膨胀黏土中能源桩热-力学耦合行为的创新性实验研究与机理分析

本文通过光纤布拉格光栅（FBG）传感技术，首次系统研究了膨胀黏土中能源桩的热-力学行为（thermo-mechanical behavior）。研究发现：相较于砂土，膨胀黏土在加热/冷却阶段的热交换效率分别降低至33%（10 W/m）和83%（30 W/m）；温度循环导致位移振幅增大2-3倍，并产生不可逆塑性变形；轴向应力在+350 kPa（受拉）至-400 kPa（受压）间剧烈波动。研究强调了建立热-水-力（THM）耦合模型的必要性，为膨胀土地区地热能桩基设计提供了重要依据。

　　

Highlight

本研究通过实验室模型试验，结合光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感技术，揭示了膨胀黏土中能源桩的三大特征现象：1）热交换效率呈现显著"温度-湿度双敏感"特性；2）热循环引发"记忆效应"塑性变形；3）轴向应力存在"拉压转换"临界阈值。

Materials

试验材料严格遵循ASTM标准：砂土最大干密度1580 kg/m³，不均匀系数C_u=2.90；膨胀黏土液限46.6%，自由膨胀率达89.3%。采用PVC管模拟桩体，其导热系数为0.19 W/(m·K)，完美匹配实际工程参数。

Theory

FBG传感原理基于布拉格波长漂移定律：λ=2Λn_e。该技术能同步捕捉桩体应变（精度±2με）和温度变化（±0.1℃），堪称"地下CT扫描仪"，为研究土壤-桩体相互作用提供了革命性观测手段。

Temperature profile

温度场演化呈现"三阶段"特征：快速响应期（0-1h）、动态平衡期（1-3h）、稳态平台期（>3h）。膨胀黏土表现出独特的"热滞后"现象，其温度传递速度比砂土慢1.8倍，这与其特有的层状矿物结构密切相关。

Conclusions

研究提出"膨胀黏土-能源桩"相互作用的三维耦合模型：1）热通量每增加10 W/m，桩顶位移放大40%；2）饱和状态下负摩阻力激增60%；3）建议采用"预冷缩补偿"设计来抵消热致应力。这些发现为《地源热泵技术规范》的修订提供了实验依据。