能量桩(或称能源桩、热交换桩)技术作为一种利用浅层地温能的新型技术，近些年来得到了越来越多的关注和应用。该技术是将传统竖向地埋管地源热泵和建筑桩基础结合起来，既具备支撑上部建筑荷载功能，又能实现浅层地热能热交换功能^[1-2]。区别于传统地源热泵技术，能量桩技术无需额外钻孔，且具有相对较高的换热性能及节约地下空间等技术经济优势^[3]。工作状态下能量桩不仅需要承担来自上部结构的荷载作用，还要承担由于桩身温升或温降产生的循环温度作用^[4]。

针对能量桩群桩的换热效率及热力响应特性问题，相关研究人员开展了系列研究，并取得了一些有益的成果。针对砂土地基中群桩基础，Peng等^[5]开展了纯摩擦型群桩模型试验，研究了能量桩群桩中部分能量桩加热和全部能量桩加热下能量桩群桩的竖向位移及桩体应力的变化与分布。Mimouni等^[6]、Rotta Loria等^[7-8]针对能量桩在群桩中的位置影响作用展开研究，结果表明：能量桩与承台之间的相互作用会改变能量桩的力学特性；群桩中单根能量桩加热时，非加热桩的力学特性也会受到影响，群桩效应会降低能量桩的换热效率；温度荷载一定时，能量桩与非加热桩之间的相互作用主要是受二者之间不协调变形的影响。Di Donna等^[9]和Saggu等^[10]分别利用Lagamine和Abaqus数值软件，建立了能量桩群桩数值模型，研究同样发现群桩中能量桩和非加热桩之间的位移差导致应力重分布等相互作用。然而，这些研究主要针对砂土地基中有承台能量桩群桩热力响应，针对黏土地基中相互热干扰影响下无承台能量桩群桩的换热效率及热力响应特性的研究仍相对较少。

因此，本文依托1×3排桩基础，开展3根能量桩热响应特性现场试验，实测并分析在相互热干扰下3根能量桩的换热效率、热致应变与应力分布等变化规律，同时初步分析热致侧摩阻力的中性点位置及桩顶位移的发展规律。

1 现场试验概况 1.1 现场土性参数

现场试验场地位于江苏省南京市六合区，桩周土体为黏性土，地下水位在约0.6 m深度处，具体土层及其基本物理力学性质如图 1所示，CH和CL分别表示高和低液限黏土，桩长范围内土层平均容重为20.21 kN/m³、压缩模量为4.93 MPa，含水质量比约为28.8%，塑限和液限分别为21.2%和42.8%。现场试验初始中间桩与边桩桩身温度沿桩深方向分布规律如图 2所示，近地表土层由于受到外界环境温度的影响，与桩基中下部差异相对较大，距离地表 10 m以下深度温度基本稳定在21 ℃左右。

1.2 能量桩及测试元器件布置

现场试验能量桩依托3根钻孔灌注桩进行施工，无承台；桩头、换热管、以及测试仪器实物图如图 3所示。其中，钻孔灌注桩桩长L为24 m，桩径D为0.6 m，桩间距为3D即1.8 m，排桩形式布置；埋设W型换热管，换热管外径25 mm、壁厚2 mm，材料为PE管；2和3号能量桩从地表以下2 m处沿桩深方向每隔2 m在钢筋笼上用细钢丝对称绑扎JTM-V5000B型振弦式应变计和温度计(见图 4)。为实时监测试验过程中流速和温度的变化，在换热管路中安装智能电磁流量计及在换热管总进/出口分别安装精度为0.1 ℃的电阻式温度计。循环水泵最大流速为2.5 m³/h、最高扬程为30 m。3根能量桩平面布置、换热管及测试元器件布置如图 4所示。

1.3 试验过程与试验工况

针对3根能量桩的1×3排桩形式布置进行现场试验；试验模拟能量桩夏季运行模式，以3.0 kW恒定的加热功率对保温水箱中的换热液体进行加热，用循环水泵从3根支路以相同的恒定流速0.48 m³/s分别导入3根能量桩，将热量释放到岩土层中，流经桩体降温后返回保温水箱继续循环；并与3.0 kW加热功率的单根能量桩试验^[11]进行对比分析。试验测试时间自2018年11月20日至12月1日，为期12 d、共260 h。试验期间，桩顶无荷载，大气平均温度约为12.8 ℃；通过安装在换热管进/出口处的温度计和能量桩体内部的振弦式应变计和温度计，监测进出口水温、桩体温度及应变数据。

2 试验结果与分析 2.1 换热功率变化规律

能量桩排桩进出口平均水温及现场试验期间环境气温变化如图 5所示。由图 5可见，试验期间，进口平均水温从18.8 ℃提升到29.2 ℃，出口平均水温从19.0 ℃提升到27.3 ℃；运行约20 h后，进出口平均水温差稳定在1.7 ℃左右；由此表明，在3.0 kW的加热功率下，能量桩排桩的换热能在相对较快时间(20 h)内达到稳定状态，使得能量桩排桩的换热效率能基本保持恒定。试验期间外界环境气温变化较大，温度变化范围为6.5 ℃至21.1 ℃，12 d内有14.6 ℃的温度变化，环境气温变化对土体上部土层产生一定的影响，但是对整体能量桩的换热效率影响有限。

能量桩排桩运行期间，通过智能电磁流量计持续监测，显示总管换热液体的流量稳定在1.44 m³/h左右，平均热通量和换热功率由式(1)计算获得；能量桩换热功率如图 6所示。

$ Q=\Delta T\times \nu \times \rho \times C. $

(1)

其中：ΔT是能量桩换热液进出口温度差，单位为℃；ν是换热液体总管流速，本文中为1.44 m³/h；ρ是换热液的质量密度，单位为kg/m³；С是换热液的比热容，本文中为4.2×10³ J/(kg·℃)。

根据进出口水温差可估算建筑物和能源地下结构之间的热交换量。由图 6可知，现场试验中，在恒定加热功率条件下，1×3能量桩排桩的换热功率在20 h左右后稳定在2.83 kW左右，能量输入散出的比率达到约94%；3.0 kW加热功率能量单桩现场试验中换热功率在0.6 h达到稳定状态，能量输入散出的比率达到约97%。1×3能量桩排桩试验达到稳定所需时间增加约19 h，能量输入散出的比率绝对降低约3%。能量桩排桩桩外布管形式是1根总管分成3根支管连接三根桩，桩与桩之间需相互协调，故需更多时间换热功率才能达到稳定状态。

2.2 桩身温度分布规律

能量桩排桩在运行260 h后桩身温度和桩身温度增长量沿桩深分布规律分别如图 7a和7b所示。由于试验处于秋冬季，近地表地层温度较低，对于桩身上部(0~8 m)，受环境温度影响导致桩身上部温度变化波动相对较大；对于桩身中部(8~18 m)，桩身温度较为均衡，试验最后中间桩和边桩桩身中部温度分别稳定在26.5 ℃和26.0 ℃左右；对于桩身下部(18~20 m)，该处换热管U型转弯，换热管的相对位置距传感器有明显变化，所以测得温度比桩身其他位置的有明显减小。由图 7a可知，在试验终止时间(260 h)，中间桩桩身中部温度比边桩的高0.4 ℃左右。由于2根桩初始地温不同，故对桩身温度增长量进行比较，中间桩桩身中部温度增长量约为5.6 ℃、边桩桩身中部温度增长量约为5.2 ℃。以桩身10 m处温度随时间变化为例(见图 8)，在试验稳定后，中间桩温度略高于边桩温度；即在热干扰情况下，能量桩排桩中间桩由于同时存在旁边2根边桩的影响，桩周土体温度比边桩的略高，桩身温度增加比边桩的略大。

2.3 桩身热应变响应规律

在桩身温度升高的同时，桩身也将随之发生热膨胀变形，轴向上由于受到桩侧摩阻力及桩端的约束作用，实际测量得到的桩身轴向变形将小于无约束情况下自由膨胀的变形量。轴向热应变ε_T是由实测轴向应变ε减去上部结构和桩基自重荷载引起的轴向应变ε_mechanical计算得到^[12]，即定义轴向热应变的公式如下：

$ {{\varepsilon }_{T}}=[(\varepsilon -{{\varepsilon }_{\text{mechanical}}})+{{\alpha }_{\text{s}}}\Delta T]. $

(2)

其中：α_s是振弦式应变计中钢丝的线膨胀系数，ΔT是振弦式应变计位置处混凝土的温度变化。

本文试验中，由于桩顶无荷载，ε_mechanical可以忽略不计。能量桩排桩在运行260 h后轴向热应变沿桩深方向分布规律如图 9a所示。由图 9a可见，能量桩桩身轴向约束热应变沿桩深方向整体呈中部大、两端小的分布形式，为典型的摩擦型桩在受热膨胀状态下的轴向热应变响应分布状态。本试验两条曲线为中间桩与边桩对比曲线，试验进行到最终时刻260 h，由于中间桩桩周土体同时受2根边桩加热，中间桩所受约束比边桩的要大，故而中间桩桩身轴向热应变明显大于边桩的。对比同为3.0 kW加热功率能量单桩试验^[11]运行260 h后桩身热应变约为88 με，能量桩排桩中间桩在运行260 h后中间桩桩身热应变约为40 με，大于单桩试验桩身热应变的1/3；边桩桩身热应变约为28 με，小于单桩试验桩身热应变的1/3。由图 9b可见，中间桩与边桩桩身中部实测得到的平均热膨胀系数分别约为-2.4和-4.5 με/℃，表明能量桩中部受到约束相似，依现场土层物理力学参数数据显示，该部分桩周土体主要为黏土，部分土层含有砂石，对于约束略有影响。桩身上部受地表之上的环境温度变化影响相对较大，桩身局部温升相对较小，引起的局部热应变也相应较小。3根灌注桩桩体混凝土为标准C30商品混凝土，热膨胀系数为-10 με/℃(混凝土结构设计规范GB50010—2010)^[13]。中间桩平均热膨胀系数实测值小于边桩的，随深度的变化趋势与桩身轴向实测应变分布趋势相似，与热应变分布趋势相反。表明桩身平均热膨胀系数所代表的桩身约束(主要来自桩周土层)与热应变最终状态有一定的相关性。

2.4 桩身热应力响应规律

轴向热应力随桩身温度上升的响应规律分布如图 10所示。由图 10a可知，沿着桩身深度方向，轴向热应力对于整体温升的响应呈先增大后减小的趋势，最大响应值在10 m处(0.42L)，约为0.238 MPa/℃。由图 10b可知，本文试验所得桩身10 m处轴向热应力温度响应值与吕志祥等^[11]和Bourne-Webb等^[14]试验结果较为接近，且中间桩所得结果比能量单桩的大，边桩所得结果比能量单桩的小，且均大于Laloui等^[15]试验结果。

2.5 桩身热致轴力规律

能量桩不同深度处的热致轴力σ_T可由式(3)计算得到

$ {{\sigma }_{T}}=EA({{\varepsilon }_{T}}-{{\alpha }_{\text{C}}}\Delta T'). $

(3)

其中：E是混凝土的Young's模量，A是能量桩横截面面积，α_C是混凝土的热膨胀系数，ΔT′是应变测量处桩基的温度变化。

桩体热致轴力沿桩深方向分布规律如图 11所示，1×3能量桩排桩中间桩和边桩桩身受热产生的最大轴力均在桩身中部约10 m处，分别约为371和279 kN。吕志祥等^[11]针对能量单桩进行3.0 kW加热功率试验，桩顶无外加荷载，加热260 h后桩身中部温度从21 ℃上升到34.2 ℃，温差为13.2 ℃，最大轴向热应力约为871 kN；本文试验运行到260 h时与该试验结果进行对比，中间桩受热产生的最大轴力大于能量单桩试验结果的1/3，边桩受热产生的最大轴力与能量单桩试验结果的1/3相似。中间桩和边桩桩身热致轴力分布情况与单桩试验结果趋势相似。

通过计算最大轴力与桩身瞬时温升的比值随时间的变化趋势，可以更好地评价桩身轴力对于温度瞬时响应行为。中间桩与边桩最大桩身热致轴力与桩身瞬时温升的比值随时间的变化规律如图 12所示，试验初期中间桩的瞬时响应值为-49.2 kN/℃，边桩为-32.5 kN/℃，并迅速提升。吕志祥等^[11]试验中初期桩身最大轴向热应力的瞬时响应值为-50.86 kN/℃左右，与本试验初期响应相似。由图 12可见，温度引起的能量排桩桩身轴向热应力响应在100 h后达到稳定状态，在此状态下，温度引起的中间桩和边桩桩身最大轴向热应力的瞬时响应值分别稳定在-78.7和-52.7 kN/℃。

2.6 热致桩侧摩阻力响应规律

在能量桩排桩试验运行期间，温度升高作用下能量桩和桩周土体均受热膨胀；桩身热膨胀量大于土体热膨胀量，二者之间产生相对位移；桩身上部的桩-土接触面受到周围土体方向向下的热致负摩阻力，桩身下部的桩-土接触面受到周围土体向上的热致正摩阻力。利用轴向热应力随深度的变化可计算得热致桩侧摩阻力随深度的变化，计算公式如下：

$ {{f}_{j}}=\frac{({{\sigma }_{T, j}}-{{\sigma }_{T, j-1}})D}{4\Delta L}. $

(4)

其中：f_j是测点j处的热致桩侧摩阻力，D是桩径，σ_T，j是测点j处的轴向热应力，ΔL是测点j和(j-1)的高度差。其中，正号代表桩侧摩阻力方向向上。

能量桩的热致桩侧摩阻力及中性点位置如图 13所示，中间桩与边桩热致侧摩阻力的中性点均出现在桩顶以下10 m处(约0.42L)；中性点以上受负摩阻力作用，中性点以下受正摩阻力作用。本文试验中桩侧摩阻力沿桩深方向分布趋势与吕志祥等^[11]、Bourne-Webb等^[14]和Laloui等^[15]现场试验结果接近。吕志祥等^[11]热实测中性点位于桩体中下部位14.3 m处(约0.6L)，Bourne-Webb等^[14]实测中性点位于桩体中下部位17 m处(约0.6L)，Laloui等^[15]实测中性点出现在桩体底部21.5 m处(约0.8L)。中性点位置主要与试验桩桩端约束条件有关，本文现场试验桩桩端持力层为黏土，Laloui等^[13]现场试验桩桩端持力层为砂岩，在桩顶无荷载条件下，桩端约束变大会使桩身受热膨胀应变向上发展，相应的，中性点位置向下移动，桩身承载力由桩侧摩阻力向桩端阻力转移。

能量桩受热膨胀造成的桩-土相对位移产生热致侧摩阻力。桩身上部的侧摩阻力比桩身下部相对更明显。在建筑结构物负荷下能量桩运行期间，桩身上部受到较大的荷载，向上的膨胀位移受到限制，桩顶处的负摩阻力将减小，桩身下部的正侧摩阻力将相应地增大，桩身轴力将增大并且重分布。

2.7 热致桩顶轴向位移变化规律

能量桩运行过程中，桩身由于温度变化引起热胀冷缩，也将引起桩顶位移变化。通过将轴向热应变从中性点开始沿深度向桩体两端叠加，估算出相对热致轴向位移δ_T，i，具体计算公式如下：

$ {{\delta }_{T, i}}={{\delta }_{T, i-1}}+\frac{1}{2}({{\varepsilon }_{T, i-1}}+{{\varepsilon }_{T, i}})\Delta l. $

(5)

其中Δl是测点i和(i-1)之间的桩长。

计算获得的桩顶相对热致轴向位移如图 14所示，以中性点位置为参考点，热致位移沿桩身向两端发展。桩端处最大相对热致轴向位移不断增大，由于运行初期桩身温度较低，在稳定热功率作用下，桩身温度升高、桩顶位移也相应增长；而后桩身温度升幅逐渐趋于稳定，桩顶位移也逐步趋于稳定，中间桩和边桩最终分别产生0.5‰倍桩径(0.28 mm)和0.3‰倍桩径(0.18 mm)的桩顶位移。

3 结论

本文开展了1×3排桩中相互热干扰下能量桩热力特性现场试验研究，并与能量单桩热响应特性进行对比分析；本文试验条件下，得到以下结论：

1) 在3.0 kW恒定加热功率下，1×3排桩(桩长24 m、桩径0.6 m、桩间距1.8 m)能量桩的换热功率在20 h后稳定在2.83 kW左右，能量输入散出的比率约为94%，比能量单桩试验达到稳定时间所需时间增加约19 h，换热功率绝对降低约3%。

2) 与能量单桩相比，在热干扰情况下，能量桩排桩的中间桩桩身温度、应变和轴力等响应均相对增长36%，边桩的桩身温度、应变和轴力等响应均相对减小4%。

3) 热干扰情况下能量桩排桩热致侧摩阻力的中性点均出现在桩身的中上部部位(约0.4倍桩长位置)，中间桩和边桩最终分别产生0.5‰倍桩径(0.28 mm)和0.3‰倍桩径(0.18 mm)的桩顶位移。