试验研究［J］. 岩土工程学报， 2014 ， 36 （ 6 ）： 1087 - 1094 .

Gui S Q ， Cheng X H . In-situ test for structural responses of energy pile to heat exchanging process ［J］. Chinese Journal of EngineeringGeotechnical ， 2014 ， 36 （ 6 ）： 1087 - 1094 . （in Chinese）

路宏伟，蒋刚，王昊，等 . 摩擦型能源桩荷载‑温度现场联合测试与承载性状分析［J］. 岩土工程学报， 2017 ， 39 （ 2 ）： 334 - 342 .

Lu H W ， Jiang G ， Wang H ， et al . In-situ tests and thermo‑mechanical bearing characteristics of friction geothermal energy piles ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2017 ， 39 （ 2 ）： 334 - 342 . （in Chinese）

陈智，高华雨，肖衡林，等 . 温度荷载作用下灌注型能量桩热力响应原位试验研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2019 ， 39 （ 4 ）： 592 - 598 .

Chen Z ， Gao H Y ， Xiao H L ， et al . In-situ thermo-mechanical response test of perfusion energy pile under temperature loading ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2019 ， 39 （ 4 ）： 592 - 598 . （in Chinese）

Faizal M ， Bouazza A ， McCartney J S . Axial and radial thermal responses of energy pile under six‑storey residential building ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2019 ， 56 （ 7 ）： 1019 - 1033 .

Stewart M A ， McCartney J S . Centrifuge modelling of soil-structure interaction in energy foundations ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2014 ， 140 （ 4 ）： 04013044 .

Ng C W W ， Shi C ， Gunawan A ， et al . Centrifuge modelling of energy piles subjected to heating and cooling cycles in clay ［J］. Geotechnique Letters ， 2014 ， 4 （ 4 ）： 310 ‑ 316 .

Ng C W W ， Shi C ， Gunawan A ， et al . Centrifuge modelling of heating effects on energy pile performance in saturated sand ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2015 ， 52 （ 8 ）： 1045 - 1057 .

孔纲强，王成龙，刘汉龙，等 . 多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析［J］. 岩土力学， 2017 ， 38 （ 4 ）： 1 - 7 .

Kong G Q ， Wang C L ， Liu H L ， et al . Analysis of pile head displacement of energy pile under repeated temperature cycling ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2017 ， 38 （ 4 ）： 1 - 7 . （in Chinese）

Nguyen V T ， Tang A M ， Pereira J M . Long-term thermo- mechanical behavior of energy pile in dry sand ［J］. Acta Geotechnica ， 2017 ， 12 （ 4 ）： 729 - 737 .

刘干斌，谢琦峰，范高飞，等 . 饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2017 ， 36 （ 10 ）： 2535 - 2543 .

Liu G B ， Xie Q F ， Fan G F ， et al . Model test on bearing capacity characteristics of heat exchanger piles in saturated clays ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2017 ， 36 （ 10 ）： 2535 - 2543 . （in Chinese）

Wu D ， Liu H L ， Kong G Q . et al . Thermo‑mechanical behavior of energy pile under different climatic conditions ［J］. Acta Geotechnica ， 2019 ， 14 （ 5 ）： 1495 - 1508 .

郝耀虎，孔纲强，彭怀风，等 . 桩端约束对桩身热力学特性影响的模拟分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2017 ， 37 （ 4 ）： 532 - 539 .

Hao Y H ， Kong G Q ， Peng H F ， et al . Analysis of thermo-mechanical behavior of single pile influenced by pile tip constraint ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2017 ， 37 （ 4 ）： 532 - 539 . （in Chinese）

费康，洪伟，钱建，等 . 循环温度作用下砂土地基能量桩的长期工作特性［J］. 防灾减灾工程学报， 2017 ， 37 （ 4 ）： 525 - 531 .

Fei K ， Hong W ， Qian J ， et al . Long-term performance of energy piles subjected to cyclic thermal loading in sand ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2017 ， 37 （ 4 ）： 525 - 531 . （in Chinese）

Rui Y ， Yin M . Investigations of pile-soil interaction under thermo-mechanical loading ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2018 ， 55 （ 7 ）： 1016 - 1028 .

Ng C W W ， Ma Q J ， Gunawan A . Horizontal stress change of energy piles subjected to thermal cycles in sand ［J］. Computers and Geotechnics ， 2016 ， 78 ： 54 ‑ 61 .

Adinolfi M ， Maiorano R M S ， Mauro A ， et al . On the influence of thermal cycles on the yearly performance of an energy pile ［J］. Geomechanics for Energy and the Environment ， 2018 ， 16 ： 32 - 44 .

Aburl-Naga H M ， Bergado D T ， Bouzza A . Thermally induced volume change and excess pore water pressure of soft Bangkok clay ［J］. Engineering Geology ， 2007 ， 89 （ 1 ）： 144 - 154 .

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