荷载—温度作用下地热桩承载特性数值分析

【摘要】：地热桩技术即建筑桩基与地源热泵的一体化,利用建筑桩基实现了对浅层地热能的利用,有助于节能减排。但目前地热桩的荷载-温度承载特性与规律尚不够明确,不利于地热桩技术的推广应用。本文利用数值模拟深化荷载-温度作用下地热桩单桩以及群桩承载性能及其影响因素的研究,主要研究成果如下：1.地热桩升、降温引起桩身温度荷载和桩侧正、负摩阻力增量,导致桩侧摩阻力和桩身轴力变化,桩端土层和桩顶结构约束对地热桩桩身温度荷载、桩侧摩阻力和桩身轴力影响突出。升、降温引起的地热桩位移效应不明显。地热桩承载性能须考虑桩基荷载水平、长径比影响。2.长期运营过程中,桩顶沉降随温度变化呈现周期性变动的同时产生累积,沉降累积效应与运营工况以及桩顶荷载水平有关。相同运营工况下,荷载水平较低时桩顶累积沉降随着温度循环次数的增加可趋于稳定,荷载水平较高时,桩顶累积沉降持续增长,应关注持续周期性运营过程中温度对桩基沉降的影响。3.桩筏基础中筏板对地热基桩的约束将引起各基桩桩顶反力重分配,使得筏板局部负弯矩发生较大变化,地热桩升温时常规桩基桩顶反力将比仅荷载作用时减小,地热桩桩顶反力将比仅荷载作用时增大,地热桩降温时常规基桩以及地热桩桩顶反力相对于仅荷载作用时的变化与地热桩升温时相反。结合数值模拟研究成果,建议在地热桩的设计过程中,考虑持续周期性温度变化对桩基沉降带来的影响以及不同的约束情况对桩基内力变化带来的影响；在确定桩筏基础中地热桩的间距时不仅应考虑换热需要,还应考虑地热桩不同的布置间距可能给桩筏基础结构性能带来的影响。 【关键词】：地热桩 荷载-温度作用 承载特性 数值模拟 地热桩布置方式
【学位授予单位】：南京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU473.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究背景和意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 地热桩换热性能研究13-14
• 1.2.2 地热桩承载性能试验研究14-15
• 1.2.3 地热桩承载性能数值模拟研究15-16
• 1.2.4 地热桩承载性能理论研究16-21
• 1.3 本文研究内容21-24
• 第二章 荷载-温度作用下地热桩单桩承载性能分析24-40
• 2.1 数值模型及计算参数25-30
• 2.1.1 温度荷载的施加26
• 2.1.2 传热分析的基本假定26
• 2.1.3 计算参数26-27
• 2.1.4 不同运营工况对应的温度荷载路径27-28
• 2.1.5 桩土接触的模拟28-29
• 2.1.6 初始应力场29-30
• 2.2 模型的验证30-31
• 2.3 计算结果及分析31-39
• 2.3.1 荷载沉降曲线31-32
• 2.3.2 桩周土体温度变化32-33
• 2.3.3 桩侧摩阻力33
• 2.3.4 附加温度荷载及轴力33-35
• 2.3.5 温度变化对桩顶位移的影响35-36
• 2.3.6 持续周期性温度变化对桩顶位移的影响36-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 荷载-温度作用下地热桩单桩承载性能影响因素分析40-60
• 3.1 桩端及桩顶约束的影响40-50
• 3.1.1 数值计算方案与计算模型40-42
• 3.1.2 桩身截面位移42-43
• 3.1.3 桩身侧阻力43-46
• 3.1.4 附加温度荷载46-48
• 3.1.5 桩身轴力48-50
• 3.2 长径比的影响50-53
• 3.2.1 荷载沉降曲线51-52
• 3.2.2 桩身侧阻力52
• 3.2.3 附加温度荷载52-53
• 3.2.4 桩顶位移53
• 3.3 土体膨胀性能的影响53-54
• 3.4 桩顶荷载水平的影响54-58
• 3.4.1 桩身侧阻力54-56
• 3.4.2 附加温度荷载56-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 荷载-温度作用下地热桩群桩承载性能分析60-76
• 4.1 数值模型及计算参数60-62
• 4.2 地热桩布置方案62-64
• 4.3 温度荷载说明64
• 4.4 计算结果及分析64-74
• 4.4.1 桩侧摩阻力64-67
• 4.4.2 桩身附加温度荷载67-68
• 4.4.3 桩身轴力68-72
• 4.4.4 筏板顶部及桩端沉降72-73
• 4.4.5 筏板弯矩73-74
• 4.5 本章小结74-76
• 第五章 结论与展望76-78
• 5.1 主要工作和结论76-77
• 5.2 研究工作展望77-78
• 参考文献78-84
• 攻读硕士学位期间论文发表情况84-86
• 致谢86

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