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摘 要

能量桩通过适度使用不变的地面温度来有效控制建筑物的温度。然而，这种使用面临着新的工程挑战，因为地基桩的温度，地面引起的附加变形以及基础元素的反应和土中衔接的热-水-力耦合现象视变化的。有几家出版社发表了全面的检验调查能量桩的这一方面，并且显示热量引起了变形和基础元素的反应。同时，在对土热性能的理解和在对循环热负荷在线接地和基础的行为上有了重大进步。然而，在以前温度对蠕变速率的影响并没有得到特别的关注。本文报道了一个在一个很硬的高塑性粘土进行能量桩原位拉伸热机械测试实验结果。在原位试验，桩受到的装配管循环热水的热负荷，在冷却主导气候模拟的热负荷，在不同层次的机械负荷。在桩的轴向应变和温度，和桩的荷载-位移测试–张力沿桩的中心位置和不同桩头处分别进行监测。数据显示，随着温度的增加，观察到的蠕变速率的能量桩在高塑性粘土也增加，这将导致在结构的生命时间的基础上额外的位移随时间变化的。研究还发现，使用地热桩导致桩本身无实际意义的热致变形和载荷。

1引言

在二十一世纪，由于化石燃料的大量使用，空气污染是人类面临的主要环境问题。为了克服这个问题的一个机会就是开发新的技术和方法，从储存在地下的能量收益。一个很有前途的高效技术是浅层地热能系统(SGES)。浅层地热能系统的使用正在迅速增长，因为它消耗更少的能源使用，导致更少的二氧化碳排放。该技术利用持续的适度的建筑热工控制地面温度。外面的空气温度随季节变化，而地面温度保持相对恒定。在夏天，地面温度低于空气温度，所以地面可以作为一个散热器。在冬季则相反；地面变得热源。该系统循环的载热流体通过在桩上安装高密度聚乙烯管。载热流体在较低的温度下加热时，需要建设循环和在高温时的冷却是必需的。

由于桩土材料的工程性能的温度依赖性，这个热负荷在桩和复杂的热-水-力耦合现象的土壤体积膨胀和收缩的结果。

对能量桩的热机械行为的知识逐步增长归功于热机械全面的负载测试已经进行了与文献中报道的越来越多。所有报道的试验，表明能量桩用作浅层地热能系统地埋管换热器引起的增加或减少的应力和应变（当分别工作在冷却或加热模式）和桩的荷载分配。从收集到的信息在这些测试中，它是可能与在测试桩的增加的温度水平，机械响应的改变土壤的强度和边界条件。

所有能量桩的文献报道的热机械测试对应的负荷（压缩）试验。在这些测试中，垂直切边和点端桩阻力进行加载。在本文中，主要研究温度对冲击剪切阻力；因此，张（拉）力测试（不影响点端桩阻力）已经完成。热机械拉伸试验进行了在该领域非常激烈的高塑性安装能量桩（CH）粘土。测试桩的安装和使用在全国岩土工程试验站（NGES）德克萨斯大学进行。对桩进行载荷试验，这是5天不同的机械负荷水平下的循环载荷下的热。在测试过程中收集的其他信息包括空气的温度和相对湿度和在桩循环的水的温度。

这一试验的目的是调查与时间相关的性能在高塑性粘性土桩在土体中蠕变可能是一个重要因素考虑。此外，本文在热机械载荷作用下桩的荷载分配计算能量。

2 概念背景

能量桩的热机械行为是由Bourne-Webb和Amatya等人描述的，使用基于能量桩的热负荷试验审查的简单方法。在分析一个能量桩，载荷分布和应力分布都是非常重要的。只有在机械载荷作用下，桩的应力和应变直接相关。当垂直桩是在热载荷作用下，它经历了额外的热应变，简称ε_T-Obs是测量在中性点热载荷所产生的应变。中性点是指在桩的某一点由于热负荷应变没有变化。当桩被加热，它经历了扩张和移动向上和向下到中性点下面，而相反的是当桩被冷却，它经历了收缩和向下移动在中性点上下。垂直应变的另一部分是由于土壤电阻约束。静止应变和动态应变的总和是自由应变，这是桩的应变经验如果不抑制土壤和结构。热应力的自由和观察到的应变和热负荷，之间的差异所导致的，可以用公式1计算。在这个方程中，负号的意思，在桩的运动方向相反的力约束的热应变的结果。

其中α 是线性热膨胀系数，E为桩材料的杨氏模量，A是桩截面面积。在能源桩，桩的总承载是机械负荷和热负荷的总和。关于这种方法的更多细节Bourne-Webb和Amatya等人提出的。

了解能量桩长期行为，特别是它们的位移限制在建筑物的结构完整性的影响非常重要。这可以通过限制附加变形范围完成。在它们的一生中，具有蠕变，和恒定的机械负荷的结构应用随时间变化的运动有关。蠕变速率取决于土壤类型，土壤质地，施加的应力水平和温度。在粘性土中最后一个因素是更重要的。举个例子，图1呈现的三轴蠕变试验结果由米切尔等人进行的，在三藩湾淤泥样品原状。提高土壤样品温度到16.7 C后应变和应变率的增加，这是接近地热应用的典型的温度升高。试样的温度变化开始后其应变率增加约10的因子。此外，图1b表明，应变增加应变速率减小，但在越高的温度下减小的越慢。

有一些额外的实验研究温度对粘土的时间响应的影响；他们主要集中于对行为粘土，材料研究的背景下，设计核废物处置。

图1a是轴向应变和时间的关系， 图1b是应变速率和时间的关系 实验样品是一 个受温度变化旧金山湾泥样品（由Mitchell等人修改的。）

图2从谷歌地球看的测试点位置

Romero等人发现温度对一般粘土固结样品的效果是相当明显的，而在蠕变温度的影响超固结试样实际上是可以忽略不计。

基于对注浆锚杆在全国岩土工程试验现场原位蠕变试验广泛（德克萨斯农机大学），Briaud提出了下面的模型对锚桩的位移随时间变化进行评估：

(2)

n是粘性指数；t（min），t₁，S₁（m），和S_t（m）分别是时间，参考时间，位移和在时间t，在时间t₁时的位移。粘性指数可以从蠕变试验场或旁压试验估算。N值求得，是由现场蠕变实验位移与时间取对数的比值和压力计实验中变形模量和时间取对数的比值。E_t和E_t1是变形模量，分别对应t和t₁时压力测试值。

3测试位置的材料属性

原位测试在德州农工大学位于西12公里大学校园内进行（图2)。位于全国岩土工程试验站的两个主要站点是：粘土和沙土站点。两个站点的土壤性质在以前的报告中提到过。本文报道的实验是在一桩安装在土场进行。粘土站点大约占地面积5500m2。Briaud总结了自1980以来，许多实验室和在此进行的现场试验，发现这个网站的地层是四层。上面一层是红色和灰色的均匀厚度的的高塑性粘土（约5.5米）。第二层为厚度变化的，其平均厚度为1米的砂层。下面这一层是平均厚度6.5米的深灰色泥页岩夹细粒砂层。第四层是延伸到50米的深度黑粘土（岩）层。土壤地层学，实验室检查结果，原位测试结果，平均土壤每一层的性质归纳在图3。

在实验室测量的无侧限抗压强度在0.05米直径的样品用于测试桩的水泥浆抗压强度。测量在28天的抗压强度为22.5～27.6兆帕，平均为25.7兆帕。 水泥浆的单位重量为18.4（kN／m3），和弹性模量由抗压强度估计为17400 MPa。PEX桩应使用符合ASTM标准的。

图3 土层性质概要和室内试验（a)现场试验（b）的岩土组成和土层剖面（c)

图4：桩的布置尺寸（a）；承台图（b)；桩的剖面和平面图（c）

4试验布置和安装细节

拉伸试验的布局和细节如图4所示。测试桩是安装在NGES的标记1至8号的粘土组中一组桩。其中有两根是能量桩，其余六根用来研究桩在荷载作用下的蠕变。桩的钻孔和灌浆在2013年7月17日，到地面在同一天。检测钢筋和管插入钻孔后立即完成钻井工艺和灌浆。所有的桩直径0.18米，长5.5米。平板上孔的直径是30厘米，和桩不是连通的。每一桩与一根25毫米直径钢筋在钻孔的中心连接；75级钢具有屈服应力fy517 MPa，弹性模量值为204000 MPa。两能量桩各配有19毫米内径和外径23毫米PEX管的U形环。U型的管脚0.1米外的中心弯曲从桩底0.4米的距离起。混凝土板（9*6*0.3m）作为一个平台钻桩进行荷载试验。板与0.3m*0.3m的网格钢筋加固。这确保了一个简单的钻孔桩安装过程。能量桩钻孔位于0.5m。基准（6米深）安装在板到板的固定点。为了避免电源断开,在现场有本田的3 kw便携式发电机作为电源的仪器和工具。中心孔液压千斤顶500 kN的能力被用来应用钉上的负载。循环水管道是存储在一个小柜。把桶里的水是循环使用aHP便携式能源桩铸铁水泵流量为1.08 L / s。

5仪器

能量桩检测监控的主要测试变量:位移、压力、温度和相对湿度。表1总结了所使用的仪器。

粘贴应变片中央钢筋检测6追踪发达的菌株在不同的水平形变场加载下的桩。用于测试模型的应变仪UFCA-5-11东京Sokki Kenkyujo有限公司完整的惠斯通电桥与温度和弯曲应变仪补偿。

在同一水平应变仪,六个热电偶类型T欧米茄的安装在桩和相邻钻孔。桩追踪的热电偶温度变化的中心能量桩为了与应变的变化温度的变化。相邻钻孔的热电偶温度跟踪土壤中由于热堆的使用。从GEOKON负载模型桩用来测量应用的负载。此外,仔细检查,桩上的负载测量安装在液压千斤顶压力表。千分表放在顶部的能量桩测量垂直桩位移。仪器的一部分被连接到阅读框和数据记录器为了电子存储测量数据,手动,另一个部分是阅读。在测试期间的空气温度和相对湿度记录使用温度和相对湿度Extech USB数据记录器。

6原位测试计划

能量桩进行负载五次：测试1,测试2,测试3,测试4,和测试5，分别施加张力40,100,150,200,和256 kN于桩的顶部。在每个测试,桩机械加载1 h(60分钟)。应用负载的1 h后,打开水泵，循环水中桩。水被高温天气和工作的水泵加热，导致10-15C循环水温度的增加。水泵运行4小时完成机械加载后一步。测试的总时间是5小时(300分钟)。在这段时间里,桩和土壤温度、轴向应变,空气温度和相对湿度,循环水温度是使用前一节中描述的仪器监控的。全面测试序列可视化在图5的时间在水平轴和垂直轴上的应用张力负荷。每个测试下的阴影区域代表了时间热负荷时的应用。

加载设置显示液压千斤顶和泵、水泵、发电机、水箱、读出框和数据记录器,和负载如图6所示。桩进行了负载测试从2013年8月2日到6日,从测试1开始和测试5结束。

每天，增加一级荷载；随着测试结束，桩的荷载卸除，水泵关闭。在开始测试之前,应变仪读数调到零位,因此,任何产生应变的施工过程被忽视,只有由于机械和热负荷引起的应变需要测量。本文中的测试报告桩N7进行的(图4)。

图5 试验时间安排

图6 试验桩（a) 试验设备（b）

7测试结果

在本节中,给出了在被认为是该领域的实验测试的不同阶段的结果。首先提出了桩和土壤温度的变化与空气温度和相对湿度波动的测试。然后在加载测试桩的运动。最后,沿着桩在荷载的分布测试。

图7每次试验的循环水温

图8在不同时间和荷载下桩和土层的温度

图9 大气温度（a） 大气相对湿度（b）

图10 正常比例的桩顶沉降（a） 对数比例（b）

7.1桩、土壤、水和空气温度

在每个测试过程中,桩、土壤、循环水,环境空气温度监控使用前一节中描述的仪器。循环水温度(图7)中五个测试中平均增加44℃。

在5次测试期间,循环水和土壤之间的温度梯度产生的热通量管道向混凝土和土壤造成桩和土壤温度的增加。最初的土壤和温度不均匀,因为桩位于土层的土壤温度是可变的和高度受到气候条件的影响。因此,循环水和土壤之间的温度梯度不均匀,导致桩的温度不均匀增加。图8显示了桩和土的温度五个测试在时间

t = 60120,180,240,300分钟时间t = 60分钟对应于热加载应用程序的开始和t = 300分钟对应于测试结束。BH对应位置钻孔1(图4,确认为BH1)。整个桩平均温度在测试结束时是38.5摄氏度。在钻孔的位置土壤温度有一个很小的波动,可能是由于仪器和热电偶引起的;然而,这种波动可以忽略,BH1平均温度可以用作桩在测试期间的参考温度。空气温度和相对湿度测试执行期间在Fig.9记录并提出。空气温度范围24 - 39摄氏度,平均30摄氏度,而相对湿度为22 - 96%,平均为63%。

8桩头荷载运动

基础桩的荷载沉降直接影响结构的正常使用和安全。为了确定桩的位移量与循环能源桩的热负荷,在每个步骤中使用千分表(图6)。桩上的负载在每个测试期间保持不变,，测量位移与时间的变化。图10a显示了在自然范围内桩位移,而图10b显示桩位移对数进行蠕变分析。在张力负荷作用下(t = 0分钟),桩最初几分钟位移快速增加。这种增加随着时间的推移,在热负荷放缓之前成为一个几乎恒定速率。应用热负荷后(t = 60分钟),随着桩和土壤温度的增加应变率开始增加。

图11 测量的温度，应变和桩端沉降

图12 因机械，热量和机械-热荷载作用下桩的荷载分布

图13 桩的荷载分布

图14蠕变指数与荷载的关系图

8.1应变仪读数和桩的载荷分布

在测试期间的应变和温度分布的变化在不同位置监控了解桩变形和桩的载荷分布。最相关的应变分布的数据在图11中提出。这些数据对应温度、总应变和热应变的变化，在桩的1.4和2.4米深处,测试4和5对应的张力分别是200和256 kN。此外,这些测试的相关的桩顶位移是在相同的情节(图11)。

基于Bourne-Webb等人提出的方法.,桩由于形变场的预期负载分布加载如图12所示。由于机械负载,负载点减少线性与深度最大值位于桩的顶部。由于加热过程中，张力引起的位移约束沿着中性点达到最大，桩底的张力达到屈服值。桩的形变场负载是机械和热负荷的总和。负号表示压缩荷载,而正号表示张力负荷。图13的沿着桩的载荷是根据概念背景中的描述分布的，在t=0的时候仅有机械载荷。在同一图中,将测试4和5中桩的深度1.4和2.4米处的热负荷分布记录下来。提出了机械和热负荷的总和在同一图(形变场负载)。混凝土抗拉应变是150或更少。当混凝土压力大于150时，就可能会开裂，钢筋承受全部的荷载。图13检验表明，实测载荷分布符合图12中所描述的概念。

在桩达到极限抗弯承载力之前钢筋已经屈服了，因此，最终的摩擦桩屈服强度不能从现场试验确定。然而,把先前的在现场静力载荷试验数据用来确定极限强度。Kubena和Briaud 分析计算了极限强度,在第一层嵌入的能源桩结果范围是113到143 kPa，平均为132 kPa。Ballouz等人通过测量长9.5米，直径0.92米的桩极限强度平均为110kPa，但第一层桩的极限强度显示为165kPa。根据这些测量,测试能源桩的极限抗弯承载力计算为460 kN。

9分析和讨论

测量结果表明,桩的载荷分布是受影响的，当桩用作地面热交换器时。众所周知,摩擦角几乎是独立的温度。桩的热膨胀是由于摩擦桩的温度增加变化。这种摩擦力的改变导致了载荷分布改变，热量诱导桩生成张力。然而,和测量的桩荷载的最终张力变化相比这种变化是微不足道的。

图15源于文献中的蠕变指数的比较

图16实测和推测的荷载沉降曲线

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