PCC能量桩热、力学工程特性及桩-土荷载传递机理研究项目摘要

能量桩是一种由地源热泵技术与桩基埋管换热器结合组成的经济高效节能减排技术，近年来在我国建筑工程领域已逐步推广应用，但是其理论研究明显落后于实践，能量桩技术方面也有待更多的创新和发展，开展本课题研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本项目拟通过技术研发、试验研究和理论分析等方法，研发一种全新的PCC能量桩技术，建立PCC能量桩技术的结构形式、导热材料、制作工艺以及质量检测方法等成套技术方案；基于大比尺土工模型试验、离心机模型试验以及数值分析方法，分析能量传递过程中PCC能量桩的温度场与应力场的分布规律，建立PCC能量桩的能量传递理论模型及计算方法；基于荷载传递法和剪切位移法等桩-土相互作用理论，建立考虑冷、热能量传递及土体温度场影响的新型PCC能量桩承载力计算方法。研究成果将丰富并创新能量桩设计与计算理论，对指导节能减排新型能量桩技术的应用和发展具有重要的科学意义。

浅层地热能作为一种清洁、可持续发展的新能源，储量大、无污染、无碳排放，值得大力开发与利用。能量桩作为浅层地热能开发与利用的主要形式之一，可以减少传统地源热泵埋管钻孔费用、节约用地，兼具支撑上部荷载和浅层地热能传递双重功能。然而，能量桩涉及到温度场、应力场和渗流场等THM多场耦合问题，无法用传统的土力学与桩基础知识进行有效解决，给广大工程技术人员带来前所未有的机遇与挑战。依托本项目资助，获得了如下几点研究成果： （1）成功研发了一种新型PCC能量桩、新型预埋管能量桩的设计方法、制作工艺以及质量检测方法等成套技术。基于大比尺模型试验和土工离心机试验方法，揭示了PCC能量桩、新型预埋管能量桩的热、力学工程特性及桩/土位移场与温度场分布规律；为国家行业标准《桩基地热能利用技术标准》（送审稿）的制定，提供技术支撑。 （2）分别基于COMSOL和ABAQUS有限元软件，通过修改软件内置材料方程、耦合渗流和固体力学控制方程、添加计算边界面内塑性应变偏微分方程的方法对一热力耦合边界面本构模型进行了二次开发。利用所开发模型，对一维固结问题、常温等向压缩问题、排水条件下等向升-降温问题和不同温度下不排水三轴压缩问题进行了模拟，验证了所提方法的可靠性和有效性，为能量桩热-力耦合特性研究奠定了基础。 （3）基于Laloui教授等提出的土体热本构模型（ACMEG-T），建立了一种考虑非等温条件下热塑性塑料土孔膨胀的理论解。通过将ACMEG-T纳入孔扩张的理论框架，产生了一系列偏微分方程；通过使用数学软件数值求解ODE来获得桩体膨胀（应力，超孔隙压力和位移）响应参数的理论解。 依托本项目研究，发表标注本项目基金号（51378178）学术论文29篇（其中SCI收录12篇、EI收录9篇），授权国家发明专利8项，培养博士后1名、博士研究生5名、硕士研究生3名。研究成果将丰富并创新能量桩热-力耦合特性及桩-土相互作用机理，对指导能量桩工程设计、施工具有重要的应用价值和社会经济效益。 2100433B

传递机理

桩在轴向压力荷载作用下，桩顶将发生轴向位移(沉降)=桩身弹性压缩 桩底土层压缩之和置于土中的桩与其侧面土是紧密接触的，当桩相对于土向下位移时就产生土对桩向上作用的桩侧摩阻力。桩顶荷载沿桩身向下传递的过程中，必须不断地克服这种摩阻力，桩身轴向力就随深度逐渐减小，传至桩底轴向力也即桩底支承反力，桩底支承反力=桩顶荷载-全部桩侧摩阻力。

桩顶荷载是桩通过桩侧摩阻力和桩底阻力传递给土体。

土对桩的支承力=桩侧摩阻力 桩底阻力

桩的极限荷载(或称极限承载力)=桩侧极限摩阻力 桩底极限阻力

桩侧摩阻力和桩底阻力的发挥程度与桩土间的变形性态有关，并各自达到极限值时所需要的位移量是不相同的。试验表明：桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为8%~10%，而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量认识尚不能有一致的意见，但一般认为粘性土为4～6mm，砂性土为6~10mm。

不同桩型的特点

柱桩：由于桩底位移很小，桩侧摩阻力不易得到充分发挥。对于一般柱桩，桩底阻力占桩支承力的绝大部分，桩侧摩阻力很小常忽略不计。但对较长的柱桩且覆盖层较厚时，由于桩身的弹性压缩较大，也足以使桩侧摩阻力得以发挥，对于这类柱桩国内已有规范建议可予以计算桩侧摩阻力。

摩擦桩： 桩底土层支承反力发挥到极限值，则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值，这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来，然后桩底阻力才逐渐发挥，直至达到极限值。对于桩长很大的摩擦桩，也因桩身压缩变形大，桩底反力尚未达到极限值，桩顶位移已超过使用要求所容许的范围，且传递到桩底的荷载也很微小，此时确定桩的承载为时桩底极限阻力不宜取值过大。

桩侧摩阻力=f(土间的相对位移，土的性质， 桩的刚度，时间，土中应力状态，桩的施工）

桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题。

桩侧土极限摩阻力值∝桩侧土的剪切强度

桩侧土的剪切强度=f(类别、性质、 状态和剪切面上的法向应力)

桩的刚度较小时，桩顶截面的位移较大而桩底较小，桩顶处桩侧摩阻力常较大；当桩刚度较大时，桩身各截面位移较接近，由于桩下部侧面土的初始法向应力较大，土的抗剪强度也较大，以致桩下部桩侧摩阻力大于桩上部。由于桩底地基土的压缩是逐渐完成的，因此桩侧摩阻力所承担荷载将随时间由桩身上部向桩下部转移。在桩基施工过程中及完成后桩侧土的性质、状态在一定范围内会有变化，影响桩侧摩阻力，并且往往也有时间效应。影响桩侧摩阻力的诸因素中，土的类别、性状是主要因素。

在分析基桩承载力等问题时，各因素对桩侧摩阻力大小与分布的影响，应分别情况予以注意。在塑性状态粘性上中打桩，在桩侧造成对土的扰动，再加上打桩的挤压影响会在打桩过程中使桩周围土内孔隙水压力上升，土的抗剪强度降低，桩侧摩阻力变小。待打桩完成经过一段时间后，超孔隙水压力逐渐消散，再加上粘土的触变性质，使桩周围一定范围内的抗剪强度不但能得到恢复，而且往往还可能超过其原来强度，桩侧摩阻力得到提高。

在砂性上中打桩时，桩侧摩阻力的变化与砂土的初始密度有关，如密实砂性上有剪胀性会使摩阻力出现峰值后有所下降。

桩侧摩阻力的大小及其分布决定着桩身轴向力随深度的变化及数值，因此掌握、了解桩侧摩阻力的分布规律，对研究和分析桩的工作状态有重要作用。由于影响桩侧摩阻力的因素即桩土间的相对位移、土中的侧向应力及上质分布及性状均随深度变比，因此要精确地用物理力学方程描述桩侧摩阻力沿深度的分布规律较复杂。

如图1所示两例来说明其分布变化。

其中，a) 为上海某工程钢管打入桩实测资料,在粘性土中的打入桩的惦侧摩阻力沿深度分布的形状近乎抛物线，在桩顶处的摩阻力等于零，桩身中段处的摩阻力比桩的下段大。现常近似假设打入桩桩侧摩阻力在地面处为零；b) 图1为我国某工程钻孔灌注桩实测资料，从地面起的桩侧摩阻力呈线性增加，其深度仅为桩径的5一10倍，而沿桩长的摩阻力分布则比较均匀。而对钻孔灌注桩则近似假设桩侧摩阻力沿桩身均匀分布。

桩底阻力=f (土的性质，持力层上覆荷载，桩径，桩底作用力、时间及桩底端进持力层深度）

桩底地基土的受压刚度和抗剪强度大则桩底阻力也大，桩底极限阻力取决于持力层土的抗剪强度和上覆荷载及桩径大小的影响。由于桩底地基土层受压固结作用是逐渐完成的，桩底阻力将随土层固结度提高会随着时间而增长。

模型和现场的试验研究表明，桩的承载力(主要是桩底阻力)随着桩的入土深度，特别是进入持力层的深度而变化。这种特性称为深度效应，桩底端进入持力砂土层或硬粘土层时，桩的极限阻力随着进入持力层的深度线性增加。达到一定深度后，桩底阻力的极限值保持稳值。这一深度称为临界深度h。

h与持力层的上覆荷载和持力层土的密度有关。 上部荷载越小、持力层土密度越大，则h越大。

当持力层下为软弱土层也存在一个临界厚度tc 当桩底下卧软弱层顶面的距离t≤tc时，桩底阻力将随着t的减小而下降，持力层土密度越高、桩径越大，则tc越大。

由此可见，对于以夹于软层中的硬层作桩底持力层时，要根据夹层厚度，综合考虑基桩进入持力层的深度和桩底下硬层的厚度。必须指出，群桩的深度效应概念与上述单桩不同。在均匀砂或有覆盖层的砂层中，群桩的承载力始终随着桩进入持力层的深度而增大，不存在临界深度，当有下卧软弱土层时，软弱土对单桩的影响更大。

第一种情况：

当桩底支承在很坚硬的地层，桩侧土为软上层其抗剪强度很低时，（如图2)，桩在轴向受压荷载作用下，如同一根压杆似地出现纵向挠曲破坏。在荷载-沉降(P-s)曲线上呈现出明确的破坏荷载。桩的承载力取决于桩身的材料强度。

第二种情况：

当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时(如图3)，桩在轴向受压荷载作用下，桩底土体能形成滑动面出现整体剪切破坏，这是因为桩底持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成。在PT曲线上可求得明确的破坏荷载。桩的承载力主要取于桩底士的支承力，桩侧摩阻力也起一部分作用。

第三种情况：当具有足够强度的桩入土深度较大或桩周土层抗剪强度较均匀时(如图4)，桩在轴向受压荷载作用下，将会出现刺入式破坏。根据荷载大小和土质不同，试验中得到的P-S曲线上可能没有明显的转折点或有明显的转折点(表示破坏荷载)。桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同支承，即一般所称摩擦桩或几乎全由桩侧摩阻力支承即纯摩擦桩。

单桩轴向容许承载力

单桩在轴向荷载作用下，地基土和桩本身的强度和稳定性均能得到保证，变形也在容许范围之内所容许承受的最大荷载，它是以单桩轴向极限承载力(极限桩侧摩阻力与极限桩底阻力之和）考虑必要的安全度后求得的。

确定方法有多种 ，考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性，几种方法作综合考虑和分析，合理地确定。

桩的有效长度

桩所受的荷载向下传递时，桩侧不同深度的摩阻力是异步发挥的，这表明了摩擦桩存在着有效长度，如同锚杆存在着有效长度一样。如深圳地区近些年来随着对前海片区及后海片区的开发建设，桩长超过 60、70 m 的超长桩应用越来越多。很多静载试验结果表明，桩的长度达到一定程度后，承载力与桩长不再成比例增长，其增长速率下降，即侧摩擦力的效率降低。这就意味着，当桩长较长时，如果不嵌岩，按照规范计算得到的桩长有时不一定够用，可能需要更长甚至入岩。深圳后海某桩基工程为非嵌岩桩，以强风化花岗岩为持力层，旋挖成孔，成桩后选3 条桩进行静载试验桩长50 ～ 60 m，试验结果表明，单桩承载力都达不到设计要求，最低的仅为设计值的40%：直径1.0 m，桩长54 m，设计承载力极限值17400 kN（其中计算书中桩侧阻力极限值13800 kN ），试验结果仅为6960 kN。虽然最终归因于施工质量欠佳（抽芯检测桩底有 1 m 多厚的沉渣 ）。2100433B

当上部结构传至基础顶面的荷载较小时，桩和桩间土同时开始受力，此时由于桩顶安装了变形调节装置(该装置的刚度远大于地基土的基床系数)，因此，桩承担的荷载大于地基土承担的荷载 。随着基础承担的荷载逐渐增大 ， 桩顶变形调节装置和桩间土均开始压缩变形，并且两者之间保持着协调，即变形调节器具有自适应性。由于变形较大，桩间土的承载力得以逐渐增大，并可能表现出初期非线性特征；而桩顶变形调节装置却依然保持线性工作状态，因此桩土荷载分担比将逐渐趋于稳定。最终桩 、土分别达到《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)建议的单桩竖向承载力特征值和地基土承载力特征值(修正) 。

当混凝土桩应用于硬土层时，桩基周边的土体会受到向下的荷载而产生向下的作用力，桩体周边的土体产生沉降，导致桩边土体对混凝土桩产生向下的摩阻力，使混凝土桩产生向下的作用力。

长期以来人们都把嵌岩桩视为端承桩，忽略了其上覆土的荷载传递，认为嵌岩桩的承载力主要取决于嵌入岩石部分桩身的桩侧嵌固力和桩尖阻。随着嵌岩桩的广泛应用，大部分的现场资料表明：无论是嵌入强风化基岩还是嵌入新鲜基岩中的桩，桩的轴力均随深度递减。表明基岩上覆土层的侧阻力在桩身受荷过程中可以调动起来，桩侧土层强度影响轴力分布曲线的斜率，而其桩端阻力并不大，属端承摩擦桩，桩侧阻力的分担的荷载比，随长径比的增大而增大，随凌盖层强度的提高而增大，当在桩的长径比比较大而覆盖土层又不太软弱的情况下，其端阻力分担荷载比很小，且桩的破坏是由桩身压坏引起的。对于短粗的人工挖孔嵌岩桩，或覆盖层极软的中长钻孔嵌岩桩，或清孔极好，不存在“软弱垫层”的钻孔嵌岩桩，其承载性能与上述嵌岩桩有所区别，这些桩的桩端阻力对桩的承载力其主要作用。这些桩的承载特性是摩擦端承桩，而不属于端承桩。