1.内蒙古工业大学，土木工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051
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。
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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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论文作者:赵刚
论文发表刊物:《防护工程》2017年第12期
论文发表时间:2017/9/22
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