螺旋型埋管能源桩传热模型的适用性及其试验验证

传热模型的精确性直接关系到能源桩换热效率的计算精度,进而影响能源桩设计。以螺旋型埋管能源桩为研究对象,在信阳地区开展了一项现场原位试验,实测获得了螺旋型埋管能源桩换热过程中的桩周温度场数据,并分别与圆柱面热源模型和线圈热源模型的计算成果进行了对比分析。研究成果显示有限长热源模型较无限长热源模型具有更高的计算精度,有限长线圈热源模型较有限长圆柱面热源模型具有更高的计算精度,采用有限长线圈热源模型计算的桩壁温度误差<1.5%,桩周温度场计算误差<2.5%,地埋管进出口水温计算误差<2.2%,故将其推荐为螺旋型埋管能源桩桩周温度场的计算模型。最后,探索了不同传热模型针对螺旋型埋管能源桩的适用性,为指导螺旋型埋管能源桩设计提供了科学依据。     

不同桩体温度下能量管桩承载力特性模型试验研究

能量管桩是在传统ＰＣＣ桩或预应力管桩基础上研发的一种新型的桩埋管形式能量桩技术,埋管方便、热传导效率高;然而,针对不同温度下该新型能量桩承载力特性的研究相对较少。基于模型试验方法,在桩内预埋导热管、利用导热管中的循环导热液体对桩体施加温度,续而开展温度影响下能量管桩的静载荷试验,测得不同温度影响下能量管桩的荷载－位移关系曲线、桩身应力－应变关系曲线等变化规律,并对能量管桩在实际运行过程中的承载特性与受力机理进行了初步讨论与分析。试验结果表明,能量管桩在饱和砂土中的竖向承载力随着桩体温度的升高而增大,反之,则减小;桩体温度每升高１℃,能量管桩桩基极限承载力近似提高１．５％。     

上混下钢组合桩竖向承载性能有限元分析

基于有限元方法建立上混下钢组合桩有限元模型,探究组合桩桩径、桩径比、钢管段长度等因素对上混下钢组合桩桩身侧摩阻力、轴力分布的影响,分析各参数对上混下钢组合桩竖向承载性能的影响规律。研究表明,组合桩侧摩阻分布及承载力主要受桩径影响,随桩径增加承载力增加,且比同条件下ＰＨＣ桩承载力略微降低;不同桩径比下组合桩侧摩阻力及桩轴力在接桩位置处产生突变,且突变随桩径比减小而加剧。工程设计中选用内接型式上混下钢组合桩时,应根据工程地质条件从沉桩性能、竖向承载性能以及经济性综合确定组合桩桩径、桩径比及钢管段长度。     

地埋滴灌在沙土地的水分运移试验研究

针对沙土地地区降雨少、蒸发大、田间持水量小的特点,在王杨兴沙土地进行了地埋滴灌试验,在测坑剖面测量了湿润峰在横向和纵向上的变化幅度,利用TDR测量了含水率随时间的变化,分析了不同灌水量、不同埋管间距对水分在沙土地中运移的影响。结果表明:湿润峰在相同灌水量下,埋管间距越小、湿润峰越大、交汇面积越大,形成的湿润层越厚;在相同间距下,灌溉水量越大、湿润峰纵面上扩散面积越大、湿润层越厚。土壤水分的变化在垂向上呈近似二次曲线分布,且随时间的推移水分的变化逐渐趋于水平。本研究初步了解了沙土地地埋滴灌条件下水分的运移规律,为在沙土地区推广节水灌溉提供依据。     

南方短时冻土的热物理性质及抗压强度特征

为探讨在极端冰雪条件下南方短时冻土的热物理性质及强度特征,在湖北、湖南、广西等地选取典型土样,对初始含水量不同的土样在不同温度下进行热物理参数和单轴抗压强度试验。结果表明：冻土的干密度越大,导热系数越大;含水量越大,导热系数越大;随着温度的升高,冻土的破坏应变呈现出增大的趋势,应力-应变曲线表现为弱应变软化型或应变硬化型,即冻土的塑性增强;冻土抗压强度随温度的降低而增大;相同温度条件下,饱水后冻土的单轴抗压强度大于等于饱水前的强度。     

冻结管引起的周围土体温度场演变规律及参数化分析

针对稳定线性冷源热传导问题,为研究人工冻结法冻结管周围土体温度场的瞬态变化,基于冻结锋面将土体分为冻结区及降温区,构建相应人工冻结相变温度场模型,并采用变量替换法得到冻结温度场解析解,利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布。将理论解析计算结果与冻结槽试验结果进行比对,验证了理论封闭解的有效可靠性,并进一步通过参数化分析了与土体传热介质冻结温度场演变规律有关的初始温度、冻结温度、冻结温差、结冰潜热、盐水温度和冻结管吸热系数等影响因素的敏感性。结果表明:冻结锋面半径与冻结时间存在着平方根关系,冻结温度场呈对数型函数分布,且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小;土体初始温度、冻结温度、结冰潜能和盐水温度与冻结锋面半径均呈负相关,冻结管吸热系数与冻结锋面半径呈正相关;土体冻结温差、土体结冰潜能和冻结管吸热系数与土体冻结锋面半径的发展均呈现近似线性关系,传热介质初始温度和盐水温度对冻结锋面半径随冻结时间变化的对数型曲线曲率影响最大,结冰潜热和冻结管吸热系数次之,冻结温度最小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和进一步形成规范及指导冻结法施工技术具有重要意义。     

热处理北山花岗岩热传导特性研究

高放废物地质处置库围岩的热传导特性是影响处置库布局和处置单元间距优化的关键因素之一。以北山花岗岩为研究对象,开展岩石在不同温度(200～800 ℃)处理后的热传导试验,探讨热处理对岩石导热系数的影响规律,分析其与常规物理参量的内在联系,揭示热处理岩石导热特性的饱水效应。研究结果表明:①岩样导热系数随热处理温度的升高而降低,导热系数的衰减速率在550～650 ℃阶段达到峰值;②随热处理温度的升高,岩样质量、干密度和纵波波速总体呈下降趋势,而岩样体积和孔隙率则逐渐增大,根据导热系数与纵波波速、孔隙率及干密度的关系,建立了热处理岩样导热系数的预测模型;③热处理前,饱水岩样的导热系数比干燥岩样增加了9.7%～12.1%,且两者呈近似线性增加的趋势;④热处理后,饱水岩样的导热系数随热处理温度的升高呈轻微下降趋势,且导热系数的饱水效应随孔隙率的增加呈近似线性增大。研究结果可为高放废物处置工程的设计和优化提供理论基础。     

砂土中钻井船插桩对邻近群桩影响的模型试验

为研究钻井船作业过程中桩靴贯入对邻近群桩的影响，在砂土层中开展了1g条件下的1×2型群桩模型试验，邻近桩桩头条件为固定桩头，桩间距为2.5倍桩径。通过对桩靴贯入土层前和桩靴贯入土层过程中邻近群桩中近桩靴桩的弯矩的测量，得出沿桩身弯矩随桩靴贯入土层深度的变化规律，并与相同净间距单桩桩身响应情况对比。将同一时刻群桩桩身最大弯矩相对于单桩桩身最大弯矩的增长率定义为弯矩增大系数，通过弯矩增大系数的变化研究插桩对邻近群桩效应的影响及插桩对邻近群桩效应的影响随净间距的变化。研究表明:与桩靴贯入土层前相比，桩靴的贯入使邻近群桩效应减弱，且随着净间距的增加，插桩对邻近群桩效应的影响越来越小，净间距超过1倍桩靴最大直径时，建议可以不考虑插桩对邻近群桩的影响。     

刚柔组合桩截面优化设计方法

分析了刚性桩与柔性桩对沉降量的影响。对于柔性桩，随着桩径、桩长的增大，沉降量呈线性减小,桩径的变化对减小沉降量影响更为明显;而由于持力层深度的影响,刚性桩桩长对于沉降量表现出非线性变化的规律。对考虑造价情况下刚柔组合桩优化设计进行了分析,在相同造价情况下,柔性桩、刚性桩桩长增大对控制沉降量的效果优于增大桩径。     

基于多相复合材料的混凝土导热系数预测模型

混凝土温度场分析是混凝土结构耐久性以及服役寿命预测的重要依据,而导热系数则是确定时变温度场分布的主要参数。考虑材料组成的非均质性,将混凝土视为由连续相水泥砂浆、分散相粗骨料以及二者薄弱界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并基于复合材料导热系数模型,建立了混凝土及其组成单元(水泥砂浆和ITZ界面)导热系数的计算模型;在此基础上,对比分析了水灰比、粗骨料体积分数、砂率、饱和度和界面热阻等因素对混凝土导热系数的影响规律。结果表明:混凝土导热系数随饱和度、粗骨料体积分数的增加而增大,随水灰比的增大而减小;考虑界面热阻的混凝土导热系数预测模型,能够更好地揭示饱和度与砂率对混凝土导热系数的影响机理。     

PCC能量桩换热效率数值模拟分析

PCC能量桩是一种在现浇大直径管桩(PCC桩)桩体内进行开放式埋管的新型能量桩技术;具有传热效率高、方便检修与维护等技术优势。基于数值模拟方法,建立PCC能量桩、传统能量桩换热效率分析数值模型;该文通过与相关模型试验结果的对比分析,验证数值模型的准确性和可靠性;继而,探讨进/出水口布置形式、传热液体等因素对PCC能量桩换热效率的影响规律。研究结果表明,相同条件下,PCC能量桩换热效率较常规能量桩高;PCC能量桩内开放式传热管布置形式影响换热效率。     

能量桩传热性能影响因素的数值模拟与分析

基于数值模拟的方法,运用ＡＢＡＱＵＳ软件建立模型,分别对能量桩的桩长、桩径、换热管数、换热 液流速和土体类型进行了敏感性分析,得到不同条件下能量桩的换热量。结果表明:能量桩的单位长度 换热量与桩径、流速、土体导热系数成正比,与桩长成反比。在单Ｕ、双Ｕ、三Ｕ型能量桩中,双Ｕ型能量 桩的单位长度换热量最高。     

大型炼厂软弱地基PHC管桩现场试验与分析

针对大型炼厂工程软弱地基处理的复杂性,开展了PHC管桩的现场试验,完成了PHC管桩施工后的低应变、高应变动力测试及单桩水平、抗压静载荷试验。基于低、高应变测试结果分析了桩身质量及完整性;以高应变测试和静载荷试验结果验证了单桩承载能力;对不同桩径的PHC管桩经济性做了比较分析。静载荷试验结果表明,PHC管桩单桩承载力能达到设计要求;PHC管桩桩径为400 mm时,桩长对单桩极限承载力影响较大,桩径为500 mm或600 mm时,桩长影响较小;同一桩长的单桩极限承载力随桩径增大而增大,不同桩长的增大形式存在差异;灌芯桩比不灌芯桩单桩水平承载力提高50%以上;从经济角度考虑,抗压PHC管桩首选500,桩端持力层选择强风化-中风化泥岩或全风化-中风化砂岩为宜。      

夹泥灌注桩的光纤传感检测模型试验

为了进一步提高灌注桩基检测水平,介绍基于分布式光纤传感技术的监测原理并设计相关的试验模型,制作含泥量分别为0, 33.3%, 50%, 66.7%, 100%的5种夹泥桩,对不同夹泥桩的光纤温升进行测量,分析不同夹泥桩中光纤温升规律,研究加热功率大小对光纤温升的影响及含泥量对光纤温升的影响。分析结果表明温升与加热功率具有良好的线性关系;光纤温升随含泥量增加而增加,呈现先缓后快的增加规律;光纤温升与其所处桩身介质的结构和导热系数密切相关;该模型试验验证了分布式光纤传感技术用于夹泥灌注桩完整性检测的可行性,也可为基于该技术桩基检测的理论完善提供参考。     

大直径现浇混凝土薄壁筒桩在围海工程中的应用研究

介绍了大直径现浇混凝土薄壁筒桩的特点及其单桩承载力的计算、筒桩结构海堤的设计计算及海堤的施工流程．该桩型质量可靠、造价低、承载力高，能有效地提高地基承载力和减小地基沉降，非常适合于在围海工程中应用．     

基于环形旋转射流的预掺混扩散器水力特性试验研究

预掺混扩散器在污水出流前掺入其周围的水进行预先稀释,可增强初始稀释度,减小混合区范围。为进一步提高扩散器的稀释水平,本文提出了一种基于环形旋转射流的新型预掺混扩散器,在进流方式以及排放形式方面另辟蹊径,并系统地研究了该扩散器射流的温度场、流场和内部压力分布。研究结果表明:该预掺混扩散器稀释性能稳定,流量放大倍比约为2.5,排口处温升极值可降低约50%,1.2倍排口直径处可降低约80%;排口后环形旋转射流无速度核心区,存在内掺混机制,极值温升及流速沿喷距呈幂函数衰减规律,具有更短的射程和更强的掺混稀释能力,对迅速缩减污染带十分有利;水头损失系数较小,约为2.4。采用该预掺混扩散器,可在离岸较近的浅水区域获得较常规扩散器深排的稀释效果,进而缩短排污输水管道、降低工程投资。     

井筒式泵装置水力特性数值模拟

基于k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用商用CFD软件,对井筒式泵装置进行了三维流动数值仿真计算。通过对性能曲线的分析,发现设计工况下,进水管直径较大时效率较高。对比进出水损失发现,进水损失随着流量增大而增大,出水损失随着流量增大先减后增。通过分析VX云图和流线图,发现进口管直径较小时,流速较大,形成的漩涡也较大,漩涡区域涡量为大管径时的2倍以上。对叶轮进口断面轴向流速分布均匀度的分析,得到进水管较大时,叶轮进口的流速均匀度较高,但在流量超过330L/s的工况下差异不明显。从喇叭管进口断面平均涡量的计算分析中,得到喇叭管进口断面平均涡量随着流量增大而增大,且进水管直径较大时,平均涡量小,减小超过20%。     

基于DTS的灌注桩完整性检测方法研究

为了完善DTS应用于灌注桩完整性检测的理论,基于有内热源的径向热传导理论和试验,针对桩径为300,400,600,1 000 mm的灌注桩,对沿桩中心轴线方向内置光纤热源的热传导特征进行研究;取最大过余温度1 K,对加热功率与温度场的相关性进行计算分析。确定了桩体内置光纤热源径向热传导特征、桩径、加热功率的定量关系,分析了DTS检测桩缺陷对光纤布线及加热功率的要求,最后给出了考虑DTS测试精度的合理光纤加热功率的确定方法。