相变混凝土能量桩热-力学特性的数值模拟与试验验证

摘要

为了获得热力耦合作用下相变混凝土能量桩的热-力学特性,建立了其三维数值模型,比较了传统和相变混凝土能量桩热-力学特性的差异,分析了埋管管腿间距及桩体长径比对相变混凝土能量桩热-力学特性的影响规律.结果表明,相变材料(Phase Change Material,PCM)的固液相变可使单位桩深换热量提高10.3％,且可降低桩身温度变化幅度,由温度变化所引起的桩身位移、轴力及侧摩阻力变化量也相应减小.随桩基埋管管腿间距增加,能量桩的换热量和土壤热影响范围增大,桩身轴力减小,桩身位移呈现先增大后减小趋势;加大桩体长径比会增加总换热量,但会导致单位桩深换热量降低及桩顶位移的增加,不利于桩基结构的稳定性.试验验证表明:所建能量桩数值模型可用于模拟相变混凝土能量桩的热-力学特性,其桩壁中点温度与桩顶位移的预测最大相对误差分别在5.1％与12％以内,平均相对误差分别为4.2％、9.9％.研究结论对于相变混凝土能量桩的优化设计与运行具有重要指导意义.