不同埋管形式对混凝土能量桩受力特性的数值模拟研究

常 虹，李 洋，李宗效

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

能量桩在地埋管方式中,具有节能、占地面积小、节省地下空间的优点.能量桩储热技术是一种在混凝土桩基内部埋设换热管,传递上部荷载的同时承担地热能源传热器作用的新技术,同时桩埋管回填材料为导热性优良的混凝土,使能量桩的换热性能远远高于土壤热泵技术.在世界能源可持续发展的背景下,能耗问题存在于多种行业中,其中建筑能耗占整个社会总能耗的较大比例[1-2].

目前我国能量桩仍处于发展阶段,只有少部分学者在能量桩的埋管方式上做出了研究.由于温度的变化改变了桩体和桩周土体的性质,引起了桩身和桩周土温度场的变化,进而导致应力场和位移场的变化.费康等[3]人利用数值模拟,分析了黏土地基中能量桩的力学特性,通过在相同应力条件下进行多次反复的升温-降温试验,得出桩周土在多次的循环加热下产生了不可恢复的塑性变形,桩顶也出现了残余沉降的结论.随着桩顶荷载的增加和循环温度次数的增多,桩顶的变形增量也逐渐增加.张丹等[4]人采用U型、双U型两种不同埋管形式进行了热响应试验,通过分布式光纤传感技术,测试了桩身的温度和应变,结果发现在传热初期桩内温度堆积过多,不能快速传递给桩周土;陈忠购等[5]人和赵嵩颖等[6]人研究了能量桩体内的不同埋管形式的传热性能,得出不同埋管形式对土壤的温度变化影响不同;李远等[7]人对比研究了传统的理想弹塑性模型及双曲线模型和改进后的桩-土荷载传递荷载曲线,得出改进后的曲线会影响其受力行为;路宏伟等[8]对摩擦型能源桩进行了现场测试,分析了温度对桩体应力及侧摩阻力的影响,最终表明在热力耦合的作用下,桩侧摩阻力在不同加热和制冷工况下分布不均匀,而桩体产生的附加应力的最大值在桩身中部出现;Lee等[9]人对能量桩在不同埋管形式下的传热性能进行了研究,得出不同的埋管形式会影响桩周温度场及桩顶位移和桩侧摩阻力的变化.E.Romero等[10]人对非饱和黏土在超固结比较大时进行不同温度路径的固结压缩实验,发现土体经过温度循环后体积出现不可逆膨胀;H.M等[11]人发现曼谷正常固结土经过了升温-降温-升温的循环后表现出超固结状态且有明显的硬化.本文基于ABAQUS软件,模拟了在施加温度荷载作用下,不同的埋管形式对桩体传热的影响,得出在温度场作用下,桩顶位移及桩侧摩阻力的变化.

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型及材料参数

本文采用ABAQUS有限元软件建立并联双U型和单U型两种不同埋管形式的混凝土能量桩,桩土的几何模型如图1所示.图1(a)为单U型埋管几何示意图,图1(b)为并联双U型埋管几何示意图.模拟桩周土体采用黏土,土体半径取2倍桩径即400 mm,高1 800 mm,模型桩桩身由C 30混凝土浇筑而成,桩长1 600 mm,桩径200 mm,桩底距土体底面200 mm,桩内热交换管采用PE管,U型管高1 500 mm,距桩底100 mm,管外径15 mm,内径12 mm,两U型管进、出水口间距均为100 mm,具体的模型材料参数见表1.

(a) 单U型埋管平面示意图

(b) 并联双U型埋管平面示意图

表1 材料属性Table 1 Material properties

1.2 初始条件及网格划分

本文在ABAQUS软件中采用顺序耦合的方式模拟桩土体在传热及受力作用下的特性,分为温度场及温度应力场.温度场主要研究升温及降温两种工况,温度应力场研究桩体在温度和荷载同时作用下的变化,模拟涉及热传递和热力耦合.

模拟分为两个阶段:第一个阶段,未施加荷载情况下,主要对桩进行热传递分析;第二阶段,对能量桩桩顶施加一个工作荷载,沉降稳定后再对桩进行升温或降温.初始应力场中设置土体的初始温度为5 ℃,桩在升温阶段由5 ℃加热至30 ℃,在30 ℃维持24 h后结束;降温阶段由30 ℃降至5 ℃,并在5 ℃维持5 h后结束.通过《建筑桩基技术规范》[12]及相关参数估算出单桩极限承载力并施加工作荷载为25 kN,模拟工况见表2.

表2 模拟工况Table 2 Simulated conditions

划分网格时,为减小运算,先给桩周土体区域定义一条法线,之后用六面体扫掠网格划分,桩体区域采用自由四面体网格,考虑到U型埋管周围温度变化较大而对桩体网格进行加密,划分后的网格如图2所示,其中深色加密部分为桩体,在温度位移耦合分析过程中采用应力单元.

(a) 单U型埋管

(b) 并联双U型埋管

2 数值模拟结果分析

2.1 传热分析

桩体随着温度的变化会发生膨胀和收缩,因此会影响桩顶和桩端位移、桩侧摩阻力及桩身材料应力等.将正常固结状态下不同埋管形式下能量桩在零荷载情况下的循环温度模拟结果绘成曲线图见图3.

图3 不同埋管形式的能量桩桩顶温度变化Fig.3 Temperature variation of energy pile top with different buried pipes

从模拟结果可以看出,不同的埋管形式对桩体的传热效果不一样.在最初的5 h内,温度逐渐增加变化且较明显；在5 h～24 h之间温度逐步趋于稳定；当第25 h时桩体温度骤降,这是由于水温骤降导致的.由于并联双U型埋管的换热面积要高于单U型埋管,故在相同的换热量中,同一时间内，并联双U型埋管的温度变化速率高于单U型埋管.

2.2 桩顶位移分析

图4、图5为桩顶竖向位移随时间的变化规律.不同工况下,加热均使桩顶向上隆起,自然冷却桩顶向下沉降,这与桂树强等[13]人的现场试验结果吻合.

2.2.1 正常固结状态下桩顶竖向位移分析

桩体随着温度的变化会发生膨胀和收缩,因此会影响桩顶、桩端位移及桩侧摩阻力等.图4所示为正常固结时在有无荷载作用下桩顶位移随时间的变化规律,前24 h桩体受热膨胀,桩顶向上隆起,位移逐渐增大,24 h后施加冷荷载,桩体收缩,位移逐渐减小.从图4中可以看出,在有无荷载作用下,并联双U型埋管的桩顶位移值均大于单U型埋管,这是由于并联双U型埋管的换热效率高于单U型埋管.有无荷载作用下的并联双U型埋管在制冷结束第29 h的桩顶位移沉降量均大于零,这是因为双U形管中水的总流量较大,单位换热量较高,桩顶位移并没有恢复到初始状态,故位移大于零.

图4 不同埋管形式下桩顶竖向位移分析Fig.4 Analysis of vertical displacement of pipe top under different buried pipe forms

(a) 单U型埋管竖向位移

(b) 并联双U 型埋管竖向位移

2.2.2 地基土不同固结比时桩顶竖向位移分析

当桩周土处于不同固结状态时,桩顶在荷载作用下的竖向位移数据绘制成曲线见图5.图5(a)、图5(b)分别描述了单U型埋管和并联双U型埋管不同固结比时的桩顶竖向位移.从图中可知,当OCR<1时,土体为欠固结状态,此时两种埋管形式的桩顶竖向位移均为负,说明荷载作用下桩体产生的竖向位移较大,大于温度应力引起的膨胀；在图中所示OCR=1时的桩顶位移值大于超固结比时的位移；而当OCR=2与OCR=4时的位移曲线逐渐趋于重合,这是由于随着固结比的增大,土体对桩体产生的水平方向约束逐渐增大,桩体膨胀受到约束,因此固结比越大,桩顶位移越小；当OCR>=2时,整个桩体的沉降基本不再变化,说明桩顶沉降逐渐稳定.图5(a)、图5(b)对比得出,由于并联双U型埋管的换热量大于单U型埋管,故OCR相同时,并联双U型埋管的桩顶位移大于单U型埋管的桩顶位移.

2.3 桩侧摩阻力结果分析

在升温或者降温的过程中,桩和土体会产生相对位移,从而引起桩侧摩阻力和桩端阻力的变化,向上和向下的侧摩阻力分别在桩体的上部和下部产生,而桩体的底部会引起向上的桩端阻力[14].桩侧摩阻力及桩端阻力升温或降温时的变化如图6所示,其中fs为桩侧摩阻力,MPa;qb为桩端阻力,MPa.

(a) 加热

(b) 制冷

桩侧摩阻力的计算方法有总应力法和有效应力法两种,此处采用有效应力法进行分析计算:

fs=μσv′

(1)

式中,fs为桩身侧摩阻力,MPa；μ是桩身和土之间的摩擦系数;σv′是竖向有效应力,MPa.

2.3.1 正常固结时的桩身侧摩阻力变化

图7(a)、图7(b)分别描述了不同工况下,桩体在24 h和29 h时桩身侧摩阻力的变化规律.

(a) 第24 h时的侧摩阻力变化

(b) 第29 h时的侧摩阻力变化

从图7(a)中可知,工况1,5分别为零荷载时并U和单U型埋管侧摩阻力变化,工况3,7分别为并U和单U埋管受荷载作用的侧阻力变化,桩身受热发生膨胀,桩身上部的膨胀力大于上部荷载，故产生负侧阻力,桩身下部向下膨胀时受到土体向上的约束,则下部产生正侧摩阻力,在距桩顶1.4 m处为中性点位置,由于换热量的不同,并联双U的侧摩阻力值大于单U型埋管.从图7(b)可知,工况2,6分别为零荷载时并U和单U埋管在降温时的侧摩阻力变化,工况4,8分别为并U和单U埋管受荷载作用下的侧摩阻力变化,降温导致桩体收缩,桩体上部产生了正的侧摩阻力,桩端由于受到了土体的约束,产生负侧摩阻力,在距桩顶1.4 m处为中性点位置.从图中得出,由于单U型埋管与并联双U型埋管换热面积的不同,无论有无荷载作用,在加热和降温时并联双U型桩体周围产生的侧摩阻力变化均大于单U型产生的侧摩阻力.

2.3.2 荷载作用下不同固结比时的桩身侧摩阻力

两种不同埋管形式在升温和降温时桩身侧摩阻力的变化绘成曲线如图8.图8描述的是单面排水状态下,单U和并U不同埋管形式桩土接触面上的摩阻力变化曲线图.从图8中可知,在OCR>1时的侧摩阻力值大于OCR<1时的侧摩阻力值,且中性点位置发生了上移,这是由于OCR>1时,土体固结程度较大,产生较大的水平向约束,故桩土接触面的侧摩阻力变化大.固结下陷逐渐趋于稳定,土体的沉降量小于桩体沉降量,桩身相对于桩周土向下位移,负摩阻力逐渐减小,故中性点位置上移.图8(a)与图8(b),图8(c)与图8(d)对比可知,无论升温或制冷时,并联双U型埋管的侧摩阻力值均大于单U型埋管,这是由于并联双U型埋管的换热量及传热速率均较大,故引起更大的侧摩阻力.

(a) 单U升温时的侧摩阻力变化

(b)单U降温时的侧摩阻力变化

(c) 并U升温时的侧摩阻力变化

(d) 并U降温时的侧摩阻力变化

3 结论

本文基于ABAQUS软件,对不同埋管形式桩体的热力学进行了模拟分析,得到了如下结论:

(1) 在加热或制冷时,桩体因温度变化发生膨胀或收缩,随着换热的进行,桩土的热交换过程逐渐趋于平衡,桩顶产生的位移会随着时间的不断推移渐渐趋于稳定,不再变化.

(2) 不同的埋管形式会对能量桩的热力学的传递产生影响,由文中可知,并联双U型埋管对桩体的传热较好,扩散较快.

(3) 升温时,并联双U型埋管形式的桩顶位移大于单U形式埋管的桩顶位移;同样,制冷时双U型埋管形式的桩体位移变化也较单U型变化明显,由于桩体沉降过大不利于建筑物的结构性安全,因此应过度重视制冷过程中产生的桩体位移变化.

(4) 热荷载作用下,由于换热面积的不同,并联双U型埋管比单U型埋管形式下的桩体产生较大的侧摩阻力变化.且加热时均在上部产生向下的侧摩阻力,下部产生向上的侧摩阻力,降温时正好相反.

(5) 不同固结比也影响着桩身侧摩阻力的大小,OCR越大,桩身的侧摩阻力变化越大;不同固结比时,并联双U型埋管的桩侧摩阻力大于单U型埋管.

(6) 随着固结比的增大,桩顶竖向位移逐渐减小;不同固结比时,并联双U型埋管的桩顶竖向位移的变化值大于单U型埋管.