层状地质介质中能源管桩群热-力学性能高效分析方法及其在可持续地热能利用中的优化设计应用

本文针对能源管桩群在热-机械耦合作用下的复杂响应，提出了一种将管桩内外边界力简化为中径合力的高效计算框架（FEM-BEM耦合方法），解决了传统方法计算效率低、难以处理层状横观各向同性岩土介质的难题，为地热能桩基系统的优化设计提供了重要理论支撑。

　　

Highlight

能源管桩群因其热交换与承重双重功能，在可持续能源基础设施中具有巨大潜力。本研究通过创新性地将管桩内外壁边界力简化为中径处的等效合力，显著提升了计算效率，并采用有限元-边界元耦合算法（FEM-BEM）实现了层状横观各向同性岩土介质中热-力学耦合响应的精准模拟。

Methodology

如图1所示，能源管桩群由N根管桩组成，桩间距为s，嵌入层状岩土介质中。桩顶承台与土体不接触，承受竖向荷载F_NC，桩身受温度荷载T_p作用。基于管桩壁厚足够小的假设，将内外边界力简化为中径处的单一合力集，从而建立热-力学平衡方程。通过单桩响应推导及全局刚度矩阵组装，实现了桩群系统的耦合求解。

Verification with conventional pipe pile groups

为验证理论框架的正确性，首先与常规管桩群方法进行对比。Ding等[32]研究了3×3和5×5管桩群在25 MN机械荷载下的轴力分布（桩群布置见图4）。土体剪切模量为2.5 MPa，泊松比为0.33，管桩参数见表1。对比结果表明，本方法在计算精度与效率上均优于传统方法。

Numerical analyses

选取4×4能源管桩群（图10）进行参数化分析，控制变量包括长径比L/R、土体泊松比ν_s、桩身热膨胀系数α_p、桩间距s及布置形式。荷载条件为桩顶静载F_NC与桩身温度荷载T_p。参数设置见表12、13。结果表明：冷却条件下管桩抗拉失效风险随桩间距增大而显著增加；三角形布置桩群的冷却诱导拉应力明显高于均匀布置。

Conclusion

本研究提出的高效计算方法有效解决了层状横观各向同性介质中能源管桩群的热-力学耦合响应分析难题，为地热能桩基系统的可持续设计提供了可靠工具。参数分析揭示了桩身几何、土体特性及布置形式对热-机械行为的显著影响，为工程优化提供了关键依据。

CRediT authorship contribution statement

Jia Ming Ye: 撰写-评审编辑、方法论、研究设计、概念化；Zhi Yong Ai: 撰写-评审编辑、 supervision、资源整合、方法论；Xin Kai Chen: 撰写-初稿、验证、调研、数据整理

Data availability

本研究相关数据可根据合理要求提供

Declaration of Competing Interest

?? 作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系

Acknowledgements

本研究得到国家自然科学基金（批准号41672275）资助。Jia Ming Ye亦感谢香港研究资助局资助的香港博士研究生奖学金计划