考虑气温区域分布的能量桩热力学特性研究

摘要

传统石化能源的大量使用加剧了大气污染，新能源利用和发展的呼声日益高涨。作为一种新型的浅层地热利用方法，能量桩兼具换热和承载作用，得到了大量关注。然而，由于多场耦合作用的存在，桩身热力学特性复杂多变，作用机理尚未清晰。另外，能量桩的设计和使用效率还与气温区域特征相关。因此，结合功能需求和气候特征，因地制宜，对能量桩进行合理设计，是其推广和发展的关键。 本文考虑气温区域分布特征，结合能量桩设计需求，开展了不同气温区域下能量桩热力学特性的研究。首先，将FBG测桩技术引入能量桩研究之中，基于相似原理设计并搭建了能量桩室内模型试验系统；其次，综合考虑相关规范和能量桩使用特点，对适用使用能量桩的气温区域进行总结归类，分别为制冷需求为主的气温区域、供暖需求为主的气温区域以及供暖和制冷需求相当的气温区域；然后，采用模型试验的方法对供暖需求为主的气温区域和制冷需求为主的气温区域中的能量桩热力学特性进行了研究，分析总结了不同气温区域中桩土体温度、桩身应力、应变、桩侧摩阻力以及桩顶位移变化规律；而后，基于现有的边界面模型在有限元软件中进行了二次开发，以试验为原型进行了数值模拟，通过对比数值结果和试验结果，验证了所用数值方法用于研究能量桩热力学特性的可行性和适用性；最后，以现场试验为原型进行了数值模拟，对制冷需求为主的气温区域、供暖需求为主的气温区域以及供暖和制冷需求相当的气温区域中的能量桩长期热力学特性进行了研究，总结分析了桩身轴力和桩顶位移的变化规律。 模型试验结果表明，制冷需求为主的气温区域中，多次热循环作用使得土体温度场出现热量累积效应，而在供暖需求为主的气温区域中未出现此现象；桩身附加热应力沿着桩身呈现先增大后减小的趋势，且随循环次数的增加而增大；桩顶在不同气温区域的温度循环作用下均会产生残余沉降，且残余沉降随循环次数的增加出现累积，但其累积速率逐渐减小，并最终趋于稳定。将试验结果和采用了边界面模型的数值模拟结果进行对比分析，结果表明，数值方法能够用于能量桩热力学特性的研究，并具有较好的适用性。以现场试验为原型的长期热力学特性数值试验表明，对于供暖和制冷需求为主的气温区域，运行相同的年限后桩体所产生的附加轴力的最大值要分别大于制冷和供暖需求相当的气温区域；在不同气温区域中，桩顶均出现累积位移，且累积速率随着循环次数的增加逐渐减小。

目录

声明

1 绪论

1.1 能量桩研究背景

1.2 能量桩系统

1.2.1 地源热泵系统

1.2.2 能量桩概念

1.3 国内外研究现状

（1）传热特性

（2）桩身应力和桩侧摩阻力

（3）桩身位移及桩顶沉降

1.4 气温区域分布

1.5 研究内容与本文结构

1.5.1 研究方法与内容

1.5.2 本文结构

2 模型试验系统及方法

2.1 引言

2.2 设计和计算原理

2.2.1 相似原理

2.2.2 计算原理

2.3 试验系统

2.3.1 整体布置

2.3.2 模型箱装置

2.3.3 温控循环系统

2.3.4 量测系统

2.4 试验方法

（1）砂土地基填筑

（2）传感器布置

（3）温度荷载施加

2.5 本章小结

3 考虑气温区域分布的能量桩热力学特性模型试验研究

3.1 引言

3.2 工况选择

3.3 试验方案

3.3.1 试验土体

3.3.2 模型桩

3.3.3 试验方案

3.4 试验结果与分析

3.4.1 桩体及土体温度

3.4.2 桩身热应力分布

3.4.3 温度荷载引起的桩侧摩阻力分布

3.4.4 温度荷载引起的桩顶位移分布

3.5 本章小结

4 能量桩热力学特性数值分析

4.1 引言

4.2 边界面模型理论介绍

4.2.1 边界面模型基本概念

4.2.2 边界面模型阐述

4.3 边界面模型在ABAQUS中的实现

4.4 模型建立与验证

4.4.1 模型假定

4.4.2 模型建立

4.5 有限元模型验证

4.5.1 桩身热应力验证

4.5.2 温度荷载引起的桩侧摩阻力验证

4.5.3 温度荷载引起的桩顶位移验证

4.6 本章小结

5 考虑气温区域分布能量桩长期热力学特性研究

5.1 引言

5.2 数值模型

5.2.1 模型假定

5.2.2 模型建立

5.2.3 模型验证

5.3 加载方案

5.4 结果与讨论

5.4.1 供暖和制冷需求相当的气温区域

5.4.2 供暖需求为主的气温区域

5.4.3 制冷需求为主的气温区域

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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