目前，世界各国建筑方面的耗能巨大，大约占最终能源消耗的1/3，而且建筑领域能源消耗的77%是为建筑物供暖和制冷。大多数的建筑物供暖和制冷使用化石燃料，使用可再生能源的占比不超过14%^[1]，因此需要进一步研究可再生能源并提高其在建筑领域的应用，从而减少温室气体的排放。现有的地源热泵系统需要额外钻孔，存在建造成本较高和占地面积大的不足。将地源热泵技术与传统地下结构相结合，形成了既满足结构功能又能与地下空间土地换热的地下结构系统^[2]。例如，能源桩将土体内布置的换热管埋置桩基内，节省了额外的钻孔造价，不占用其他空间，并可保障地源热泵系统的安全耐久性。

近年来，学者们进行了较多关于能源桩换热效率和热力响应的研究。为了提高能源桩换热效率，学者们研究了换热管的类型^[3-5]、流体流速^[6-7]、进水温度^[8]、运行模式和桩身材料^[9-11]等因素的影响。Park等^[12]的研究表明，桩身热容量在短期内对能源桩的热性能影响最大。相变材料是一种潜热高、化学性质稳定、无毒、廉价的储能材料，可用于改善地源热泵的换热性能。已有相关研究^[13-14]结果证实了相变材料能有效提升地源热泵系统的换热性能，减小土体换热影响范围，节省地下空间资源。Han等^[15]利用相变材料改善能源桩技术，提高了能源桩的热能提取性能，并大大减少了热交换所需的桩数。目前关于相变材料在能源桩中的应用研究还较少，尤其缺乏系统性的试验应用研究。

此外，已有研究较多地关注能源桩在结构荷载与温度循环作用下的热力学特征方面。Laloui等^[16]测试了温度-结构荷载耦合作用下桩体的应力-应变特征，发现桩体内因热效应而附加的温度应力超过了上部结构荷载作用下桩体内的最大应力。Bourne-Webb等^[17]进行了能源桩在长期静荷载作用下的冷热循环试验，发现沿桩长方向存在不均匀分布的桩身附加应力。陈智等^[18]进行了能源桩温度荷载作用下的热力响应原位试验，发现在加热过程中应变呈现两端大中间小的变化规律。Murphy等^[19]发现桩身的侧摩阻力明显会受到温度变化的影响，并提出不同的约束条件会导致不同的桩身温度分布。Brandl^[2]发现能源桩在换热过程中不仅会发生桩体温度的改变，而且温度的传递会引起桩周土体和桩土界面的温度响应问题。然而，目前有关能源桩换热对桩周土体的影响方面的研究仍较少。

本文使用空心钢球封装相变材料作为桩体混凝土中的粗骨料，制成相变混凝土能源桩。加入相变材料可增加地下能源桩的蓄热能力以及能量密度，可减小桩身温度的变化幅度，从而降低温度荷载对桩基的影响。此外，加入相变材料可降低桩土热扩散范围，从而减小相邻桩之间的边界效应和热干扰现象，进而避免相邻桩温度响应的叠加。本研究采用冷热加载(制热12 h+制冷12 h)试验，对比研究普通混凝土能源桩和相变混凝土能源桩在换热过程中桩内温度变化和桩周土体热力响应，为相变能源桩在非饱和黏土地层中的应用提供参考。

1 模型试验介绍 1.1 试验装置

模型试验箱采用厚度为3 mm的钢板焊接而成，尺寸为2.45 m×2.45 m×2 m(长×宽×高)。箱外布置有泡沫保温板来减少外界与箱内的热交换，如图 1所示。模型桩的尺寸为200 mm×1 500 mm(直径×长度；本文用D表示桩径，D＝200 mm)。在模型箱内非饱和黏土中同时埋入普通混凝土桩和相变混凝土桩进行试验。桩内换热管采用双U形十字交叉高密度聚乙烯(HDPE)管，外径为20 mm，内径为15 mm。图 2为试验循环系统。通过换热管将水循环温度机、冷水机、储水箱、水泵与模型箱中的能源桩进行连接，桩体入口处设有流量计。水循环温度机的温控范围为10~120 ℃，冷水机温控范围为5~35 ℃，可以满足正常工况下的桩体制热和制冷循环需要^[11]。

1.2 地基制备

本文模型试验选用深圳某工地的开挖深度约5 m的非饱和黏土，土体基本物理力学参数如表 1所示。地基制备采用人工夯实法按天然密度对非饱和黏土分19层进行夯实，除最后一层外将每层的填筑高度控制为0.1 m，最终地基土填筑高度为1.92 m。当土填筑4层达到0.4 m时，将两根模型桩埋置于箱体中心对角线位置，即距离箱底0.4 m。详细的地基制备过程可参考文[6, 11]。本试验测得的土体导热系数为1.413 W/(m·K)。由于本试验使用的非饱和黏土天然含水率较大，导致制作的黏土地基承载力有限，桩体沉降量较大，故采用端承桩的方式，直接从箱底到桩底放置一段40 cm长的空心聚氯乙烯(PVC)管，如图 2所示，管内填筑同样的黏土。

1.3 试验方案

本模型试验测量系统主要包括温度采集系统和应变采集系统。温度采集系统采用K型热电偶，其测量范围为-100~220 ℃，精度为±0.5 ℃，热响应时间为1 s，温度数据采集频率为每间隔30 s采样一次。试验中，先将冷水机设置为5.5 ℃，进行制冷12 h后再关闭冷水机，设置水温循环机温度为45 ℃，继续进行制热12 h。热电偶在桩身内部的布置如图 3所示，在土体中的布置如图 4所示。桩周土压以及孔压数据采集均通过DH3818Y型静态应变测试仪进行，土压、孔压传感器的布置如图 5所示。

2 试验结果与分析 2.1 进出口水温变化

图 6为相变与普通能源桩的进出口水温随时间的变化曲线。试验初始室温为31 ℃，初始土体温度为26.1 ℃。从图 6可以看出，在制冷阶段，相变桩进水口的温度约为7 ℃，普通桩约为7.7 ℃，制热阶段分别约为45.3 ℃、45.8 ℃。无论是制冷还是制热阶段，相变桩与普通桩进水口的温度都相差很小而且基本保持恒定，这保证了试验结果的可靠性。从图 6还可以看到，在制冷过程中，进出水口温差随时间逐渐变小，最终在4 h时达到稳定状态，稳定后相变桩进出水口温差为1.8 ℃，普通桩温差为1.6 ℃。在制热阶段初期，制冷过程刚结束导致桩体温度与进水口温度存在较大差别，因此进出水口温差明显大于同时刻制冷阶段的温差，且相变桩温差要明显大于普通桩，但其后温差迅速减小，在约16 h (即制热阶段4 h)后基本达到稳定状态，相变桩与普通桩的进出水口平均温差分别为1.1 ℃、1 ℃。相变桩与普通桩在制热阶段的最终温差小于制冷阶段的温差，说明制冷加载在相同循环工况下的换热效率要大于制热加载，这与Park等^[20]的试验结果一致。

2.2 桩内温度的变化

选取桩内1、3、5号钢筋温度传感器测试结果进行对比分析，其中1号钢筋位于换热管进水口侧，3号钢筋位于出水口侧，5号钢筋位于进出水口中间。每根钢筋测点位置如图 3所示。图 7为不同时间1、3、5号钢筋不同位置处桩内温度随深度的变化。图 7中：x1、x3、x5分别为相变桩1、3、5号钢筋测点；p1、p3、p5分别普通桩1、3、5号钢筋测点。

由图 7可以看出，3根钢筋的初始温度存在差异，1、3号钢筋的竖向温度比5号钢筋的分布均匀，这是因为1、3号钢筋靠近换热管壁，传热路径较短，进而受到进出水口温度的直接影响，而5号钢筋处于桩内中间位置，换热路径较长，受到初始温度和进水口温度的双重影响，导致温度分布不均匀。从整体上看，相变桩在制冷加载结束后的桩内竖向和同一截面上最大温差分别为4.9 ℃、4.9 ℃，而普通桩的竖向与截面最大温差分别仅为2 ℃、2.1 ℃，制冷过程中相变桩的竖向与截面最大温差比普通桩分别大2.9 ℃、2.8 ℃，是普通桩的约2.5倍，说明在制冷过程中相变材料的加入导致了桩内竖向和同一截面温度分布的不均匀性。

从图 7还可以看到，制热结束时相变桩竖向和同一截面最大温差分别为2.7 ℃、2.6 ℃，比制冷结束时减小了2.2 ℃、2.3 ℃，可见制热阶段相变桩的竖向不均匀温差要明显小于制冷阶段；普通桩的竖向与同一截面最大温差分别为2 ℃、1.3 ℃，也小于制冷阶段。这说明相变桩在制热阶段，同一截面的温度会有较大的不均匀性，且在制冷阶段这种现象更加明显。这种温度分布不均匀性主要是因为：相变材料在固态与液态时导热系数相差较大(相变材料固态导热系数为0.3 W/(m·K)，液态导热系数为0.167 W/(m·K))，对能源桩的传热速率产生了影响；另外，相变钢球的不均匀分布也会导致相变桩内部不同位置导热系数存在差异，引起桩内热量传递的方向和速率有较大的差异，进而使同一截面温度在相同时刻存在差异。

图 8为相变桩与普通桩桩内5号钢筋竖向不同位置的温度随时间变化曲线。可以看到，在制冷和制热阶段中，前2 h相变桩温度平均变化速率小于普通桩。在制冷阶段前2 h内普通桩温度下降较快，4 h之后温度下降缓慢，最终趋于稳定值；而相变桩在整个循环过程中温度持续下降，并没有趋于稳定，这说明相变材料延缓了温度的变化，在相同的时间内减小了桩内温度所产生的附加应力。从图 8还可以发现，由于制热初始阶段桩内温度较低，在制热时通入45 ℃循环水导致较大的温差，进而加快了相变过程，因此相变桩和普通桩温度变化规律接近，并没有出现制冷阶段中的较大差别。

2.3 桩侧及桩周土体温度的变化

图 9对比了埋深871 mm、桩侧不同距离处的土体径向温度变化曲线。试验开始前测得相变桩及普通桩的进水口桩侧的土体温度分别是25.7 ℃和25.8 ℃。从图 9可以看出，在制冷阶段，普通桩进水口桩侧的土体温度在初始阶段内快速下降然后再缓慢趋于平稳，而相变桩进水口桩侧的土体温度基本呈线性缓慢下降。

在制冷工况进行2 h后，相变桩和普通桩的进水口桩侧土体温度分别降至24.3 ℃和20 ℃。从图 10可以看出，相变桩桩身的温差小于普通桩，这说明加入相变材料可以显著减小土体在制冷过程初始阶段的温度变化幅度，这符合相变材料在发生相变的过程中不断吸收热量但不改变材料温度的特性。此外，由距离桩侧0.5D处的土体温度变化可知，普通桩桩侧的土体温度在前4 h变化幅度较大，随后逐步趋于稳定。相比之下，相变桩桩侧的土体温度则在12 h内均处于持续下降状态，说明相变桩在相变温度范围内吸收储存了更多的能量，减缓了土体的温度变化。图 11展示了埋深871 mm处土体温度变化曲线。图中：1、A、B 3条直线分别表示初始土温平均值、制热阶段影响范围、制冷阶段影响范围；直线2、3分别对应初始土温±0.5 ℃。从图 11中也可以看出，相变桩在冷热加载时桩-土热交换主要范围为1.5D，随着到桩侧距离的增加，温度变化速率逐渐减小。试验运行时边界效应影响较小，可以忽略。

2.4 桩周土压、孔压的变化

本模型试验对桩周土体压力以及孔隙水压力进行了监测。图 12与13为相变桩与普通桩桩周的土体温度与土压随时间的变化。可以看出，桩周土体产生的土压波动极小，这是由于土体上部没有设置附加荷载，模型箱内土体各处应力均较小，故温度加载引起的应力变化值都较小。相变桩桩侧UX5号土压传感器采集到较为稳定的数据值。UX5号传感器位于相变桩桩侧50 mm、埋深1 305 mm处(见图 5)。从图 12可以看到，UX5传感器的数值在制冷阶段随温度降低而降低，随后进入制热阶段随温度升高而升高，说明桩周土压和温度变化规律相同，且径向上土压变化主要受温度变化的影响。

图 14与15为相变桩与普通桩桩周的土体温度与孔压随时间的变化。可以看出，孔压除SP1传感器外，其余传感器波动都极小。SP1传感器位于普通桩桩侧50 mm、埋深为437 mm处(见图 5)。从图 15可以看出，SP1能观测到相对较大的孔压变化，且随能源桩冷热加载运行，该孔压变化具有很强的规律性。在制冷开始后，随着制冷的进行，SP1的读数开始随着土体温度的降低而逐渐增大，7 h后孔压大致增加到1.4 kPa后基本趋于稳定。随着制热加载开始，土体温度逐渐增大，SP1的读数开始逐渐下降，孔压开始消散并保持减小的趋势直至制热结束，孔压达到-2.5 kPa，这表明在循环过程中非饱和黏土地基由于温度的变化产生了水分的移动。图 16为冷热循环试验结束时土体表面的情况。可以看到，制热阶段结束后土体表面存在明显积水，进一步说明能源桩的冷热温度循环使模型箱内非饱和黏土中的水分产生了明显的迁移运动，是热固结排水与水热耦合的共同作用结果。

已有研究^[21-23]表明，温度的变化会引发土体力学性质的变化，对于正常固结或轻微固结的黏土，由于渗透系数小，加热过程积累一定的超孔隙水，在其逐渐消散过程中，土体发生固结，体积收缩；另有研究发现，对于高度超固结的土体，由于土体孔隙比和压缩系数相对更小，加热引起的热固结作用可忽略不计^[22]。此外，黏土在加热过程中一方面由于土颗粒发生蠕变、相互位移、挤密，另一方面由于温度升高，导致黏土的渗透系数增大。因此，在允许排水的情况下黏土将产生收缩排水。本文模型试验在制备非饱和黏土地基时仅采用平板方形小夯锤人工夯实，夯实过程对土体产生荷载较小，因此所用非饱合黏土可以视为正常固结或轻微固结黏土。在制热时，由于能源桩换热使桩周的黏土温度升高，会导致所用非饱合黏土发生固结排水现象。图 17为本试验全部结束时模型箱内的土体沉降变形情况。可以看到，桩周围黏土发生了约3 cm的沉降，这进一步说明能源桩的冷热循环过程会给桩周黏土带来不可恢复的固结沉降。

3 结论

本文通过模型试验研究了相变能源桩与普通能源桩在非饱和黏土地基中冷热加载作用下的热力响应特性，对比分析了相变桩与普通桩桩侧土体温度、桩身温度的变化，以及桩周土压、孔压的变化，得到以下结论：

1) 本试验的相变桩在冷热加载的热交换过程中，桩周土体发生热传递的主要范围约为1.5倍桩径内。

2) 相变桩的换热管进出口温度变化大于普通桩，表明相变桩热交换效率高于普通桩。

3) 相变桩与普通桩在制热阶段的最终温差小于制冷阶段的最终温差，说明制冷加载在相同循环工况下的换热效率要大于制热加载。

4) 在冷热加载中相变材料的加入导致了桩内竖向和同一截面温度分布的不均匀性。

5) 能源桩制冷、制热工作时会使正常固结的黏土地基产生明显的固结排水，将使黏土地基发生明显的不可恢复的沉降变形。