循環溫度場下分層地基能量樁傳熱及變形模擬分析

常 虹，姜 升

吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,長春 130118

0 引言

目前,環境污染、資源匱乏等問題亟待解決,使用綠色能源代替傳統化石能源逐漸成為綠色可持續發展的焦點.地源熱泵系統依靠其換熱部件與土體進行熱交換,并利用交換所得熱量達到暖通空調的效果.該系統不占用地面資源,不產生污染物,但其缺陷是在進行系統布置時,鉆孔與開挖溝槽的造價高,且系統會占用較大面積的地下空間.

能量樁是一種用于替代傳統鉆孔地源熱泵換熱器的新型樁埋管技術,其工作原理是通過樁內埋管中循環流動的流體與地表以下土體進行熱量交換,從而將淺層地溫能轉移到地表處,滿足建筑物的供暖或制冷需求.與傳統的地源熱泵相比,能量樁造價低,所占用的地下空間也較傳統的地源熱泵換熱器少,在滿足上部建筑物承載要求的同時還能發揮換熱部件的作用.

國內外學者對能量樁的傳熱規律及承載性狀做了廣泛研究:B.L.AMATYA等[1]人依托現場案例針對能量樁的熱-力學響應進行研究,結果表明能量樁在冷熱循環作用下會產生較大的軸向應力;孔綱強等[2]人開展針對單U型能量樁的模型試驗,結果表明沉降出現在冷熱循環結束后,且逐次累積;王成龍[3]針對飽和砂土中能量樁進行研究,結果表明在樁周土和樁端約束不同的情況下,樁體不同部位表現出不同的熱響應;郭易木等[4]人針對PHC能源樁在分層地基中的熱-力響應進行研究,結果表明分層地基的換熱能力不均對能量樁的熱交換產生顯著影響;劉漢龍等[5]人針對飽和砂土中不同埋管形式能量樁研究其熱力學特性,結果表明在輸入功率相同的情況下,W型埋管樁的樁身溫度、應力和樁頂沉降均大于其他埋管形式;郭浩然等[6]人利用改進的樁-土荷載傳遞模型進行數值分析,結果表明樁土界面的剪切為循環剪切;費康等[7]人基于ABAQUS對能量樁傳熱進行有限元分析,結果表明樁的長徑比對樁的熱傳遞具有顯著影響;錢峰等[8]人使用ABAQUS對能量樁熱應力變化進行有限元分析,結果表明附加熱應力隨溫差的增大而增大,但隨換熱次數的增加其變化不明顯.既往研究中對分層地基中多次冷熱循環作用下能量樁的換熱及變形規律研究較少,本文將針對這一局限性展開研究.

1 工程概況

1.1 場地條件

本文模擬的實際工程位于延吉市延北路以北,太平街以東的地塊.勘察工作采用鉆探取樣與原位測試相結合的方法,地層剖面如圖1所示,土層參數見表1.

表1 土層參數Table 1 Soil parameters

1.2 能量樁

模擬所用能量樁直徑0.5 m,樁長10 m的圓樁.樁身采用C30混凝土,樁身材料參數見表2.樁內埋管形式為由PE管制成并聯雙U型埋管,內徑20 mm,外徑25 mm.樁身尺寸及埋管間距如圖1所示.

表2 樁身材料參數Table 2 Pile material parameters

圖1 樁身尺寸Fig.1 Pile body size

初始溫度20 ℃,其中制熱過程將換熱管溫度升至70 ℃,持續9 h,冷卻過程通入5 ℃的換熱液,持續3 h,將換熱管溫度降至20 ℃.每個冷熱循環共計12 h.對其前5次冷熱循環進行分析.由單樁承載力特征值得樁頂荷載為700 kN.埋管剖面及換熱流向如圖2所示.

圖2 換熱液流向Fig.2 energy pile heat transfer process

2 ABAQUS建模簡介

2.1 理論模型

ABAQUS是一款功能強大的有限元分析軟件,其通過三維建模與可視化分析對實例進行迭代計算.在分析進行時可對迭代過程進行監控,其結果可通過云圖形式呈現出來，ABAQUS中物理量量綱見表3.

表3 ABAQUS量綱Table 3 ABAQUS dimension

采用ABAQUS線彈性模型中的各向同性彈性模型對樁身進行有限元模擬,模擬中所涉及的應力均視為有效應力.該模型的應力-應變表達式見式(1).土體模型采用彈塑性本構模型,其彈性部分由彈性模型定義,塑性部分采用Mohr-Coulomb模型進行模擬.

{ε11

ε22

ε33

γ12

γ13

γ23}=[1/E-v/E-v/E000

-v/E1/E1/E000

-v/E-v/E-v/E000

0001/G00

00001/G0

000001/G]

(1)

式中,E為材料彈性模量,即材料在彈性變形階段應力與應變的比例系數,MPa;v為材料泊松比,反應材料橫向變形的彈性常數;σij為單元體各個方向上的應力,kPa(N/m2);εij為單元體3個面上的法向應變;γij為單元體3個面上的切向應變.

2.2 三維建模與網格劃分

建立CAE Standard模型,探究能量樁及樁周土在5次冷熱循環下的熱傳遞規律以及變形規律.首先使用拉伸和切削工具對樁身以及樁周土進行三維建模,繼而對已建好部件進行網格劃分,如圖3和圖4所示.

圖3 樁身網格劃分Fig.3 Meshing of pile body

圖4 樁周土網格劃分Fig.4 Meshing of soil around piles

為探究能量樁換熱對周圍土體的影響范圍,樁周土水平范圍取邊長為10倍樁徑的正方形,土體底面距樁端3 m.通過分割實體將樁身及樁周土三維模型劃分為規則的塊,使其網格屬性均能定義為結構網格以達到高效計算的目的.為了防止網格精細度降低,對樁端及樁內埋管采用加密布種.

在進行熱傳遞分析時,指派單元類型為熱傳遞DCC3D8單元,在進行樁土相互作用變形分析時,指派單元類型為三維應力C3D20R單元.

3 數值模擬結果及分析

3.1 溫度場分布

圖5及圖6展現了不同時刻能量樁及樁周土溫度分布,可見隨著熱交換的進行樁周不同土層表現出不同的溫度波動,其中粉質黏土層溫度擴散最大,泥質粉砂巖層次之,黃褐色黏土層最小,這是由各層土熱阻不同所致.由于換熱液沿深度方向熱量損失的存在,樁身也表現出不均勻的溫度分布.換熱初期熱交換主要發生在埋管與樁身之間,但換熱末期溫度變化逐漸轉化為樁身與樁周土的換熱,其原因是在多次冷熱循環后熱源逐漸從埋管變為能量樁樁身,且在此后的運行過程中由樁身充當熱源與樁周土進行熱交換.

圖6 60 h溫度云圖Fig.6 60 h temperature nephogram

由于粉質粘土溫度波動最大,故分別取距樁邊緣0.5D,1D,2D處粉質粘土,研究熱交換對樁周土體的影響范圍,見圖7,其中D為樁身直徑.從圖7中可以明顯看出，在距樁側0.5D范圍內土層出現鮮明的溫度波動,而隨著距樁側距離的增加,溫度變化逐漸減小,在距樁側2D處,在5次冷熱循環結束后其溫度僅僅上升了0.365 9 ℃.因此,在進行能量樁布置時應合理設定其布設間距.在每次冷熱循環結束后樁周土都會出現熱量累積現象,但每層土累積的熱量值不盡相同,這都是由于各土層物理性質差異所致.

圖7 樁周土溫度變化Fig.7 Temperature change of soil around pile

3.2 樁身豎向應力

在純溫度場作用下第5次冷熱循環兩階段末的樁身應力分布截然不同.由圖8可以看出,在第1次、第3次、第5次冷熱循環結束后,樁身產生壓應力,其峰值出現在第5次冷熱循環結束后可達1.12 MPa.距樁頂4.8 m處應力值最高,該處以上部分應力值較低,以下部分應力值較高.其原因是不同位置的土體約束不同.4.8 m處土體約束最大,而兩端相對較小,樁周土的約束作用限制了樁體由溫度導致的自由膨脹,同時也改變了樁身不同位置的應力分布,較大的約束導致了較大的附加熱應力.在不同的冷熱循環階段樁身表現出不同的應力響應,其原因是每個冷熱循環的制熱和冷卻兩個階段導致了樁身出現了周期性的熱量累積,因此,由于溫度場作用而產生的附加熱應力也會隨溫度的周期性累積而逐漸增大.

圖8 樁身豎向應力分布Fig.8 Vertical stress variation of pile body

3.3 樁頂位移

與無溫度場作用下的普通預制混凝土樁相比,能量樁最大的差異表現在受附加熱應力作用下樁身產生應力與位移的相對變化,這一點在圖9中得以印證.

圖9 樁頂豎向位移Fig.9 Vertical displacement of pile top

樁身在制熱時伸長,冷卻時收縮,表現在不同階段樁身的豎向位移不同,其原因是不同階段附加熱應力的方向不一致,這也說明了能量樁在換熱過程應力變化主要來源于溫度場產生的附加熱應力對樁身的影響.荷載的作用相當于對樁頂施加一個較大的約束,這有效地限制了由附加熱應力引起的樁身自由熱應變,也體現在隨著換熱的進行樁頂位移幅值逐漸發散,而在溫度-荷載聯合作用下的樁頂位移幅值逐漸收斂.相較于樁頂荷載的作用,樁頂位移受溫度場的影響更加嚴重,無論樁頂是否存在荷載,每次冷熱循環結束后樁頂都會發生向下的位移,在有荷載作用的情況下有逐漸變大的趨勢并發生位移累積,5次冷熱循環后樁頂沉降達到了28.43 mm,在長期冷熱循環后這種影響勢必會造成較大的樁頂沉降.

4 結論

本文通過對實際工程進行三維建模及有限元分析,研究了能量樁在分層地基中多次冷熱循環狀態下的熱傳遞以及變形規律,得出如下結論:

(1) 多次冷熱循環會導致樁-土溫度場發生變化,樁身溫度場呈現出距入水口越近溫度越高的態勢,這表明換熱液在換熱過程中越長的流動路徑會導致越大的能量損失;土體溫度場分布與土體距樁身的徑向距離聯系緊密,徑向距離越近其溫度越高,徑向距離超過2D處土體溫度變化受樁身影響很小.

(2) 與普通混凝土預制樁相比,影響能量樁承載性能的額外因素主要體現在由溫度變化導致的附加熱應力對樁身原有應力場的干擾,附加熱應力會打破原有應力場的穩定,而隨著時間推移形成新的穩定的應力場.本文中冷熱循環次數有限,應繼續探究長期冷熱循環作用下附加熱應力對樁身應力狀態的影響.

(3) 能量樁的工作過程是樁身與樁周土體熱-力耦合的過程,在冷熱循環的不同階段樁頂會產生不規律的隆起或沉降,多次冷熱循環后可至沉降累積,若其發展較大還會造成建筑物的破壞,因此,在實際運行時應對建筑物沉降進行實時監測,避免工程事故的發生.