PCC能量樁熱、力學(xué)工程特性及樁-土荷載傳遞機(jī)理研究

淺層地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、可持續(xù)發(fā)展的新能源，儲(chǔ)量大、無污染、無碳排放，值得大力開發(fā)與利用。能量樁作為淺層地?zé)崮荛_發(fā)與利用的主要形式之一，可以減少傳統(tǒng)地源熱泵埋管鉆孔費(fèi)用、節(jié)約用地，兼具支撐上部荷載和淺層地?zé)崮軅鬟f雙重功能。然而，能量樁涉及到溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)等THM多場(chǎng)耦合問題，無法用傳統(tǒng)的土力學(xué)與樁基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行有效解決，給廣大工程技術(shù)人員帶來前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。依托本項(xiàng)目資助，獲得了如下幾點(diǎn)研究成果： （1）成功研發(fā)了一種新型PCC能量樁、新型預(yù)埋管能量樁的設(shè)計(jì)方法、制作工藝以及質(zhì)量檢測(cè)方法等成套技術(shù)?；诖蟊瘸吣Ｐ驮囼?yàn)和土工離心機(jī)試驗(yàn)方法，揭示了PCC能量樁、新型預(yù)埋管能量樁的熱、力學(xué)工程特性及樁/土位移場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布規(guī)律；為國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《樁基地?zé)崮芾眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（送審稿）的制定，提供技術(shù)支撐。 （2）分別基于COMSOL和ABAQUS有限元軟件，通過修改軟件內(nèi)置材料方程、耦合滲流和固體力學(xué)控制方程、添加計(jì)算邊界面內(nèi)塑性應(yīng)變偏微分方程的方法對(duì)一熱力耦合邊界面本構(gòu)模型進(jìn)行了二次開發(fā)。利用所開發(fā)模型，對(duì)一維固結(jié)問題、常溫等向壓縮問題、排水條件下等向升-降溫問題和不同溫度下不排水三軸壓縮問題進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了所提方法的可靠性和有效性，為能量樁熱-力耦合特性研究奠定了基礎(chǔ)。 （3）基于Laloui教授等提出的土體熱本構(gòu)模型（ACMEG-T），建立了一種考慮非等溫條件下熱塑性塑料土孔膨脹的理論解。通過將ACMEG-T納入孔擴(kuò)張的理論框架，產(chǎn)生了一系列偏微分方程；通過使用數(shù)學(xué)軟件數(shù)值求解ODE來獲得樁體膨脹（應(yīng)力，超孔隙壓力和位移）響應(yīng)參數(shù)的理論解。 依托本項(xiàng)目研究，發(fā)表標(biāo)注本項(xiàng)目基金號(hào)（51378178）學(xué)術(shù)論文29篇（其中SCI收錄12篇、EI收錄9篇），授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利8項(xiàng)，培養(yǎng)博士后1名、博士研究生5名、碩士研究生3名。研究成果將豐富并創(chuàng)新能量樁熱-力耦合特性及樁-土相互作用機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)能量樁工程設(shè)計(jì)、施工具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 2100433B

能量樁是一種由地源熱泵技術(shù)與樁基埋管換熱器結(jié)合組成的經(jīng)濟(jì)高效節(jié)能減排技術(shù)，近年來在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域已逐步推廣應(yīng)用，但是其理論研究明顯落后于實(shí)踐，能量樁技術(shù)方面也有待更多的創(chuàng)新和發(fā)展，開展本課題研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本項(xiàng)目擬通過技術(shù)研發(fā)、試驗(yàn)研究和理論分析等方法，研發(fā)一種全新的PCC能量樁技術(shù)，建立PCC能量樁技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)熱材料、制作工藝以及質(zhì)量檢測(cè)方法等成套技術(shù)方案；基于大比尺土工模型試驗(yàn)、離心機(jī)模型試驗(yàn)以及數(shù)值分析方法，分析能量傳遞過程中PCC能量樁的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，建立PCC能量樁的能量傳遞理論模型及計(jì)算方法；基于荷載傳遞法和剪切位移法等樁-土相互作用理論，建立考慮冷、熱能量傳遞及土體溫度場(chǎng)影響的新型PCC能量樁承載力計(jì)算方法。研究成果將豐富并創(chuàng)新能量樁設(shè)計(jì)與計(jì)算理論，對(duì)指導(dǎo)節(jié)能減排新型能量樁技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

傳遞機(jī)理

樁在軸向壓力荷載作用下，樁頂將發(fā)生軸向位移(沉降)=樁身彈性壓縮 樁底土層壓縮之和置于土中的樁與其側(cè)面土是緊密接觸的，當(dāng)樁相對(duì)于土向下位移時(shí)就產(chǎn)生土對(duì)樁向上作用的樁側(cè)摩阻力。樁頂荷載沿樁身向下傳遞的過程中，必須不斷地克服這種摩阻力，樁身軸向力就隨深度逐漸減小，傳至樁底軸向力也即樁底支承反力，樁底支承反力=樁頂荷載-全部樁側(cè)摩阻力。

樁頂荷載是樁通過樁側(cè)摩阻力和樁底阻力傳遞給土體。

土對(duì)樁的支承力=樁側(cè)摩阻力 樁底阻力

樁的極限荷載(或稱極限承載力)=樁側(cè)極限摩阻力 樁底極限阻力

樁側(cè)摩阻力和樁底阻力的發(fā)揮程度與樁土間的變形性態(tài)有關(guān)，并各自達(dá)到極限值時(shí)所需要的位移量是不相同的。試驗(yàn)表明：樁底阻力的充分發(fā)揮需要有較大的位移值，在粘性土中約為樁底直徑的25%，在砂性土中約為8%~10%，而樁側(cè)摩阻力只要樁土間有不太大的相對(duì)位移就能得到充分的發(fā)揮，具體數(shù)量認(rèn)識(shí)尚不能有一致的意見，但一般認(rèn)為粘性土為4～6mm，砂性土為6~10mm。

不同樁型的特點(diǎn)

柱樁：由于樁底位移很小，樁側(cè)摩阻力不易得到充分發(fā)揮。對(duì)于一般柱樁，樁底阻力占樁支承力的絕大部分，樁側(cè)摩阻力很小常忽略不計(jì)。但對(duì)較長(zhǎng)的柱樁且覆蓋層較厚時(shí)，由于樁身的彈性壓縮較大，也足以使樁側(cè)摩阻力得以發(fā)揮，對(duì)于這類柱樁國(guó)內(nèi)已有規(guī)范建議可予以計(jì)算樁側(cè)摩阻力。

摩擦樁： 樁底土層支承反力發(fā)揮到極限值，則需要比發(fā)生樁側(cè)極限摩阻力大得多的位移值，這時(shí)總是樁側(cè)摩阻力先充分發(fā)揮出來，然后樁底阻力才逐漸發(fā)揮，直至達(dá)到極限值。對(duì)于樁長(zhǎng)很大的摩擦樁，也因樁身壓縮變形大，樁底反力尚未達(dá)到極限值，樁頂位移已超過使用要求所容許的范圍，且傳遞到樁底的荷載也很微小，此時(shí)確定樁的承載為時(shí)樁底極限阻力不宜取值過大。

樁側(cè)摩阻力=f(土間的相對(duì)位移，土的性質(zhì)， 樁的剛度，時(shí)間，土中應(yīng)力狀態(tài)，樁的施工）

樁側(cè)摩阻力實(shí)質(zhì)上是樁側(cè)土的剪切問題。

樁側(cè)土極限摩阻力值∝樁側(cè)土的剪切強(qiáng)度

樁側(cè)土的剪切強(qiáng)度=f(類別、性質(zhì)、 狀態(tài)和剪切面上的法向應(yīng)力)

樁的剛度較小時(shí)，樁頂截面的位移較大而樁底較小，樁頂處樁側(cè)摩阻力常較大；當(dāng)樁剛度較大時(shí)，樁身各截面位移較接近，由于樁下部側(cè)面土的初始法向應(yīng)力較大，土的抗剪強(qiáng)度也較大，以致樁下部樁側(cè)摩阻力大于樁上部。由于樁底地基土的壓縮是逐漸完成的，因此樁側(cè)摩阻力所承擔(dān)荷載將隨時(shí)間由樁身上部向樁下部轉(zhuǎn)移。在樁基施工過程中及完成后樁側(cè)土的性質(zhì)、狀態(tài)在一定范圍內(nèi)會(huì)有變化，影響樁側(cè)摩阻力，并且往往也有時(shí)間效應(yīng)。影響樁側(cè)摩阻力的諸因素中，土的類別、性狀是主要因素。

在分析基樁承載力等問題時(shí)，各因素對(duì)樁側(cè)摩阻力大小與分布的影響，應(yīng)分別情況予以注意。在塑性狀態(tài)粘性上中打樁，在樁側(cè)造成對(duì)土的擾動(dòng)，再加上打樁的擠壓影響會(huì)在打樁過程中使樁周圍土內(nèi)孔隙水壓力上升，土的抗剪強(qiáng)度降低，樁側(cè)摩阻力變小。待打樁完成經(jīng)過一段時(shí)間后，超孔隙水壓力逐漸消散，再加上粘土的觸變性質(zhì)，使樁周圍一定范圍內(nèi)的抗剪強(qiáng)度不但能得到恢復(fù)，而且往往還可能超過其原來強(qiáng)度，樁側(cè)摩阻力得到提高。

在砂性上中打樁時(shí)，樁側(cè)摩阻力的變化與砂土的初始密度有關(guān)，如密實(shí)砂性上有剪脹性會(huì)使摩阻力出現(xiàn)峰值后有所下降。

樁側(cè)摩阻力的大小及其分布決定著樁身軸向力隨深度的變化及數(shù)值，因此掌握、了解樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律，對(duì)研究和分析樁的工作狀態(tài)有重要作用。由于影響樁側(cè)摩阻力的因素即樁土間的相對(duì)位移、土中的側(cè)向應(yīng)力及上質(zhì)分布及性狀均隨深度變比，因此要精確地用物理力學(xué)方程描述樁側(cè)摩阻力沿深度的分布規(guī)律較復(fù)雜。

如圖1所示兩例來說明其分布變化。

其中，a) 為上海某工程鋼管打入樁實(shí)測(cè)資料,在粘性土中的打入樁的惦側(cè)摩阻力沿深度分布的形狀近乎拋物線，在樁頂處的摩阻力等于零，樁身中段處的摩阻力比樁的下段大?，F(xiàn)常近似假設(shè)打入樁樁側(cè)摩阻力在地面處為零；b) 圖1為我國(guó)某工程鉆孔灌注樁實(shí)測(cè)資料，從地面起的樁側(cè)摩阻力呈線性增加，其深度僅為樁徑的5一10倍，而沿樁長(zhǎng)的摩阻力分布則比較均勻。而對(duì)鉆孔灌注樁則近似假設(shè)樁側(cè)摩阻力沿樁身均勻分布。

樁底阻力=f (土的性質(zhì)，持力層上覆荷載，樁徑，樁底作用力、時(shí)間及樁底端進(jìn)持力層深度）

樁底地基土的受壓剛度和抗剪強(qiáng)度大則樁底阻力也大，樁底極限阻力取決于持力層土的抗剪強(qiáng)度和上覆荷載及樁徑大小的影響。由于樁底地基土層受壓固結(jié)作用是逐漸完成的，樁底阻力將隨土層固結(jié)度提高會(huì)隨著時(shí)間而增長(zhǎng)。

模型和現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)研究表明，樁的承載力(主要是樁底阻力)隨著樁的入土深度，特別是進(jìn)入持力層的深度而變化。這種特性稱為深度效應(yīng)，樁底端進(jìn)入持力砂土層或硬粘土層時(shí)，樁的極限阻力隨著進(jìn)入持力層的深度線性增加。達(dá)到一定深度后，樁底阻力的極限值保持穩(wěn)值。這一深度稱為臨界深度h。

h與持力層的上覆荷載和持力層土的密度有關(guān)。 上部荷載越小、持力層土密度越大，則h越大。

當(dāng)持力層下為軟弱土層也存在一個(gè)臨界厚度tc 當(dāng)樁底下臥軟弱層頂面的距離t≤tc時(shí)，樁底阻力將隨著t的減小而下降，持力層土密度越高、樁徑越大，則tc越大。

由此可見，對(duì)于以?shī)A于軟層中的硬層作樁底持力層時(shí)，要根據(jù)夾層厚度，綜合考慮基樁進(jìn)入持力層的深度和樁底下硬層的厚度。必須指出，群樁的深度效應(yīng)概念與上述單樁不同。在均勻砂或有覆蓋層的砂層中，群樁的承載力始終隨著樁進(jìn)入持力層的深度而增大，不存在臨界深度，當(dāng)有下臥軟弱土層時(shí)，軟弱土對(duì)單樁的影響更大。

第一種情況：

當(dāng)樁底支承在很堅(jiān)硬的地層，樁側(cè)土為軟上層其抗剪強(qiáng)度很低時(shí)，（如圖2)，樁在軸向受壓荷載作用下，如同一根壓桿似地出現(xiàn)縱向撓曲破壞。在荷載-沉降(P-s)曲線上呈現(xiàn)出明確的破壞荷載。樁的承載力取決于樁身的材料強(qiáng)度。

第二種情況：

當(dāng)具有足夠強(qiáng)度的樁穿過抗剪強(qiáng)度較低的土層而達(dá)到強(qiáng)度較高的土層時(shí)(如圖3)，樁在軸向受壓荷載作用下，樁底土體能形成滑動(dòng)面出現(xiàn)整體剪切破壞，這是因?yàn)闃兜壮至右陨系能浫跬翆硬荒茏柚够瑒?dòng)土楔的形成。在PT曲線上可求得明確的破壞荷載。樁的承載力主要取于樁底士的支承力，樁側(cè)摩阻力也起一部分作用。

第三種情況：當(dāng)具有足夠強(qiáng)度的樁入土深度較大或樁周土層抗剪強(qiáng)度較均勻時(shí)(如圖4)，樁在軸向受壓荷載作用下，將會(huì)出現(xiàn)刺入式破壞。根據(jù)荷載大小和土質(zhì)不同，試驗(yàn)中得到的P-S曲線上可能沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(表示破壞荷載)。樁所受荷載由樁側(cè)摩阻力和樁底反力共同支承，即一般所稱摩擦樁或幾乎全由樁側(cè)摩阻力支承即純摩擦樁。

單樁軸向容許承載力

單樁在軸向荷載作用下，地基土和樁本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均能得到保證，變形也在容許范圍之內(nèi)所容許承受的最大荷載，它是以單樁軸向極限承載力(極限樁側(cè)摩阻力與極限樁底阻力之和）考慮必要的安全度后求得的。

確定方法有多種 ，考慮地基土具有多變性、復(fù)雜性和地域性，幾種方法作綜合考慮和分析，合理地確定。

樁的有效長(zhǎng)度

樁所受的荷載向下傳遞時(shí)，樁側(cè)不同深度的摩阻力是異步發(fā)揮的，這表明了摩擦樁存在著有效長(zhǎng)度，如同錨桿存在著有效長(zhǎng)度一樣。如深圳地區(qū)近些年來隨著對(duì)前海片區(qū)及后海片區(qū)的開發(fā)建設(shè)，樁長(zhǎng)超過 60、70 m 的超長(zhǎng)樁應(yīng)用越來越多。很多靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，樁的長(zhǎng)度達(dá)到一定程度后，承載力與樁長(zhǎng)不再成比例增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速率下降，即側(cè)摩擦力的效率降低。這就意味著，當(dāng)樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，如果不嵌巖，按照規(guī)范計(jì)算得到的樁長(zhǎng)有時(shí)不一定夠用，可能需要更長(zhǎng)甚至入巖。深圳后海某樁基工程為非嵌巖樁，以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層，旋挖成孔，成樁后選3 條樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)樁長(zhǎng)50 ～ 60 m，試驗(yàn)結(jié)果表明，單樁承載力都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，最低的僅為設(shè)計(jì)值的40%：直徑1.0 m，樁長(zhǎng)54 m，設(shè)計(jì)承載力極限值17400 kN（其中計(jì)算書中樁側(cè)阻力極限值13800 kN ），試驗(yàn)結(jié)果僅為6960 kN。雖然最終歸因于施工質(zhì)量欠佳（抽芯檢測(cè)樁底有 1 m 多厚的沉渣 ）。2100433B

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的荷載較小時(shí)，樁和樁間土同時(shí)開始受力，此時(shí)由于樁頂安裝了變形調(diào)節(jié)裝置(該裝置的剛度遠(yuǎn)大于地基土的基床系數(shù))，因此，樁承擔(dān)的荷載大于地基土承擔(dān)的荷載 。隨著基礎(chǔ)承擔(dān)的荷載逐漸增大 ， 樁頂變形調(diào)節(jié)裝置和樁間土均開始?jí)嚎s變形，并且兩者之間保持著協(xié)調(diào)，即變形調(diào)節(jié)器具有自適應(yīng)性。由于變形較大，樁間土的承載力得以逐漸增大，并可能表現(xiàn)出初期非線性特征；而樁頂變形調(diào)節(jié)裝置卻依然保持線性工作狀態(tài)，因此樁土荷載分擔(dān)比將逐漸趨于穩(wěn)定。最終樁 、土分別達(dá)到《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2002)建議的單樁豎向承載力特征值和地基土承載力特征值(修正) 。

當(dāng)混凝土樁應(yīng)用于硬土層時(shí)，樁基周邊的土體會(huì)受到向下的荷載而產(chǎn)生向下的作用力，樁體周邊的土體產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致樁邊土體對(duì)混凝土樁產(chǎn)生向下的摩阻力，使混凝土樁產(chǎn)生向下的作用力。

長(zhǎng)期以來人們都把嵌巖樁視為端承樁，忽略了其上覆土的荷載傳遞，認(rèn)為嵌巖樁的承載力主要取決于嵌入巖石部分樁身的樁側(cè)嵌固力和樁尖阻。隨著嵌巖樁的廣泛應(yīng)用，大部分的現(xiàn)場(chǎng)資料表明：無論是嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖還是嵌入新鮮基巖中的樁，樁的軸力均隨深度遞減。表明基巖上覆土層的側(cè)阻力在樁身受荷過程中可以調(diào)動(dòng)起來，樁側(cè)土層強(qiáng)度影響軸力分布曲線的斜率，而其樁端阻力并不大，屬端承摩擦樁，樁側(cè)阻力的分擔(dān)的荷載比，隨長(zhǎng)徑比的增大而增大，隨凌蓋層強(qiáng)度的提高而增大，當(dāng)在樁的長(zhǎng)徑比比較大而覆蓋土層又不太軟弱的情況下，其端阻力分擔(dān)荷載比很小，且樁的破壞是由樁身壓壞引起的。對(duì)于短粗的人工挖孔嵌巖樁，或覆蓋層極軟的中長(zhǎng)鉆孔嵌巖樁，或清孔極好，不存在“軟弱墊層”的鉆孔嵌巖樁，其承載性能與上述嵌巖樁有所區(qū)別，這些樁的樁端阻力對(duì)樁的承載力其主要作用。這些樁的承載特性是摩擦端承樁，而不屬于端承樁。