PCC能量樁熱、力學工程特性及樁-土荷載傳遞機理研究結題摘要

淺層地熱能作為一種清潔、可持續(xù)發(fā)展的新能源，儲量大、無污染、無碳排放，值得大力開發(fā)與利用。能量樁作為淺層地熱能開發(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用、節(jié)約用地，兼具支撐上部荷載和淺層地熱能傳遞雙重功能。然而，能量樁涉及到溫度場、應力場和滲流場等THM多場耦合問題，無法用傳統(tǒng)的土力學與樁基礎知識進行有效解決，給廣大工程技術人員帶來前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。依托本項目資助，獲得了如下幾點研究成果： （1）成功研發(fā)了一種新型PCC能量樁、新型預埋管能量樁的設計方法、制作工藝以及質量檢測方法等成套技術?；诖蟊瘸吣Ｐ驮囼灪屯凉るx心機試驗方法，揭示了PCC能量樁、新型預埋管能量樁的熱、力學工程特性及樁/土位移場與溫度場分布規(guī)律；為國家行業(yè)標準《樁基地熱能利用技術標準》（送審稿）的制定，提供技術支撐。 （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控制方程、添加計算邊界面內(nèi)塑性應變偏微分方程的方法對一熱力耦合邊界面本構模型進行了二次開發(fā)。利用所開發(fā)模型，對一維固結問題、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行了模擬，驗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。 （3）基于Laloui教授等提出的土體熱本構模型（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)學軟件數(shù)值求解ODE來獲得樁體膨脹（應力，超孔隙壓力和位移）響應參數(shù)的理論解。 依托本項目研究，發(fā)表標注本項目基金號（51378178）學術論文29篇（其中SCI收錄12篇、EI收錄9篇），授權國家發(fā)明專利8項，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-土相互作用機理，對指導能量樁工程設計、施工具有重要的應用價值和社會經(jīng)濟效益。 2100433B

能量樁是一種由地源熱泵技術與樁基埋管換熱器結合組成的經(jīng)濟高效節(jié)能減排技術，近年來在我國建筑工程領域已逐步推廣應用，但是其理論研究明顯落后于實踐，能量樁技術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用價值。本項目擬通過技術研發(fā)、試驗研究和理論分析等方法，研發(fā)一種全新的PCC能量樁技術，建立PCC能量樁技術的結構形式、導熱材料、制作工藝以及質量檢測方法等成套技術方案；基于大比尺土工模型試驗、離心機模型試驗以及數(shù)值分析方法，分析能量傳遞過程中PCC能量樁的溫度場與應力場的分布規(guī)律，建立PCC能量樁的能量傳遞理論模型及計算方法；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影響的新型PCC能量樁承載力計算方法。研究成果將豐富并創(chuàng)新能量樁設計與計算理論，對指導節(jié)能減排新型能量樁技術的應用和發(fā)展具有重要的科學意義。

傳遞機理

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面土是緊密接觸的，當樁相對于土向下位移時就產(chǎn)生土對樁向上作用的樁側摩阻力。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-全部樁側摩阻力。

樁頂荷載是樁通過樁側摩阻力和樁底阻力傳遞給土體。

土對樁的支承力=樁側摩阻力 樁底阻力

樁的極限荷載(或稱極限承載力)=樁側極限摩阻力 樁底極限阻力

樁側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，并各自達到極限值時所需要的位移量是不相同的。試驗表明：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%，而樁側摩阻力只要樁土間有不太大的相對位移就能得到充分的發(fā)揮，具體數(shù)量認識尚不能有一致的意見，但一般認為粘性土為4～6mm，砂性土為6~10mm。

不同樁型的特點

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

摩擦樁： 樁底土層支承反力發(fā)揮到極限值，則需要比發(fā)生樁側極限摩阻力大得多的位移值，這時總是樁側摩阻力先充分發(fā)揮出來，然后樁底阻力才逐漸發(fā)揮，直至達到極限值。對于樁長很大的摩擦樁，也因樁身壓縮變形大，樁底反力尚未達到極限值，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，此時確定樁的承載為時樁底極限阻力不宜取值過大。

樁側摩阻力=f(土間的相對位移，土的性質， 樁的剛度，時間，土中應力狀態(tài)，樁的施工）

樁側摩阻力實質上是樁側土的剪切問題。

樁側土極限摩阻力值∝樁側土的剪切強度

樁側土的剪切強度=f(類別、性質、 狀態(tài)和剪切面上的法向應力)

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

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

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

樁側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、了解樁側摩阻力的分布規(guī)律，對研究和分析樁的工作狀態(tài)有重要作用。由于影響樁側摩阻力的因素即樁土間的相對位移、土中的側向應力及上質分布及性狀均隨深度變比，因此要精確地用物理力學方程描述樁側摩阻力沿深度的分布規(guī)律較復雜。

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測資料,在粘性土中的打入樁的惦側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。現(xiàn)常近似假設打入樁樁側摩阻力在地面處為零；b) 圖1為我國某工程鉆孔灌注樁實測資料，從地面起的樁側摩阻力呈線性增加，其深度僅為樁徑的5一10倍，而沿樁長的摩阻力分布則比較均勻。而對鉆孔灌注樁則近似假設樁側摩阻力沿樁身均勻分布。

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

樁底地基土的受壓剛度和抗剪強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作用是逐漸完成的，樁底阻力將隨土層固結度提高會隨著時間而增長。

模型和現(xiàn)場的試驗研究表明，樁的承載力(主要是樁底阻力)隨著樁的入土深度，特別是進入持力層的深度而變化。這種特性稱為深度效應，樁底端進入持力砂土層或硬粘土層時，樁的極限阻力隨著進入持力層的深度線性增加。達到一定深度后，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。 上部荷載越小、持力層土密度越大，則h越大。

當持力層下為軟弱土層也存在一個臨界厚度tc 當樁底下臥軟弱層頂面的距離t≤tc時，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，對于以夾于軟層中的硬層作樁底持力層時，要根據(jù)夾層厚度，綜合考慮基樁進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入持力層的深度而增大，不存在臨界深度，當有下臥軟弱土層時，軟弱土對單樁的影響更大。

第一種情況：

當樁底支承在很堅硬的地層，樁側土為軟上層其抗剪強度很低時，（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度。

第二種情況：

當具有足夠強度的樁穿過抗剪強度較低的土層而達到強度較高的土層時(如圖3)，樁在軸向受壓荷載作用下，樁底土體能形成滑動面出現(xiàn)整體剪切破壞，這是因為樁底持力層以上的軟弱土層不能阻止滑動土楔的形成。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，樁側摩阻力也起一部分作用。

第三種情況：當具有足夠強度的樁入土深度較大或樁周土層抗剪強度較均勻時(如圖4)，樁在軸向受壓荷載作用下，將會出現(xiàn)刺入式破壞。根據(jù)荷載大小和土質不同，試驗中得到的P-S曲線上可能沒有明顯的轉折點或有明顯的轉折點(表示破壞荷載)。樁所受荷載由樁側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。

樁的有效長度

樁所受的荷載向下傳遞時，樁側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度，如同錨桿存在著有效長度一樣。如深圳地區(qū)近些年來隨著對前海片區(qū)及后海片區(qū)的開發(fā)建設，樁長超過 60、70 m 的超長樁應用越來越多。很多靜載試驗結果表明，樁的長度達到一定程度后，承載力與樁長不再成比例增長，其增長速率下降，即側摩擦力的效率降低。這就意味著，當樁長較長時，如果不嵌巖，按照規(guī)范計算得到的樁長有時不一定夠用，可能需要更長甚至入巖。深圳后海某樁基工程為非嵌巖樁，以強風化花崗巖為持力層，旋挖成孔，成樁后選3 條樁進行靜載試驗樁長50 ～ 60 m，試驗結果表明，單樁承載力都達不到設計要求，最低的僅為設計值的40%：直徑1.0 m，樁長54 m，設計承載力極限值17400 kN（其中計算書中樁側阻力極限值13800 kN ），試驗結果僅為6960 kN。雖然最終歸因于施工質量欠佳（抽芯檢測樁底有 1 m 多厚的沉渣 ）。2100433B

當上部結構傳至基礎頂面的荷載較小時，樁和樁間土同時開始受力，此時由于樁頂安裝了變形調節(jié)裝置(該裝置的剛度遠大于地基土的基床系數(shù))，因此，樁承擔的荷載大于地基土承擔的荷載 。隨著基礎承擔的荷載逐漸增大 ， 樁頂變形調節(jié)裝置和樁間土均開始壓縮變形，并且兩者之間保持著協(xié)調，即變形調節(jié)器具有自適應性。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；而樁頂變形調節(jié)裝置卻依然保持線性工作狀態(tài)，因此樁土荷載分擔比將逐漸趨于穩(wěn)定。最終樁 、土分別達到《建筑地基基礎設計規(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) 。

當混凝土樁應用于硬土層時，樁基周邊的土體會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，導致樁邊土體對混凝土樁產(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，認為嵌巖樁的承載力主要取決于嵌入巖石部分樁身的樁側嵌固力和樁尖阻。隨著嵌巖樁的廣泛應用，大部分的現(xiàn)場資料表明：無論是嵌入強風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阻力在樁身受荷過程中可以調動起來，樁側土層強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，樁側阻力的分擔的荷載比，隨長徑比的增大而增大，隨凌蓋層強度的提高而增大，當在樁的長徑比比較大而覆蓋土層又不太軟弱的情況下，其端阻力分擔荷載比很小，且樁的破壞是由樁身壓壞引起的。對于短粗的人工挖孔嵌巖樁，或覆蓋層極軟的中長鉆孔嵌巖樁，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。