循环温度场下分层地基能量桩传热及变形模拟分析

常 虹，姜 升

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

0 引言

目前,环境污染、资源匮乏等问题亟待解决,使用绿色能源代替传统化石能源逐渐成为绿色可持续发展的焦点.地源热泵系统依靠其换热部件与土体进行热交换,并利用交换所得热量达到暖通空调的效果.该系统不占用地面资源,不产生污染物,但其缺陷是在进行系统布置时,钻孔与开挖沟槽的造价高,且系统会占用较大面积的地下空间.

能量桩是一种用于替代传统钻孔地源热泵换热器的新型桩埋管技术,其工作原理是通过桩内埋管中循环流动的流体与地表以下土体进行热量交换,从而将浅层地温能转移到地表处,满足建筑物的供暖或制冷需求.与传统的地源热泵相比,能量桩造价低,所占用的地下空间也较传统的地源热泵换热器少,在满足上部建筑物承载要求的同时还能发挥换热部件的作用.

国内外学者对能量桩的传热规律及承载性状做了广泛研究:B.L.AMATYA等[1]人依托现场案例针对能量桩的热-力学响应进行研究,结果表明能量桩在冷热循环作用下会产生较大的轴向应力;孔纲强等[2]人开展针对单U型能量桩的模型试验,结果表明沉降出现在冷热循环结束后,且逐次累积;王成龙[3]针对饱和砂土中能量桩进行研究,结果表明在桩周土和桩端约束不同的情况下,桩体不同部位表现出不同的热响应;郭易木等[4]人针对PHC能源桩在分层地基中的热-力响应进行研究,结果表明分层地基的换热能力不均对能量桩的热交换产生显著影响;刘汉龙等[5]人针对饱和砂土中不同埋管形式能量桩研究其热力学特性,结果表明在输入功率相同的情况下,W型埋管桩的桩身温度、应力和桩顶沉降均大于其他埋管形式;郭浩然等[6]人利用改进的桩-土荷载传递模型进行数值分析,结果表明桩土界面的剪切为循环剪切;费康等[7]人基于ABAQUS对能量桩传热进行有限元分析,结果表明桩的长径比对桩的热传递具有显著影响;钱峰等[8]人使用ABAQUS对能量桩热应力变化进行有限元分析,结果表明附加热应力随温差的增大而增大,但随换热次数的增加其变化不明显.既往研究中对分层地基中多次冷热循环作用下能量桩的换热及变形规律研究较少,本文将针对这一局限性展开研究.

1 工程概况

1.1 场地条件

本文模拟的实际工程位于延吉市延北路以北,太平街以东的地块.勘察工作采用钻探取样与原位测试相结合的方法,地层剖面如图1所示,土层参数见表1.

表1 土层参数Table 1 Soil parameters

1.2 能量桩

模拟所用能量桩直径0.5 m,桩长10 m的圆桩.桩身采用C30混凝土,桩身材料参数见表2.桩内埋管形式为由PE管制成并联双U型埋管,内径20 mm,外径25 mm.桩身尺寸及埋管间距如图1所示.

表2 桩身材料参数Table 2 Pile material parameters

图1 桩身尺寸Fig.1 Pile body size

初始温度20 ℃,其中制热过程将换热管温度升至70 ℃,持续9 h,冷却过程通入5 ℃的换热液,持续3 h,将换热管温度降至20 ℃.每个冷热循环共计12 h.对其前5次冷热循环进行分析.由单桩承载力特征值得桩顶荷载为700 kN.埋管剖面及换热流向如图2所示.

图2 换热液流向Fig.2 energy pile heat transfer process

2 ABAQUS建模简介

2.1 理论模型

ABAQUS是一款功能强大的有限元分析软件,其通过三维建模与可视化分析对实例进行迭代计算.在分析进行时可对迭代过程进行监控,其结果可通过云图形式呈现出来，ABAQUS中物理量量纲见表3.

表3 ABAQUS量纲Table 3 ABAQUS dimension

采用ABAQUS线弹性模型中的各向同性弹性模型对桩身进行有限元模拟,模拟中所涉及的应力均视为有效应力.该模型的应力-应变表达式见式(1).土体模型采用弹塑性本构模型,其弹性部分由弹性模型定义,塑性部分采用Mohr-Coulomb模型进行模拟.

{ε11

ε22

ε33

γ12

γ13

γ23}=[1/E-v/E-v/E000

-v/E1/E1/E000

-v/E-v/E-v/E000

0001/G00

00001/G0

000001/G]

(1)

式中,E为材料弹性模量,即材料在弹性变形阶段应力与应变的比例系数,MPa;v为材料泊松比,反应材料横向变形的弹性常数;σij为单元体各个方向上的应力,kPa(N/m2);εij为单元体3个面上的法向应变;γij为单元体3个面上的切向应变.

2.2 三维建模与网格划分

建立CAE Standard模型,探究能量桩及桩周土在5次冷热循环下的热传递规律以及变形规律.首先使用拉伸和切削工具对桩身以及桩周土进行三维建模,继而对已建好部件进行网格划分,如图3和图4所示.

图3 桩身网格划分Fig.3 Meshing of pile body

图4 桩周土网格划分Fig.4 Meshing of soil around piles

为探究能量桩换热对周围土体的影响范围,桩周土水平范围取边长为10倍桩径的正方形,土体底面距桩端3 m.通过分割实体将桩身及桩周土三维模型划分为规则的块,使其网格属性均能定义为结构网格以达到高效计算的目的.为了防止网格精细度降低,对桩端及桩内埋管采用加密布种.

在进行热传递分析时,指派单元类型为热传递DCC3D8单元,在进行桩土相互作用变形分析时,指派单元类型为三维应力C3D20R单元.

3 数值模拟结果及分析

3.1 温度场分布

图5及图6展现了不同时刻能量桩及桩周土温度分布,可见随着热交换的进行桩周不同土层表现出不同的温度波动,其中粉质黏土层温度扩散最大,泥质粉砂岩层次之,黄褐色黏土层最小,这是由各层土热阻不同所致.由于换热液沿深度方向热量损失的存在,桩身也表现出不均匀的温度分布.换热初期热交换主要发生在埋管与桩身之间,但换热末期温度变化逐渐转化为桩身与桩周土的换热,其原因是在多次冷热循环后热源逐渐从埋管变为能量桩桩身,且在此后的运行过程中由桩身充当热源与桩周土进行热交换.

图6 60 h温度云图Fig.6 60 h temperature nephogram

由于粉质粘土温度波动最大,故分别取距桩边缘0.5D,1D,2D处粉质粘土,研究热交换对桩周土体的影响范围,见图7,其中D为桩身直径.从图7中可以明显看出，在距桩侧0.5D范围内土层出现鲜明的温度波动,而随着距桩侧距离的增加,温度变化逐渐减小,在距桩侧2D处,在5次冷热循环结束后其温度仅仅上升了0.365 9 ℃.因此,在进行能量桩布置时应合理设定其布设间距.在每次冷热循环结束后桩周土都会出现热量累积现象,但每层土累积的热量值不尽相同,这都是由于各土层物理性质差异所致.

图7 桩周土温度变化Fig.7 Temperature change of soil around pile

3.2 桩身竖向应力

在纯温度场作用下第5次冷热循环两阶段末的桩身应力分布截然不同.由图8可以看出,在第1次、第3次、第5次冷热循环结束后,桩身产生压应力,其峰值出现在第5次冷热循环结束后可达1.12 MPa.距桩顶4.8 m处应力值最高,该处以上部分应力值较低,以下部分应力值较高.其原因是不同位置的土体约束不同.4.8 m处土体约束最大,而两端相对较小,桩周土的约束作用限制了桩体由温度导致的自由膨胀,同时也改变了桩身不同位置的应力分布,较大的约束导致了较大的附加热应力.在不同的冷热循环阶段桩身表现出不同的应力响应,其原因是每个冷热循环的制热和冷却两个阶段导致了桩身出现了周期性的热量累积,因此,由于温度场作用而产生的附加热应力也会随温度的周期性累积而逐渐增大.

图8 桩身竖向应力分布Fig.8 Vertical stress variation of pile body

3.3 桩顶位移

与无温度场作用下的普通预制混凝土桩相比,能量桩最大的差异表现在受附加热应力作用下桩身产生应力与位移的相对变化,这一点在图9中得以印证.

图9 桩顶竖向位移Fig.9 Vertical displacement of pile top

桩身在制热时伸长,冷却时收缩,表现在不同阶段桩身的竖向位移不同,其原因是不同阶段附加热应力的方向不一致,这也说明了能量桩在换热过程应力变化主要来源于温度场产生的附加热应力对桩身的影响.荷载的作用相当于对桩顶施加一个较大的约束,这有效地限制了由附加热应力引起的桩身自由热应变,也体现在随着换热的进行桩顶位移幅值逐渐发散,而在温度-荷载联合作用下的桩顶位移幅值逐渐收敛.相较于桩顶荷载的作用,桩顶位移受温度场的影响更加严重,无论桩顶是否存在荷载,每次冷热循环结束后桩顶都会发生向下的位移,在有荷载作用的情况下有逐渐变大的趋势并发生位移累积,5次冷热循环后桩顶沉降达到了28.43 mm,在长期冷热循环后这种影响势必会造成较大的桩顶沉降.

4 结论

本文通过对实际工程进行三维建模及有限元分析,研究了能量桩在分层地基中多次冷热循环状态下的热传递以及变形规律,得出如下结论:

(1) 多次冷热循环会导致桩-土温度场发生变化,桩身温度场呈现出距入水口越近温度越高的态势,这表明换热液在换热过程中越长的流动路径会导致越大的能量损失;土体温度场分布与土体距桩身的径向距离联系紧密,径向距离越近其温度越高,径向距离超过2D处土体温度变化受桩身影响很小.

(2) 与普通混凝土预制桩相比,影响能量桩承载性能的额外因素主要体现在由温度变化导致的附加热应力对桩身原有应力场的干扰,附加热应力会打破原有应力场的稳定,而随着时间推移形成新的稳定的应力场.本文中冷热循环次数有限,应继续探究长期冷热循环作用下附加热应力对桩身应力状态的影响.

(3) 能量桩的工作过程是桩身与桩周土体热-力耦合的过程,在冷热循环的不同阶段桩顶会产生不规律的隆起或沉降,多次冷热循环后可至沉降累积,若其发展较大还会造成建筑物的破坏,因此,在实际运行时应对建筑物沉降进行实时监测,避免工程事故的发生.