能量桩是一种通过在桩基中埋设热交换管,实现上部建筑与土体进行热交换而获取浅层地温能的新技术。加热或制冷过程中,能量桩承担上部建筑荷载的同时还受到温度变化的影响,而桩体和土体受温度影响会产生膨胀或收缩,引起结构的热力学响应。已有研究主要集中在能量桩热响应方面,而对桩体热力耦合效应的研究仍相对较少。本文采用模型试验、数值模拟及理论分析相结合的方法,对循环温度作用下能量桩单桩竖向荷载传递机理与承载特性进行了系统研究,着重探讨了埋管形式对能量桩热力耦合效应的影响,并初步探讨了能量桩单桩极限承载力计算方法。本文开展的主要研究内容和取得的成果如下:(1)开展了有无外部荷载和不同土体压实度下的能量桩热力耦合效应模型试验,揭示了桩端土压力和桩侧水平土压力受温度影响的变化机理,获得了桩体应变、应力、侧摩阻力分布规律以及桩顶位移的变化规律。研究结果表明,桩侧水平土压力值与桩顶上部荷载无关,加热后桩体应力沿深度分布规律发生变化,自然恢复后,外部荷载作用下桩顶也产生了不可恢复的沉降位移;桩侧土体相对密实度对桩体的热膨胀约束较为明显。(2)开展了桩体两端刚度约束、桩基埋管形式及环境温度对能量桩热力耦合效应影响的数值模拟,研究了桩顶上部荷载约束刚度和桩端土体约束刚度对位移零点位置以及桩体热应力分布的影响,对比分析了W型和单U型桩体的桩顶横截面倾斜度变化规律,提出了减少桩顶非均匀沉降的方法,进一步探讨了外界环境的热对流对桩体温度以及桩顶位移的影响。研究结果表明,位移零点分别随着桩顶上部荷载和桩端土体约束刚度的增大而上移和下移,热应力则逐渐增大,并且分别沿深度减小和增加;相同温差梯度下,单U型埋管形式桩体的倾斜度约为W型桩的2倍;环境温度对桩体温度的变化有一定影响,而对桩顶位移的影响较小,当考虑外界温度的热对流时,其温度的深度影响范围达到了17%L。(3)开展了不同埋管形式对能量桩热力学特性影响的模型试验,对比分析了单U型、螺旋型、W型埋管桩的桩体和桩周土体温度、桩端土体压力、桩侧水平土压力、桩体热应力以及桩顶位移的差别,进一步研究了温度变化引起的热应力和桩顶位移对结构安全的影响,研究结果表明,W型埋管桩变化最为明显、继而依次为螺旋型和单U型;W型桩在制冷过程中产生的拉应力和桩顶沉降位移对结构的安全性影响较大。研发了一种新型埋管形式的能量桩,综合新型能量桩的传热性能和力学响应,其对结构安全影响较小,适用性较强。(4)开展了长期温度循环下能量桩热力耦合效应研究,揭示了多次温度循环作用下土体的储热机理,获得了桩体内部的应力积累和桩顶位移的长期沉降变化规律。开展了能量桩极限承载力模型试验,得到了不同温度和温度循环下桩体的荷载-沉降曲线,在此基础上,对比分析了1次、3次和5次冷热循环后桩体极限承载力的差别,进一步探讨了干燥和饱和条件、土体密实度、不同埋管形式对桩体极限承载力的影响。研究结果表明,桩基极限承载力随着温度的增加而增大,1次冷热循环后,桩体极限承载力基本无变化,而多次冷热循环后桩体极限承载力下降明显;土体密实度较大、埋管形式换热量较大时桩体极限承载力变化较为明显。(5)建立了能量桩桩侧摩阻力和桩端阻力影响因子以及基于β法的能量桩极限侧摩阻力计算方法。基于已有现场试验和部分模型试验,提出影响因子λ和η,分别对桩侧摩阻力和桩端阻力的变化进行分析。给出λ和η的变化区间以及平均值,进一步分析了不同承载类型桩体的影响因子变化规律以及温度变化的影响。基于已有规范的β推荐值,结合现场试验,提出适用于能量桩的β参考值。