一种能源桩桩‑土界面力学行为特性试验设备的制作方法

本实用新型属于岩土工程试验技术领域，具体是一种能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备。

背景技术：

能源桩，也称能量桩，是将地下桩基础作为浅层地温能换热器的一种新型能源开发利用技术。近年来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，浅层地温能作为一种绿色、可持续新能源得到了广泛的关注和发展。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，且施工成本较高，造成项目初期投资大。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。能源桩是将换热管置于桩基中，它通过管内的循环流体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。

能源桩具有承担上部荷载和进行热量交换的双重作用。能源桩的承载力部分或全部来自于桩与周围土体的侧摩阻力。在能源桩冷、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，从而影响摩擦桩的承载力。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。此外，变温条件下，桩-土界面的剪切特性也是目前研究的热点问题。基于此，本实用新型提出一种变温条件下桩-土界面法向应力测试及剪切试验设备，通过室内试验，研究在温度循环过程中，桩-土界面法向应力、剪切特性的变化规律。本实用新型对于掌握能源桩桩-土界面力学性能随温度的变化规律，揭示能源桩承载能力的特征，推动能源桩技术的推广和应用，具有重要的理论研究和工程应用价值。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备，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-土界面法向应力、侧摩擦力、法向及切向变形等参数的变化，为研究冷、热循环作用下桩-土界面力学特性的变化机理提供理论基础。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备，包括框架、桩-土界面模拟系统、竖向压力加载系统、循环控温系统、数据采集系统。

所述框架用于支撑试验设备其它系统。

所述桩-土界面模拟系统包括底座、环形土样、混凝土空心圆柱、压板、空心圆环和伺服步进电机。所述底座上部的位置用于放置混凝土空心圆柱和环形土样。。预制的混凝土空心圆柱安装于空心圆环 内。在混凝土空心圆柱和空心圆环之间装入试验土体，形成环形土样。利用混凝土空心圆柱与环形土样的接触面模拟桩-土界面。所述伺服步进电机安装在底座上，用于推动混凝土空心圆柱，也可以采用其它方式推进，伺服步进电机不是本实用新型的试验设备必须的。当伺服步进电机推动混凝土空心圆柱时，环形土样保持不动，使混凝土空心圆柱与环形土样的接触面发生相对剪切错动，模拟桩-土界面的变形。混凝土空心圆柱外壁设有凹槽，用于放置土压力计及第一温度传感器，测量桩-土界面的法向应力和温度，空心部分用于引出传感器信号线。在混凝土空心圆柱内预埋换热管，利用循环液对混凝土空心圆柱升温或降温。土样上部盖有压板，通过压板对土样进行竖向加载，模拟桩周土体的天然地应力状态。空心圆环安装于框架的底座上部空间之中，空心圆环底板下部设有传压腔。此外，传压腔与底座咬合能起到固定空心圆环的作用。混凝土空心圆柱能真实模拟桩土之间的相互作用，且利于进行剪切试验，便于放置传感器，避免传感器对土样的扰动。

所述竖向压力加载系统用于向环形土样施加竖向载荷。

所述循环控温系统用于模拟桩体的温度变化过程，包括夏季桩体的升温过程和冬季桩体的降温过程。所述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混凝土空心圆柱外壁的凹槽内，采集桩-土界面的法向应力及温度数据。

所述空心圆环为铟钢环，铟钢在常温下具有很低的热膨胀系数，导热系数低，能很好地满足试验要求。

进一步的，所述数据采集系统还包括分布式光纤传感器，在混凝土空心圆柱外壁环向粘贴分布式光纤应变传感器，用于测量变温条件下桩体的径向变形。

进一步的，数据采集系统还包括荷载传感器及位移传感器，所述荷载传感器及位移传感器安装在竖向压力加载系统和混凝土空心圆柱之间，用于获得伺服步进电动机工作时厚壁混凝土空心圆柱的位移、速度及桩-土界面的摩擦力。

进一步的，所述能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备还包括注水排水系统。所述注水排水系统包括通水孔、注排水阀 、排气阀。所述通水孔开设在底座底部，所述压板通过橡皮圈与混凝土和空心圆环紧密接触，空心圆环与下部传压腔通过橡皮圈紧密接触，底座与混凝土空心圆柱通过橡皮圈紧密接触，防止环状土样在试验过程中发生渗漏，达到密封的目的。所述注排水阀安装在通水孔外部，可以通过通水孔、注水排水控制土样饱和状态。在所述通水孔外部安装孔隙水压力计，实时测量试验过程中孔隙水压力的变化。所述压板上开设有排气孔，排气阀门在压板上，与压板排气孔相连。在温度升高过程中，混凝土空心圆柱会向外膨胀挤压土体；在温度降低过程中，厚壁混凝土空心圆柱又会向内收缩，造成桩土之间的应力状态发生变化，真实模拟能源桩由于冷、热循环而造成的桩土之间的相互作用。

进一步的，所述循环控温系统包括低温恒温槽、循环水泵、换热管、节流阀、流速计；数据采集系统还包括第二温度传感器，用于监控循环液的温度。所述低温恒温槽包括加温器及降温器，具有温度调节功能。恒温槽周围用绝热材料（比如聚苯乙烯泡沫塑料）包裹，防止热量散失。循环水泵将恒温槽内循环液经由导水管泵入模拟桩体（混凝土空心圆柱）中的换热管，为循环液流动提供动力。在所述导水管上设置节流阀，用于调节换热管中液体的流速，使管内液体呈紊流状态。在所述换热管进口及出口处布置第二温度传感器，用于测量换热管进出口循环液的温度。另布置流速计，用于测量和控制循环液的流速。通过进出口温度及循环液流速控制模拟桩体的升温及降温过程。试验中采用乙二醇的水基型防冻液作为循环液，乙二醇的水基型防冻液具有沸点高、挥发性小、粘度适中并随温度变化小、热稳定性好等优点，工作温度在-45~155℃，符合试验要求。

进一步的，所述竖向压力加载系统采用杠杆加载系统，杠杆加载系统包括杠杆、砝码、螺纹杆、传力杆。所述竖向压力加载系统装有若干个杠杆，呈辐射状分布，中间有螺纹杆，螺纹杆四周装有钢轴，杠杆一端通过钢轴连接在螺纹杆上，另一端施加砝码，通过杠杆原理对环状土样施加竖向荷载。所述螺纹杆一端带有螺纹，通过螺帽连接在杠杆上，螺纹杆可上下移动。传力杆下端为内凹形，与压板承载点接触，传递竖向荷载。

进一步的， 数据采集系统还包括传力杆轴力传感器，用于测量竖向施加在环状土样上的压力。

本实用新型提出的一种能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备，优点在于采用杠杆加载系统，对土样施加竖向压力，依据土的静止侧压力原理对桩-土界面施压，与桩体的实际受力条件是相同的。在杠杆一端放置相应重量的砝码，精确地控制竖向压力，稳定性好，且通过传力杆及衔接装置过滤由于土样压缩、杠杆偏转而造成的横向荷载。利用循环液通过循环控温系统调控厚壁混凝土空心圆柱的温度，真实模拟能源桩热交换过程中的升温和降温过程。采用注水排水系统，对环形土样进行饱和、排水，模拟饱和土样在不同温度条件下桩周土和桩-土界面法向应力孔隙水压力的变化过程。在厚壁混凝土空心圆柱外壁布置相关传感器，采集桩-土界面法向压力及温度数据。通过传力杆轴力传感器和位移传感器，采集桩-土界面的摩擦力和相对剪切变形。通过数据的采集和分析，为冷、热循环作用下桩-土界面的力学行为特征及其演化过程的研究提供试验数据。本实用新型的试验设备对于掌握能源桩桩-土界面力学性能随温度的变化规律，揭示能源桩承载能力的特征，推动能源桩技术的推广和应用，具有重要的理论研究和工程应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的试验设备结构示意图；

图2是混凝土空心圆柱内换热管布置图；

图3是光纤传感器、土压力计和温度传感器安装示意图；

图4是桩-土界面局部图；

图5是底座剖面图；

图6是底座俯视图；

图7是底座三维图

图8是铟钢环主视图；

图9是铟钢环底部示意图；

图10是铟钢环顶部示意图；

图11是竖向加载系统俯视图。

附图编号：1.框架；2.杠杆；3.砝码；4.螺纹杆；5.传力杆；6.底座；7.厚壁混凝土空心圆柱；8.透水石；9.压板；10.空心圆环；11. 绝热材料；12.橡皮圈；13.通水孔；14.伺服步进电动机；15换热管.；16.土压力计；17.第一温度传感器；18.低温恒温槽；19.水泵；20.节流阀；21.流速计；22.第二温度传感器；23.压力传感器；24.孔隙水压力计；25.光纤传感器；26.荷载传感器；27.位移传感器；28.解调仪；29.注排水阀；30.排气阀。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型提出的一种能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备进行详细说明。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种能源桩桩-土界面力学行为特性试验设备，包括框架、竖向压力加载系统、桩-土界面模拟系统、循环控温系统、数据采集系统。

框架1优选钢架装置，作用是为本装置其它系统提供支撑点，钢架结构由槽钢和钢板无缝焊接而成，底板作了加宽处理，沿主梁和次梁长度方向作加强处理，钢架式框架提供了模拟试验的足够空间。其它能够支撑试验设备的材料亦可。

桩-土界面模拟系统包括底座6、混凝土空心圆柱7、透水石8、压板9、空心圆环10、绝热材料11、橡皮圈12。混凝土空心圆柱7采用厚壁，厚壁混凝土空心圆柱7能真实模拟实际工程中的桩，空心结构主要便于引出传感器的信号线。如图5至7所示，底座6上半部分中间为圆柱形空间，用于安装厚壁混凝土空心圆柱7，厚壁混凝土空心圆柱7安装在中间位置；底座6的右侧下部设有通水孔13，底座下部分空心且右侧开口，用于放置伺服步进电动机14。中间有一可上下移动的连接杆，伺服步进电动机14通过连接杆，以一定速率推动厚壁混凝土空心圆柱7，具有使桩-土界面发生剪切变形的作用。

如图3所示，厚壁混凝土空心圆柱7为空心结构，且外壁设有若干凹槽，用于安装土压力计16和第一温度传感器17，凹槽数量可根据需要布设的传感器数量决定。凹槽内径与传感器外径相匹配，采用环氧树脂将土压力计和温度传感器固定于凹槽内，信号线则通过厚壁混凝土空心圆柱空心结构导出，与外部解调仪28相连，然后连接到计算机，用于采集桩-土界面法向应力及温度数据。如图2所示，在厚壁混凝土空心圆柱内预埋换热管15，与外部换热管相连。

如图4所示，预制的混凝土空心圆柱安装于空心圆环内，二者圆心重合，在混凝土空心圆柱和空心圆环之间装入试验土体，分层压实，形成环形土样。利用混凝土空心圆柱与环形土样的接触面模拟桩-土界面。底板下部设有传压腔，与底座通水孔通过橡皮圈紧密连接，底板中间为空心结构，空心内径与厚壁混凝土空心圆柱外径相匹配，且通过橡皮圈到达密封目的，底板上部有一圆环凹槽，注水时能充分饱和土样排除孔隙内的空气。空心圆环10外围包裹绝热材料11，防止热量散失，底部绝热材料11开有五个圆孔，下部凸出钢柱穿过绝热材料11支撑上部荷载，既具有绝热作用，又能支撑上部荷载。

如图8、9和10所示，空心圆环10采用铟钢环，铟钢环热膨胀系数低，在变温条件下不产生形变，能约束土样的膨胀变形，且导热系数低，具有一定的绝热作用。

厚壁混凝土空心圆柱7能真实模拟实际工程中桩，其空心结构便于引出传感器的信号线。为防止注水排水过程中水体渗漏，在相关位置安装橡皮圈12，达到密封的目的。在温度升高过程中，厚壁混凝土空心圆柱7会向外膨胀压缩土体，在温度降低过程中，厚壁混凝土空心圆柱又会向内收缩，造成桩土之间的应力状态发生变化，真实模拟能源桩由于冷热循环而造成的桩土之间的相互作用。

循环控温系统包括换热管15、低温恒温槽18，循环水泵19、节流阀20、流速计21、第二温度传感器22，用于模拟夏季、冬季地热交换中桩体的降温及升温过程。低温恒温槽18包括加温器及降温器，循环液采用乙二醇的水基型防冻液，具有沸点高，挥发性小，粘度适中并且随温度变化小，热稳定性好等特点。低温恒温槽18周围可以用绝热材料聚苯乙烯泡沫塑料包裹，防止热量散失。循环水泵19将循环液泵入模拟桩体中，为循环液在导水管15及换热管中循环流动提供动力。在导水管15上，靠近水泵出水口处设置节流阀20用于调节导水管中循环液的流速，使管内水流为紊流状态，节流阀20也可以安装在导水管15上其他部位。在导水管进水及出水处布置第二温度传感器22。另布置流速计21，根据流速计21调整节流阀20达到控制流速的目的，通过进出口温度及循环液流速来控制模拟桩体的升温及降温过程。

数据采集系统包括桩-土界面微型土压力计16、温度传感器17、传力杆4上的轴力传感器23、底座孔隙水压力计24、分布式光纤传感器25、荷载传感器26及位移传感器27。在厚壁混凝土空心圆柱7外壁四周布置土压力计16及温度传感器17，采集桩-土界面的法向应力及温度数据，通过传力杆4上的轴力传感器23，测量竖向施加的荷载。底座孔隙水压力计24采集饱和土样孔隙水压力数据。在厚壁混凝土空心圆柱7外壁环向粘贴分布式光纤应变传感器25，与外部解调仪28相连，监测厚壁混凝土空心圆柱的径向变形。在厚壁混凝土空心圆柱7与衔接装置5之间及伺服步进电动机14与上部连接杆之间安装荷载传感器26及位移传感器27，用于监测剪切过程中桩-土界面的摩擦力与剪切位移。

注水排水系统包括通水孔13、注排水阀29、排气阀30 ；通水孔13通过底座6，与铟钢环10下部传压腔相接，注排水阀29安装在通水孔13外部。可以通过通水孔13、注排水阀29、排气阀30对土样进行饱和，在通水孔13外部安装孔隙水压力计24监测孔隙水压力的变化。

竖向压力加载系统可以采用直接加载竖向力的方式，也可以采用间接加载竖向力的方式。为了达到较好的效果，本实施例中，采用杠杆加载系统，包括杠杆2、砝码3、螺纹杆4、传力杆5，如图11所示，加载系统中有四个杠杆加载装置，呈辐射状分布，杠杆2一端通过钢轴连接在框架上，另一端施加砝码3，通过杠杆原理施加竖向荷载，螺纹杆4一端带有螺纹，通过螺帽连接在框架上，可上下移动。传力杆5上通过钢轴与杠杆2相连，下端与钢板接触，传递竖向荷载。当环形土样截面积较大时，辐射式加载系统能够提供较高的竖向荷载，且加载均匀，操作简单。

具体试验方法：

试验土样选择砂土，假设室内温度20℃。

准备工作：安装底座6，固定底座6螺栓，检查水阀29及通水孔13，运行伺服电动机14，检查是否能正常运作，后在相关位置安装位移传感27及荷载传感器22。放置土样之前在四周及底部放置绝热材料11，在厚壁混凝土空心圆柱内布置土压力计16、温度传感器17及分布式光纤传感器25，之后放入铟钢环10及透水石8并将装好传感器的厚壁混凝土空心圆柱安装在底座，在四周分层填入土样并压实，土样填好后放入透水石8及压板9并在压板上部放置绝缘材料11。在螺纹杆4与厚壁混凝土空心圆柱之间安装位移传感器27及荷载传感器26，将传力杆5安装在预定位置上，调整螺纹杆4并在其下部放入压力传感器23。

在底座6外侧安装孔隙水压力计24及水阀29，检查控温系统。

试验步骤：

首先利用杠杆加载系统，通过放置砝码对环状土样施加竖向荷载，利用静止侧压力原理使桩-土界面的法向应力达到一定值。该法向应力设定值根据实验需要具体设定，如50kPa，100kPa，200kPa等。

之后根据设计的试验条件，启用注水排水系统对环形土样进行饱和与排水。饱和：确定排气阀门24打开后通过通水孔13向环形土样缓慢注水，排除土样空隙中的空气并使土样饱和，之后关闭排气阀门24及注排水阀23（也可以在加载之前使土样达到饱和状态并进行加载）；排水：试验过程中始终开启注排水阀23；

利用循环水泵19将低温恒温槽18中的循环液泵入厚壁混凝土空心圆柱中，通过循环控温系统调控厚壁混凝土空心圆柱7的温度，记录流速计21数值，根据出入口水温调节节流阀20控制流速。

根据试验设计，当桩体和桩周土体温度达到试验要求，启动伺服电动机14，推动混凝土空心圆柱按设计速率运动，如0.02mm/min，使桩-土界面产生相对剪切，模拟实际桩-土界面在变温条件下的力学行为，得到桩土界面的摩擦力。除了速率之外，还可以控制混凝土空心圆柱的运动方式的其它方面，比如往返剪切或一次性的直线剪切、比如螺旋式剪切等等。

在试验全程过程中利用数据采集系统采集不同温度下桩-土界面法向应力、温度、孔隙水压力，厚壁混凝土空心圆柱的位移、径向变形、与环形土样的摩擦力等相关数据。

基于对本实用新型优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本实用新型并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本实用新型宗旨或范围的对本实用新型的许多显而易见的改变同样可能达到本实用新型的目的。