能源隧道熱交換對土體及結(jié)構(gòu)性能的影響研究

李玉成 李孟琳

(江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團有限公司，江蘇 南京 210007)

0 引言

能源隧道是一種將傳統(tǒng)地埋管地源熱泵技術(shù)的熱交換管路直接植入隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)的新型地溫能開發(fā)利用技術(shù)，同時承擔(dān)結(jié)構(gòu)和暖通雙重功能，利用隧道襯砌內(nèi)的熱交換管路提取隧道圍巖中的地溫能，經(jīng)地源熱泵提升后，實現(xiàn)隧道附近建筑的供熱/制冷服務(wù)(見圖1)，具有傳熱效果好、占地少、成本低等顯著優(yōu)點，解決了在城市中推廣地源熱泵技術(shù)中占地和成本高兩個主要障礙，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%以上[3-5]。

能源隧道與周圍土體熱交換勢必會改變土體溫度場，在夏季制冷工況向土體散熱會引起土體溫度升高約15 ℃～30 ℃，而在冬季供熱工況從土體取熱會導(dǎo)致土體溫度下降約15 ℃～20 ℃。不同土體的傳熱規(guī)律也具有顯著差異。

1 土體的熱力性能研究

1.1 溫度對土體變形性能的影響

相關(guān)研究結(jié)果表明，細(xì)粒土在單調(diào)加熱排水條件下的溫度響應(yīng)為：正常固結(jié)土加熱時產(chǎn)生熱收縮，且部分體積變化不可逆；強超固結(jié)土加熱時體積膨脹，冷卻時膨脹可以恢復(fù)；弱超固結(jié)土的熱學(xué)響應(yīng)介于兩者之間，土體在加熱時一開始體積膨脹隨后收縮，冷卻時體積收縮。不同土具體表現(xiàn)為膨脹還是收縮與土的OCR值有關(guān)。Campanella和Mitchell，Hueckel和Baldi對循環(huán)熱荷載作用下土體的變形響應(yīng)進行研究，研究表明正常固結(jié)黏土經(jīng)受第一次溫度循環(huán)荷載時就已經(jīng)完成了大部分不可逆的體積變形，之后相同幅度的溫度循環(huán)只產(chǎn)生很小的不可逆變形增量，循環(huán)次數(shù)越多，不可逆變形增量越少。

1.2 溫度對土體抗剪強度的影響溫度

溫度對土體抗剪強度的影響與土性、排水條件及應(yīng)力歷史等因素有關(guān)，Cekerevac等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)排水剪切條件下正常固結(jié)高嶺土在22 ℃～90 ℃范圍內(nèi)升溫對其摩擦角不產(chǎn)生影響，Alsherif的研究成果表明在23℃～64℃范圍內(nèi)升溫對粉土的摩擦角影響也不顯著，但Despax開展高嶺土在22 ℃～88 ℃范圍內(nèi)升溫不排水剪切實驗，研究發(fā)現(xiàn)其摩擦角隨著溫度升高而減小；歐孝奪[8]研究發(fā)現(xiàn)溫度對紅黏土和膨脹土的摩擦角和粘結(jié)力的影響程度顯著不同；Hueckel研究發(fā)現(xiàn)在不排水條件下土樣中的孔隙水壓力隨著溫度升高顯著上升，孔隙水壓的上升會導(dǎo)致有效應(yīng)力下降，而偏應(yīng)力不變，最終導(dǎo)致土樣破壞；白冰[5]研究發(fā)現(xiàn)紅黏土的最大孔壓接近了圍壓，在升溫過程中排水會提高土體固結(jié)抗剪強度，溫度持續(xù)時間越長強度增長越大；Cekerevac對比了恒溫20 ℃和升溫至90 ℃條件下不同超固結(jié)比高嶺土排水剪切試驗，正常固結(jié)土的峰值強度在溫度升高后有所提高，對超固結(jié)土峰值強度的影響不大，但是升溫和常溫下的殘余強度卻沒有差別，說明溫度并不影響土體的臨界狀態(tài)。

1.3 溫度對土體剛度的影響

Cekerevac測試了超固結(jié)和正常固結(jié)土升溫后的初始割線模量，研究發(fā)現(xiàn)90℃下的初始割線模量比室溫狀態(tài)下有所提高；Abuel研究得出溫度升高和循環(huán)溫度荷載作用后的割線模量均會提高，且溫度循環(huán)作用后的模量更高；Burghignoli研究發(fā)現(xiàn)僅升溫并不影響切線體積模量和割線模量，而溫度循環(huán)荷載對其有增加作用。

2 考慮溫度效應(yīng)的結(jié)構(gòu)—土相互作用

國內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)開展了能源樁樁—土相互作用研究，代表成果如下：Lalou等開展了不同溫差下的冷熱循環(huán)荷載和建筑物加載條件下能源樁的力學(xué)響應(yīng)試驗，試驗結(jié)果表明：在溫差(ΔT=21 ℃)條件下，由于溫度變化在樁身甚至產(chǎn)生高達1 300 kN的附加荷載；Bourne-Webb等人發(fā)現(xiàn)樁身側(cè)阻力明顯受到溫度變化的影響，進而影響到樁基豎向承載力；Amatya對已有的能源樁足尺試驗成果整理發(fā)現(xiàn)，在樁的熱膨脹/收縮階段樁土接觸面的滑動摩擦力發(fā)生變化；程曉輝等人開展了保持樁頂加載條件下施加溫度荷載下的樁身結(jié)構(gòu)響應(yīng)現(xiàn)場試驗，研究發(fā)現(xiàn)冷熱循環(huán)導(dǎo)致了樁頂累計沉降；Wang B在1g條件下進行了樁—土接觸面模型試驗測量溫度對摩阻力的影響，試驗得出濕度2%和4%的砂中的摩阻力大約是干砂的2倍，溫度升高40 ℃，濕度2%的砂中的摩阻力大約是干砂的1/2，溫度導(dǎo)致了土體中的水分遷移，從而對樁側(cè)摩力產(chǎn)生影響；McCartney等開展能源樁離心機模型試驗，研究發(fā)現(xiàn)隨著管內(nèi)流體與管外土層溫差的增加，樁的側(cè)摩阻力增大，土與樁基的相互作用增強。

3 能源隧道熱力性能

能源隧道傳熱模型及其解析，研究了通風(fēng)和地下滲流對能源隧道長期運行性能和地溫恢復(fù)的影響，當(dāng)?shù)叵滤疂B流速度為1×10-4m/s時，洞內(nèi)未通風(fēng)時，地下水滲流場上下游的溫差為1.2 ℃；當(dāng)隧道通風(fēng)后，地下水滲流場上下游處的最大溫差為2.9 ℃；當(dāng)?shù)叵滤疂B流速度為5×10-4m/s時，洞內(nèi)未通風(fēng)時，地下水滲流場上下游的溫差為0.7 ℃；當(dāng)隧道通風(fēng)后，地下水滲流場上下游處的最大溫差為2.6 ℃，隧道通風(fēng)加劇了圍巖地溫場分布不均勻。

在分析溫度應(yīng)力時，取整個隧道斷面來進行溫度應(yīng)力的分析會相對復(fù)雜，溫度應(yīng)力集中表現(xiàn)在熱交換管周圍的襯砌內(nèi)，因此分析所關(guān)心的是單個熱交換管周圍襯砌內(nèi)所產(chǎn)生溫度應(yīng)力的大小。在溫度場分析模型的基礎(chǔ)上，取包含拱頂三個熱交換管斷面的扇形來作為溫度應(yīng)力分析的簡化模型，并且針對中間的一個熱交換管周圍襯砌內(nèi)的溫度應(yīng)力進行分析。計算分析表明，熱交換管附近有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，但是影響范圍較小，基本都在以熱交換管為中心10 cm半徑的圓內(nèi)；襯砌結(jié)構(gòu)因溫度變化產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力達到了0.7 MPa，而C25混凝土的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為16.7 MPa，溫度應(yīng)力占到抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的4.2%；熱交換管周圍最大拉應(yīng)力為0.035 MPa，相對于C25混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa，占到混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的2%。

4 結(jié)語

1)研究表明溫度變化對土體的強度和變形性能具有顯著影響，但室內(nèi)試驗結(jié)果無法精確體現(xiàn)土體的熱力行為，迫切需要從宏觀角度去研究天然賦存條件下土體的熱力特征，利用原位測試技術(shù)精確感知土體的熱力響應(yīng)。

2)研究表明溫度對樁—土的相互作用產(chǎn)生了顯著影響。軟土地層中的能源隧道受力機理與能源樁雖存在差異，但也有相似之處，能源隧道結(jié)構(gòu)—土相互作用研究是在其應(yīng)用中急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

3)國內(nèi)外學(xué)者對能源隧道提取地溫能對其結(jié)構(gòu)及周圍土體長期熱力性態(tài)影響的研究不足。

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