摘要
摘要
能量桩是一种由地源热泵技术与桩基埋管换热器结合组成的利用浅层地热
能的节能减排技术，在对建筑物进行加热和制冷的过程中，能量桩承受上部建
筑物荷载的同时还受到温度荷载的影响，而桩体与土体受温度影响会产生径向
与轴向的膨胀或收缩变形，从而引起结构的热力学响应。桩-土界面荷载传递特
性对评估桩身沉降和承载力都至关重要，但已有研究中对桩-土之间存在热交换
时的界面剪切特性研究较少，而在实际工程中能量桩的桩-土之间始终处于热交
换的状态，因此对桩-土之间存在热交换时的界面剪切特性进行研究十分必要。
本文自制了代表性界面单元的温控试验装置并开展了两类界面剪切试验，分别
是存在桩-土温差的热平衡状态下的桩-砂土界面剪切试验与恒定温度下桩-砂
土界面的剪切试验，着重探讨了不同的温度作用对桩-砂土界面剪切特性的影响，
并对荷载传递规律进行了总结，提出了相应的荷载传递函数。本文主要的研究
内容和取得的成果如下：
研发了应力-温度控制的能量桩的桩-土界面荷载传递特性试验系统，新系
统的试验对应于不同深度的能量桩代表性单元，在模拟出实际土体应力水平的
同时，实现在温控条件下对桩-土界面剪应力的直接测量。并通过多组平行试验
进行了验证，试验结果表明使用新系统试验所得到的结果具有良好的可重复性，
进一步证明了新试验系统的合理性。
开展了恒定温度环境下桩-砂土界面剪切试验，在此基础上进一步开展了桩
-土存在温差且达到热平衡状态下的桩-砂土界面剪切试验，测试了桩-砂土界面
剪应力与桩土相对位移关系的温度效应。研究结果表明，桩-砂土界面剪应力随
着桩土相对位移的增加呈现出明显的软化现象，桩-土界面的极限剪应力会随着
界面温度的增加而增加。此外，桩-砂土界面的极限剪应力不仅与界面处的温度
有关，还与桩-土之间存在的温差有关，这是由于桩土间不同的温度分布导致了
土体不同的热变形并改变了界面的正应力，而界面的摩擦角基本没有变化。
基于试验结果提出了便于工程实践应用并适用于桩土径向存在温差情况的
代表性单元荷载传递函数（t-z曲线），并使用所提出的荷载传递模型对文献中
的能量桩沉降进行了计算，对比实测结果表明新模型相较传统界面模型更加吻
合实际监测结果。
关键词：能量桩；单元试验；应力-温度控制；界面剪切；荷载传递函数
I
Abstract
Abstract
Energypileisaenergysavingandemissionreducingtechnologytouse
shallowgeothermalenergy,whichincludesgroundsourceheatpumpcombinedwith
tubeheatexchangerburiedinpiles.Intheprocessofheatingandcooling,energy
pileissubjectedtobothmechanicalloadandthetemperatureload,whileradial
expansionorcontractiondeformationinevitablyoccurs.Theloadtransfer
characteristicsofthepile-soilinterfacearecriticaltotheassessmentofbothpile
foundationsettlementandloadbearingcapacity，Inpracticalengineeringenergy
pilesarealwaysinastateofheatexchangebetweenthepileandthesoil.Therefore,
itisnecessarytoinv