熱交換樁承載力特性模型試驗(yàn)及有限元分析.pdf

1、熱交換樁是一種將換熱管與常規(guī)樁相結(jié)合的新型基樁，具有節(jié)能環(huán)保、綠色經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)熱交換樁的研究主要包括傳熱效率和熱力特性兩方面。目前，國內(nèi)外在傳熱效率這一塊已有大量的研究成果，但是關(guān)于溫度作用對(duì)熱交換樁熱力響應(yīng)的影響缺乏深入的研究。本文通過大型模型試驗(yàn)、有限元分析，對(duì)熱交換樁在循環(huán)溫度作用下的承載力特性、沉降量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等方面開展了相應(yīng)的研究。
　　(1)將樁體分別設(shè)定為常溫28℃、加熱至55℃、先加熱至55℃再自然降溫至28℃

2、三種工況，研究溫度作用對(duì)熱交換樁承載力的影響。通過分析測(cè)得的溫度、孔壓、樁身軸力以及載荷-沉降曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明：①樁頂在豎向壓力作用下，熱交換樁的載荷-沉降曲線較平緩，承載力大于普通樁。其中，單純加熱條件下的樁體極限承載力與普通樁進(jìn)行比較，前者的承載力約為后者的1.21倍；加熱至穩(wěn)定溫度再降溫工況下的樁體極限承載力是普通樁的1.07倍。說明溫度作用有助于熱交換樁單樁承載力的提高。②樁頂在受到相同豎向荷載作用時(shí)，單純加熱條件下的試驗(yàn)樁樁

3、底應(yīng)力最小，循環(huán)溫度下的試驗(yàn)樁樁底應(yīng)力略小于普通樁的樁底應(yīng)力，表明在一定溫度范圍內(nèi)，樁側(cè)摩阻力隨溫度的升高而增大，升溫可以明顯提高摩擦型熱交換樁的側(cè)摩阻力。
　　(2)在土體溫度11℃工況下，測(cè)試樁樁頂分級(jí)施加恒定荷載至2kN，然后對(duì)樁體升溫至55℃并穩(wěn)定一段時(shí)間，最后自然冷卻到常溫，以模擬熱交換樁夏季工作環(huán)境，研究熱交換樁在循環(huán)溫度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：①同一時(shí)刻，樁體溫度隨樁深的增大而降低。距離樁側(cè)越近，由溫度引

4、起的土體孔壓也越高，且超孔壓達(dá)到峰值所需的時(shí)間也越短；同時(shí)也說明在一定溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的超靜孔壓隨溫升的增加而變大。②樁土達(dá)到穩(wěn)定溫度狀態(tài)后，樁頂最大隆起量為0.34mm，這說明樁體在加熱后發(fā)生膨脹，引起向上的樁體位移；當(dāng)樁土溫度自然冷卻到常溫，此時(shí)樁頂最終沉降量為1.05mm，這說明隨著樁土溫度逐漸恢復(fù)至常溫，樁頂豎向位移會(huì)發(fā)生明顯的變化，且降溫至常溫后會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。③在熱循環(huán)過程中，土體豎向位移會(huì)發(fā)生明顯的變化，土體首先

5、膨脹隆起，然后因孔壓消散逐漸固結(jié)，降溫后會(huì)加速土體固結(jié)沉降。
　　(3)利用Abaqus有限元軟件，以模型試驗(yàn)為原型，建立了熱交換樁樁土有限元模型，通過與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。然后分析計(jì)算了實(shí)際工程中不同循環(huán)溫度對(duì)熱交換樁單樁承載力以及正常使用工況的影響，結(jié)果表明：①在一定溫度范圍內(nèi)，隨著循環(huán)溫度的升高，單樁承載力有一定的提高，且加熱溫差越大，單樁極限承載力也越大。②熱交換樁在經(jīng)受循環(huán)溫度作用之后，單樁承載力并

6、沒有因溫度荷載作用而降低；盡管因加熱導(dǎo)致的樁土膨脹產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力在降溫后消失了，但是加熱過程中時(shí)土體發(fā)生了熱固結(jié)，相當(dāng)于進(jìn)行了地基處理，土體強(qiáng)度有所提高，因而單樁承載力并不會(huì)因循環(huán)溫度作用而降低。③當(dāng)熱交換樁處于加熱狀態(tài)下，樁身會(huì)產(chǎn)生比較大的溫度應(yīng)力，且最大附加壓應(yīng)力位于樁身中部位置，呈中間大兩端小的趨勢(shì)，這是因?yàn)榧訜崾箻锻僚蛎洠瑯渡碇胁康募s束作用比較強(qiáng)，因此產(chǎn)生比較大的附加應(yīng)力；在一定溫度范圍內(nèi)，樁體產(chǎn)生的附加溫度壓應(yīng)力隨溫差的增加