[发明专利]一种变温条件下桩‑土界面法向接触应力试验设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程试验技术领域，具体是一种变温条件下桩-土界面法向接触应力试验设备及试验方法。

背景技术

能量桩，也称能源桩，是一种将地下桩基础用作地源热泵系统换热器的技术。近年来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，地源热泵技术作为一种绿色可持续新能源技术得到了广泛的发展和应用，该技术利用大地的热容量，在夏季将室内的热量贮存在地下用于冬季的采暖，同时也达到了夏季室内制冷的目的。由于传统地源热泵技术需要在建筑场地外钻孔，不仅占用了额外的场地且较高的钻孔费用导致项目初期投资大。21世纪80年代，工程师们尝试将换热管置于建筑物的桩基、基础底板以及地下连续墙等结构内用来代替传统的地埋管换热器，不仅节省了场地而且大大地降低了地源热泵系统的造价。能量桩是将埋管置于桩基中，它通过管内的循环流体来实现向大地中提取和存贮热量。在节约地下空间、保证施工质量的同时，桩体混凝土热交换效率高，具有更好的经济效应。

能量桩具有承担上部荷载和进行热量交换的双重作用。能量桩的承载力部分或全部来自于桩与周围土体的侧摩阻力。在能量桩冷热循环过程中，桩体和周围土体的热胀冷缩会影响桩-土界面的刚度及桩周土的侧向应力，使桩-土界面的法向应力发生变化，而桩最大侧摩阻力的大小与法向应力呈正比。国内外一般是进行桩-土界面的剪切试验，通过应力、应变数据反映桩-土界面抗剪能力的变化。目前，关于变温条件下桩-土界面法向应力的研究较少，由于对法向应力的变化规律认识不清，给桩-土界面最大静摩擦力的准确判断造成了困难。基于此，本发明提出一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备及方法，通过室内试验，研究在温度循环过程中，桩-土界面法向应力的变化规律。本发明对于掌握能量桩的力学性能的变化，推动能量桩技术的推广和应用，具有重要理论研究和工程应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备及试验方法，该试验设备和方法考虑不同的约束条件，模拟不同温度下桩-土界面法向接触应力的变化，研究温度对桩-土界面的影响，为冷热循环作用下桩-土界面法向接触应力的变化机理提供试验数据。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备，包括框架、竖向压力加载系统、桩-土界面模拟系统、水循环控温系统、数据采集系统。

框架用于支撑实验装置的其它系统。

竖向压力加载系统用于对试验土样施加竖向压力。

桩-土界面模拟系统包括底座、环形混凝土盒，压板和绝热材料；桩-土界面模拟系统通过底座固定在框架上；底座中间的空间放入环形混凝土盒；环形混凝土盒上下开口，盒壁采用混凝土制作，中间空间用于装入土样，装入的土样与环形混凝土盒的混凝土接触，用于模拟桩-土界面；在环形混凝土盒的内壁上开设有凹槽，用于放置土压力计及第一温度传感器，凹槽内径与土压力计或第一温度传感器外径相匹配，采用环氧树脂或其它粘接剂将土压力计和第一温度传感器固定于凹槽内，用于检测桩-土界面法向接触应力及其温度；压板有上压板和下压板，放置在土样上下，下压板开设有传压腔；绝热材料放置于下压板下面及环形混凝土盒外围，防止热量散失。环形混凝土盒能有效增加桩土接触面积，加快热传递过程，使土体温度快速达到稳定状态，且方便安装相关传感器。

水循环控温系统用于模拟桩体的温度变化过程；比如，夏季、冬季地热交换中桩体的升温及降温过程。

数据采集系统包括土压力计和第一温度传感器，土压力计和第一温度传感器布置在环形混凝土盒的内壁上的凹槽内，采集桩-土界面的法向接触应力及界面温度数据。

进一步的，数据采集系统还包括应变传感光纤，在环形混凝土盒内壁环向粘贴分布式应变传感光纤，用于监测变温条件下桩土界面的法向变形。传感光纤纤细，对试验土体的影响可以忽略不计。