黏土中能源桩长期热力学性能研究：现场试验与数值模拟的突破性进展

本研究针对黏土中能源桩在持续机械荷载与循环热荷载耦合作用下的长期性能难题，通过开展全尺寸现场试验并结合创新的非线性一维有限元数值模拟，揭示了其不可逆沉降规律。结果表明，首轮热循环诱导的沉降最为显著，且高轴载下桩顶沉降加剧。所开发的数值模型为能源桩的优化设计提供了实用工具，对推动地热能建筑应用标准化具有重要意义。

　　

随着全球对可再生能源需求的日益增长，地热能作为一种清洁、可持续的能源形式，在建筑供暖和制冷领域展现出巨大潜力。能源桩（Energy Piles）技术巧妙地将传统桩基的承载功能与地热交换器结合，为建筑物提供结构支撑的同时，实现与地下土壤的热交换，从而显著降低建筑能耗。过去二十年间，这项技术已在多个国家得到应用。然而，能源桩在实际运行中涉及复杂的 thermodynamic（热力学）过程，其长期性能，特别是在承受建筑荷载的同时又经历周期性温度变化（如夏季注入热量、冬季提取热量）下的行为，尚未被完全掌握。这种不确定性导致缺乏科学、统一的设计标准，限制了能源桩的更广泛推广和高效利用。因此，深入理解能源桩的 thermomechanical（热力学-力学耦合）行为，对于制定可靠的设计指南、确保其在不同地质条件和运行模式下的安全性与耐久性至关重要。

为了攻克这一难题，发表在《ENERGY AND BUILDINGS》上的研究论文《Long-term thermo-mechanical behaviour of an energy pile installed in clay: Field experiments and numerical simulations》进行了一项综合性研究。该研究团队通过在法国Champs-sur-Marne的现场，对安装于黏土中的全尺寸能源桩（直径0.42米，长度12米）进行了一系列精细的现场试验和深入的数值模拟分析。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，在真实场地条件下进行了全尺寸能源桩的安装与测试，对三根试验桩（P1, P2, P3）施加了不同水平的恒定轴向机械荷载（分别为其预估承载能力的30%和50%）并结合多个加热-冷却循环的热荷载。其次，开发并验证了一种新颖的一维非线性有限元数值模型。该模型创新性地在传统的荷载传递法（t-z法）基础上，引入了考虑桩-土界面法向应力变化的机制，从而更准确地模拟了循环热荷载下的界面行为。数值模型利用Fortran语言在CodeBlocks软件中实现，并采用Mohr-Coulomb（莫尔-库仑）准则作为桩-土界面的本构模型。

1. Full-scale experiment（全尺寸试验）

现场试验揭示了能源桩在热-机耦合荷载下的基本响应。在恒定轴载下，桩体在加热阶段膨胀导致桩顶抬升，冷却阶段收缩导致桩顶沉降。经过数个热循环后，观察到桩顶出现不可逆的沉降，且第一个热循环引起的沉降量最大。例如，在P1桩（承受600 kN轴载）经历了三个热循环后，桩顶产生了明显的残余沉降。

2. Experimental setup（试验设置）

试验设置了精密的监测系统，包括PT100温度传感器、光学纤维（OF）和振动弦式应变计（VMS），用于实时监测桩身温度、轴向应变和桩顶位移。液压千斤顶和反力系统用于施加精确的轴向荷载。热荷载通过U形高密度聚乙烯（PEHD）换热管循环导热流体（66%水+34%乙二醇）来实现，模拟冬夏季节的热交换工况。

3. Procedure of pile analysis in 1-D finite element approach（一维有限元桩基分析流程）

开发的数值模型成功复现了现场试验观测到的主要现象。模拟结果显示，在加热阶段，桩身轴力增加，且在桩身下部（中性点以下）的摩阻力增大；冷却阶段则相反。模型还捕捉到了由于热循环引起的桩-土界面塑性变形累积，这解释了实验中观察到的不可逆沉降。

4. Results（结果）

4.1. Mechanical behaviour（力学行为）

数值模拟与试验数据在桩的荷载-沉降曲线、轴力分布和侧摩阻力分布方面均表现出良好的一致性。模拟预测的极限承载力与试验结果非常接近（约1800 kN）。分析表明，初始的机械加载和热循环在一定程度上改变了桩-土体系的刚度，后续加载时表现出更高的整体刚度。

4.2. Thermomechanical behaviour（热力学行为）

对热-机耦合行为的详细模拟表明，桩顶的位移响应与温度变化同步，但存在滞后和累积效应。首轮热循环对桩身应力重分布和塑性区发展的影响最为显著。侧摩阻力在桩身不同深度处因温度变化而重新分布，加热时桩身上部可能出现负摩阻力。

4.3. Long-term thermomechanical behaviour prediction（长期热力学行为预测）

利用验证后的模型预测了30个热循环下的长期行为。结果表明，在较低轴载水平下（如50% Q_ult），经过首轮热循环后，桩顶沉降趋于稳定，后续循环中变形基本可逆。然而，在较高轴载下（如70%-80% Q_ult），不可逆沉降随着热循环次数的增加而持续发展，尽管沉降速率逐渐减小。高轴载还会导致桩身下部轴力随循环次数增加而累积性增高。

5. Discussions（讨论）

研究结果与已有文献报道的现象相符，并提供了更深入的机理解释。现场试验与数值模拟之间的差异主要源于现场环境条件（如日温差、湿度变化）的不可控性。数值模型理想化了边界条件，但核心物理过程得到了有效捕捉。分析指出，热循环引起的不可逆变形主要源于桩-土界面在达到屈服后的塑性滑移。首次热循环之所以诱导最大沉降，是因为它首次触发了界面大范围的塑性响应。随后循环中，已塑性的区域范围扩大，但新的塑性发展减弱，导致沉降增量递减。研究强调，在能源桩的设计中，轴向荷载水平是一个关键因素，将其控制在适当范围内（例如低于极限承载力的70%）可以有效控制长期热循环引起的累积沉降，确保其服务性能。

6. Conclusions（结论）

该研究通过结合全尺寸现场试验和先进的数值模拟，显著深化了对黏土中能源桩长期热-力耦合行为的理解。主要结论包括：循环热荷载确实会诱发能源桩桩顶的不可逆沉降，且首轮热循环的效应最为显著；新开发的一维有限元模型能够可靠地预测能源桩在轴载和热荷载共同作用下的响应；在较低工作荷载下，热循环引起的长期沉降风险可控，而高荷载水平下需谨慎评估其累积效应。这项研究为能源桩的优化设计和安全评估提供了重要的理论依据和实践工具，将有力地促进其在绿色建筑中的规模化、标准化应用。

综上所述，这项研究不仅回答了关于能源桩长期性能的关键科学问题，而且提供了一种高效、实用的数值分析工具，对推动地热能技术在建筑领域的可持续发展具有重要的科学价值和工程指导意义。