能量桩桩土界面侧摩阻力的研究

能量桩桩土界面侧摩阻力的研究

摘要：土壤源热泵由于可再生，而且环保，因此其技术被广泛应用。但土壤源

热泵打井费用昂贵制约着技术的推广。能量桩将土壤源热泵技术与建筑桩基结合，既能供热制冷，又能承受建筑上部荷载。本文通过能量桩在土体温度、长径比、

以及土体导热系数的变化，研究桩土界面平均侧摩阻力与桩顶位移关系。为今后

能量桩的设计以及施工提供参考。

关键词：能量桩；平均摩阻力；温度；长径比；导热系数

1 引言

近年来，随着人口和经济的快速发展，全球各国面临的共同问题：能源，资源，环境。为了缓解压力，人类积极应对并采取相应措施。

土壤源热泵技术由于具有节能环保的技术优势被广泛应用，但其打井费用高

制约着广使用。能量桩技术将土壤源热泵系统中的地热井与建筑物桩基结合为该

技术的推一体，可实现建筑物夏储冬用，是节约化石能源、减少温室气体排放、

高效开发与利用地下热能的一种新方法[1]。

本文利用FLAC3D研究能量桩接触界面的侧摩阻力[2-5]与位移的关系。所谓

能量桩，就是将土壤源热泵技术与建筑桩基有效的结合，能量桩不仅可以承受上

部结构荷载，

最重要的一点，夏天将能量储存于地下土层中，冬天将这些热能通过热泵技

术供于室内，即夏储冬用。在储能的过程中，土体的温度发生变化，可以观察位

移与平均侧摩阻力的关系。平均侧阻力为两相邻的轴力差值除以侧表面积，对于

单桩的话，取轴力值除以桩长侧表面积[6，7]。位移规定向上为正，向下为负；

侧阻力规定向上为正，向下为负。

在桩土共同工作期间，进行力学场与温度场耦合，土体温度取16℃、18℃、20℃。土体导热系数[8]取1.5、1.7、1.9。桩长径比变化为20、25、30。在众多

因素影响下，分析侧摩阻力的变化，发现长径比以及导热系数对能量桩接触面平

均侧摩阻力的影响比较大。

桩侧与土的接触面为interface 1，桩底与土的接触面为interface 2。位移监测

点取桩顶中心点，平均侧摩阻力取全桩侧表面积计算。

2 不同情况下桩土接触面的变化

由于节能减排已成为当今全社会发展的新主题，为了缓解巨大压力，人类开

始采取各种应对措施，能量桩的开发应用就是其中之一。为了研究长径比

（L/D=20，25，30）、土体导热系数(λ=1.5，1.7，1.9)以及土体温度(t=16℃，18℃，20℃)的变化对桩土界面摩阻力的影响，本模拟究了在不同长径比、不同导热系数、不同土体温度变化的情况。

温度场的计算过程中，当长径比为20时，随着桩顶位移的增加，产生最大

位移为4.64mm，导致桩侧出现了负摩阻力；当长径比为25时，桩向下最大位移

为9.73mm，桩侧也出现了正摩阻力；当长径比为30时，随着桩顶位移的增加，

最大位移为3.28mm，随之桩土界面出现了负摩阻力。随着长径比的增加，桩侧

摩阻力整体呈增大的趋势，当长径比为20时，桩侧摩阻力的范围在170Pa至

200Pa之间；当长径比为25时，桩侧摩阻力范围在270Pa至300Pa之间；当长径比为30时，桩侧摩阻力范围在515Pa至535Pa之间。当长径比为20，导热系数

为1.5（1.7或1.9），温度为16℃、18℃、20℃时，在桩顶位移相同的情况下，

桩侧摩阻力随着温度的升高而减小，长径比为25，30时，桩侧摩阻力的变化规

律也是如此。当长径比为20时，温度为16度（18度或20度），土体导热系数

为1.5、1.7、1.9时，在桩顶位移相同的情况下，桩侧摩阻力随着导热系数的增加

而降低，当长径比为25和30的时候，桩侧摩阻力的变化规律基本与此类似。

3 结论

根据对能量桩在上述各方面的分析对比，可得到：

（1）温度、导热系数不变的情况下，桩侧摩阻力随着长径比的增加而增加。当l/d=20增加至l/d=25时，平均侧阻力增加52.73%；当l/d=25增加至l/d=30时，平均侧阻力增加80.62%。

（2）长径比、温度不变的情况下，桩侧摩阻力随着土体导热系数的增大而

减小。当λ=1.5增加至λ=1.7时，平均侧阻力减小3.85%；当λ=1.7增加至λ=1.9时，平均侧阻力减小2.69%。

（3）长径比、导热系数不变的情况下，平均侧摩阻力随着温度的增大而减小。

参考文献

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