本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种能量桩的室内模型实验，尤其涉及一种相变混凝土能量桩模型实验装置及其实验方法。
背景技术：
能量桩技术是一种利用浅层地热源的新型节能减排技术，对于改善传统的石化能源结构，促进社会的发展具有重要意义。该技术将换热管和传统混凝土灌注桩有机结合，兼具桩基础和地源热泵作用，既能承担上部建筑荷载，又能提高地源热泵的换热效率，同时还能大幅度降低造价，解决换热管占用地下空间问题，具有一举多得的优势。
相变材料通过物态变换来完成吸放热过程，因其高效廉价的特点，该过程被广泛用于各行各业的能量的暂时存储。将相变混凝土封存于微胶囊、硅藻土、陶粒等多孔介质中，可形成具有优良物理力学性能的新型骨料。相变混凝土即将相变复合骨料掺入到混凝土中，可以达到吸水泥水化热，避免大体积混凝土水化热集聚产生内应力的目的。
传统能量桩桩身由普通混凝土组成，其具有热导率高、比热容低的特点，而桩周土体则恰恰与此相反，具有热导率低、比热容高的特点。因此，桩土间热传输效率较低，热量难以及时充分地从桩身换热管传输到桩周土体，从而降低了能量桩的换热效率。热量的集聚也会导致桩土界面性质发生改变，从而对桩身承载力产生较大影响。
因此，相变混凝土能量桩可以克服普通混凝土能量桩的缺点和劣势，将相变混凝土引入到能量桩设计中，可提高能量桩的换热效率和热力耦合作用下能量桩长期承载能力，对于能量桩技术的发展和推广具有重要意义。然而，目前尚未有关于相变混凝土能量桩的相关研究资料和文献，也未见相关实验手段和装置。
技术实现要素：
本发明目在于克服现有的相变混凝土能量桩研究的不足，提供一种相变混凝土能量桩模型试验装置及其实验方法，可对相变混凝土能量桩展开一系列研究，从而揭示其在热力耦合作用下的应力应变机理。
本发明的技术方案：
一种相变混凝土能量桩模型实验装置，包括相变混凝土能量桩模型4、冷热循环系统和量测系统；
所述的相变混凝土能量桩模型4为预制桩，浇筑时将微型热交换管5固定于钢筋笼17上，沿桩身纵向布置；桩身内部沿纵向也布置有光纤光栅温度传感器3和光纤光栅应变传感器2；桩头设置有加载盖板9、力传感器11及传力杆12，荷载通过传力杆12加到桩头上；
所述的冷热循环系统包括冷热循环水泵8、出水管6和进水管7组成；所述的冷热循环水泵8通过出水管6和进水管7与相变混凝土能量桩内部微型热交换管5连接，实现对桩体施加冷热循环荷载的目的；
所述的量测系统包括光纤光栅温度传感器阵列1、光纤光栅温度传感器3、光栅光纤应变传感器2、光纤光栅解调仪15、计算机16、位移计10和力传感器11；所述的光纤光栅温度传感器阵列布设于桩周土体13中，测量桩周土体13在冷热循环过程中温度的改变；所述的光纤光栅温度传感器3在相变混凝土能量桩模型4内部沿桩身布置，测量冷热循环过程中温度沿桩身深度的分布；所述的光栅光纤应变传感器2布置于相变混凝土能量桩模型4侧壁，测量实验过程中桩身应变的改变；所述的光纤光栅解调仪15分别与计算机16和光纤光栅传感器连接，实时读取和记录相应的测量数据；所述的位移计10布置于桩头加载盖板9上，测量相变混凝土能量桩桩头位移；所述的力传感器11和传力杆12连接，测量桩头荷载。
所述的相变混凝土能量桩模型的混凝土中掺合不同配比的相变复合骨料，具体比例按照实验需求选择，桩身进行打磨，设置不同粗糙度。
所述的微型热交换管材质优选为聚乙烯管，形式为U形、W形、双U形、双W形和螺旋形。
所述的桩周土体为不同含水率的砂土或粘土，为原状土或重塑土。
一种相变混凝土能量桩模型实验方法，步骤如下：
(1)根据实验需求，选择合适的微型热交换管5和钢筋笼17，将微型热交换管5和光纤光栅温度传感器3分别设置于钢筋笼13内，而后预制相应的相变混凝土能量桩模型4；将桩身打磨至实验所需的粗糙度，桩侧沿桩身开槽口，布置光纤光栅应变传感器后，使用氰基丙烯酸乙酯胶水填充、密闭；将相变混凝土能量桩模型4和光纤光栅温度传感器阵列1布置于桩周土体13中；桩头处依次安置加载盖板9、力传感器11和传力杆12；将位移计10布置于加载盖板9上；
(2)将进水管7和出水管6分别与相变混凝土能量桩内的微型热交换管5相连接；调试冷热循环水泵8；将光纤光栅温度传感器阵列1、光纤光栅温度传感器3、光纤光栅应变传感器2连接到光纤光栅解调仪15上，而后将解调仪连接15到计算机16上，进行传感器和仪器的调试；
(3)按照实验计划对相变混凝土能量桩施加冷热循环荷载；在实验过程中，读取并记录桩头荷载、桩头位移、桩周土体13温度变化、桩身温度分布、桩身应变分布以及冷热循环液的实时温度；
(4)根据记录的测量数据，分析得出以下关系：冷热循环次数的对桩身应力应变、桩侧摩阻力、桩身轴力以及桩周土体温度扰动范围的影响；不同种类和不同含水率土体对于热力耦合作用下相变混凝土能量桩的作用机理的影响；热力耦合作用下，不同相变复合骨料配比对于相变混凝土能量桩的换热效率和长期承载性能的影响；仅冷循环、仅热循环和冷热循环分别对于相变混凝土能量桩的桩头沉降和承载能力的影响；冷热循环时桩身温度分布规律。
本发明的有益效果：通过掺合不同配比的相变复合骨料，可探究相变混凝土能量桩中相变材料配比的最优值；通过在相变混凝土能量桩模型内部设置微型热交换管，微型热交换管和冷热循环水泵连接，可对桩身温度有效控制，实现冷热循环；桩内和桩身分别设置光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，可测量桩身温度和应变分布；桩周土体布设温度传感器阵列，可实现对桩周土体温度变化值的测量；桩头设置力传感器和位移计，可对桩头荷载和位移进行精确实时测量和记录。本发明结构简单，经济适用，可操作性强，易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例的整体布置示意图。
图2是本发明实施例的相变混凝土能量桩的横截面示意图。
图3是本发明实施例的相变混凝土能量桩的侧面示意图。
图中：1光纤光栅温度传感器阵列；2光纤光栅应变传感器；3光纤光栅温度传感器；4相变混凝土能量桩模型；5微型热交换管；6出水管；7进水管；8冷热循环水泵；9加载盖板；10位移计；11力传感器；12传力杆；13桩周土体；14模型箱；15光纤光栅解调仪；16计算机；17钢筋笼。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。
如图1所示为本发明的整体布置示意图，包括相变混凝土能量桩模型4、冷热循环系统和量测系统。
相变混凝土能量桩模型4为预制桩，浇筑时将微型热交换管5固定于钢筋笼上，沿桩身纵向布置；桩身内部沿纵向也布置有光纤光栅温度传感器3；桩头设置有加载盖板9，并与力传感器11及传力杆12相连接，荷载通过传力杆12加到桩头上。
冷热循环系统包括冷热循环水泵8、出水管6和进水管7组成。冷热循环水泵8可制备不同设定温度的冷水和热水，通过出水管6和进水管7与相变混凝土能量桩4内部微型热交换管5连接，实现桩体冷热循环的目的。
量测系统包括光纤光栅温度传感器阵列1、光纤光栅温度传感器3、光栅光纤应变传感器2、光纤光栅解调仪15、计算机16、位移计10和力传感器11。光纤光栅温度传感器阵列1布设于桩周土体13中，可测量桩周土体13在冷热循环过程中温度的改变；光纤光栅温度传感器3在相变混凝土能量桩4内部沿桩身布置，可测量冷热循环过程中温度沿桩身深度的分布；光栅光纤应变传感器2布置于相变混凝土能量桩模型4侧壁，可测量实验过程中桩身应变的改变；光纤光栅解调仪15分别与计算机16和上述光纤光栅传感器连接，可实时读取和记录相应的测量数据；位移计10布置于桩头加载盖板上，可测量相变混凝土能量桩4桩头位移；力传感器11和传力杆12连接，可测量桩头荷载。
使用时，本发明的具体技术步骤如下：
第一步，根据实验需求，选择合适的微型热交换管5形式和钢筋笼17，将微型热交换管5和光纤光栅温度传感器3分别设置于钢筋笼17合适的位置上，而后预制相应的相变混凝土能量桩模型4；微型热交换管5材质优选为聚乙烯管，形式为U形、W形、双U形、双W形和螺旋形等(本实施例选为U形)；将桩身打磨至实验所需的粗糙度，桩侧沿桩身开细槽，布置光纤光栅应变传感器2后，使用氰基丙烯酸乙酯胶水填充、密闭；将相变混凝土能量桩模型4和光纤光栅温度传感器阵列1布置于桩周土体13中；桩周土体13可为不同含水率的砂土和粘土，可为原状土和重塑土(本实施例为干砂，重塑土)；桩头处依次安置加载盖板9、力传感器11和传力杆12；将位移计10布置于加载盖板9上。
第二步，将进水管7和出水管6分别与相变混凝土能量桩模型4内部的微型热交换管5相连接；调试冷热循环水泵8；进水管7和出水管6流速和温度按照实验需求进行设置(本实施例流速为2.8L/min，制冷温度为3℃，制热温度为50℃)；将光纤光栅温度传感器阵列1、光纤光栅温度传感器3、光纤光栅应变传感器2连接到光纤光栅解调仪15上，而后将解调仪15连接到计算机16上，进行传感器和仪器的调试。
第三步，按照实验计划对相变混凝土能量桩模型4施加冷热循环荷载；在实验过程中，读取并记录桩头荷载、桩头位移、桩周土体温度变化、桩身温度分布、桩身应变分布以及冷热循环液的实时温度。
第四步，分析测量所得数据，得出以下关系：冷热循环次数的对桩身应力应变、桩侧摩阻力、桩身轴力以及桩周土体温度扰动范围的影响；不同种类和不同含水率土体对于热力耦合作用下相变混凝土能量桩的作用机理的影响；热力耦合作用下，不同相变复合骨料配比对于相变混凝土能量桩的换热效率和长期承载性能的影响；仅冷循环、仅热循环和冷热循环分别对于相变混凝土能量桩的桩头沉降和承载能力的影响；冷热循环时桩身温度分布规律等。