浅谈能量桩研究现状

浅谈能量桩研究现状

祝新禹

（吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，吉林 长春 130118）

摘 要：文章通过有限元数值模拟、室内模型试验、现场原位试验三个方面简要阐述能量桩发展进程及研究现状，针对能量桩研究待解决的问题和发展方向提出建议。

关键词：能量桩；温度循环；承载力特性

中图分类号：TU473 文献标志码 B

0 引 言

我国大部分地区的建筑空调系统普遍存在电力资源浪费的问题，且北方地区冬季采暖的主要途径是煤炭燃烧，进而导致空气质量恶化。二十一世纪以来，人们逐渐重视将浅层地温能等清洁能源应用于建筑领域，能量桩技术开始进入大众视野。

传统的地源热泵技术有占用土地面积、造价高等缺点，能量桩技术将换热管与建筑桩基相结合，使其既拥有桩基础的功能，又可充当地源热泵换热器，因此得名能量桩或能源桩。1994年，日本学者Morino^[2]率先提出桩基埋管的概念，并开展试验研究和基于有限差分法的数值分析，验证了能量桩的可行性，为能量桩研究奠定基础。位于德国图宾根市的Kreissparkasse Tuebingen银行是较早应用能量桩技术的工程实例，其主楼采用150根能量桩，桩长约为18~22米，桩身主要穿过砂卵地层，恒温且稳定的地下水活动为能量桩换热提供较为便利的条件^[3]。此外，1999年建成的德国法兰克福美茵塔采用112根长为30米的能量桩；瑞士联邦技术研究所的将97根能量桩埋设于建筑物下。近年来，在国内也出现较多工程选择能量桩技术，如2010年上海世博会的主要建筑——世博轴、同济大学旭日楼、南京朗诗国际街区、北京大兴国际机场等。其中，南京朗诗国际街区项目1200根基桩中埋设了单U或双U型传热管，是能量桩一次较大规模的工程应用。

1 能量桩研究现状

目前国内外针对能量桩的研究途径主要分为有限元数值模拟、室内模型试验和现场原位试验。数值模拟研究因其建立模型的过程中简化了诸多因素，与现实中的试验条件不尽相同，故通常作为印证试验结果的手段，不作为主要研究途径。能量桩研究涉及诸多变量，室内模型试验可以较为容易地实现，故室内模型试验是较为常见的研究方式。现场原位试验的结果最为直观可靠，但受限于场地、环境、季节等因素，目前针对能量桩的现场原位试验数量较少，每一次的能量桩原位试验都十分珍贵。

1.1 数值模拟研究

费康等^[4]基于ABAQUS软件建立能量桩三维模型，并对本构模型进行二次开发，分析长期温度循环对能量桩的影响，得出桩顶荷载越高，循环次数越多，桩顶累积沉降越大的结论；Liao等^[5]对比3种能量桩数值模型在相同条件下的仿真结果，分析主要误差来源，得出二维环形线圈模型仿真效率高但误差较大，二维等效模型可以有效提高精度，三维模型精度最高但效率较低的结论；钱峰等^[6]开展不同工作荷载作用下能量桩承载力特性模型试验及数值模拟研究，分析不同循环温度对桩-土力学特性的影响，得出随循环次数增加桩顶及桩周土产生不可恢复的沉降变形等结论。

1.2 室内模型试验研究

刘汉龙等^[7]开展模型试验研究预埋钢管能量桩与普通绑扎能量桩的承载力特性，得出普通绑扎能量桩的换热性能较高的结论；刘干斌等^[8]通过模型试验设置多种工况，分析了饱和黏土地基中能量桩承载力特性，得出升温阶段桩周土发生热固结现象产生沉降变形，且能量桩单桩极限承载力随循环液体温度升高而增大的结论；车平等^[9]基于模型试验，将实心能量桩与管式能量桩进行对比，分析两种桩型在温度循环作用下的力学机理，得出相同桩径的管式能量桩对加热循环的热响应和换热效率高于实心能量桩。

1.3 现场原位试验研究

路宏伟等^[10]通过现场原位试验研究了能量桩在热-力耦合作用下的荷载传递特征，得出热-力耦合作用改变了能量桩的承载性状，并引起桩顶产生位移变化得结论；孔纲强等^[11]开展现场热响应试验，研究换热液体进/出口温度、桩身温度和桩身附加热应力等变化规律，对实际工程具有较高的指导意义；Chen等^[12]开展现场原位试验，分析不同温度荷载和桩顶约束条件下的桩身应力分布特征及侧摩阻力变化规律，得出侧摩阻力因温度变化分布得更加均匀，并随温度线性增加的结论。

2 结论

能量桩技术正成为行业研究的热点，但针对能量桩研究现状待解决的问题如下：

1. 现场原位试验的结果最接近工程实际，最为直观可靠，但受限于研究成本和不可抗力的影响，针对能量桩研究的现场原位试验仍然较少，原位试验尚未覆盖能量桩研究的诸多技术要点。

2. 目前能量桩的知名度较小，工程应用数量不够庞大，应大力推广能量桩技术在建筑领域的应用。

参考文献

1. Brandl H. Energy foundations and other thermo-active ground structures[J]. Géotechnique, 2006, 56(2): 81-122.

2. Morino K, Oka T. Study on heat exchanged in soil by circulating water in a steel pile[J]. Energy & Buildings, 1994, 21(1):65-78.

3. 赵嵩颖. 能量桩储热试验与数值模拟研究[D]. 吉林大学, 2015.

4. 费康, 钱健, 洪伟, 等. 黏土地基中能源桩力学特性数值分析[J]. 岩土力学, 2018, 39(07): 2651-2661.

5. Liao Ziming et al. A novel 2-D equivalent numerical model of helix energy pile based on heat transfer characteristics of internal heat convection[J]. Geothermics, 2021, 95.

6. 钱峰, 刘干斌, 汤炀, 等. 循环温度和荷载作用下能源桩-土力学特性研究[J]. 建筑结构, 2020, 50(07): 136-142.

7. 刘汉龙, 吴迪, 孔纲强,等. 预埋与绑扎埋管形式能量桩传热特性研究[J]. 岩土力学，2017,38(2):333-340.

8. 刘干斌, 谢琦峰, 范高飞, 等. 饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2017, 36(10): 2535-2543.

9. 车平, 黄旭, 孔纲强. 循环温度荷载下管式能量桩荷载传递机理研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2019,39(04):651-657.

10. 路宏伟, 蒋刚, 王昊，等. 摩擦型能源桩荷载–温度现场联合测试与承载性状分析[J]. 岩土工程学报， 2017, 39(02): 334-342.

11. 孔纲强, 吕志祥, 孙智文, 等. 黏性土地基中摩擦型能量桩现场热响应试验[J]. 中国公路学报, 2021, 34(03): 95-102.

12. Zhi Chen et al. In-Situ Thermomechanical Response Test of an Energy Pile Under Temperature Loading[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2021, 46(11): 1-10.

基金项目：吉林建筑大学大学生创新创业项目（202110191117 ）

作者简介：祝新禹（2000.12-），女， 汉族，吉林省吉林市人，吉林建筑大学地质工程专业学生，