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第一部分 能量桩物理模型试验3

第1章 能源地下结构周围土体的热力学响应3

1.1 引言3

1.2 土体热力学特性5

1.3 土体热本构模型11

致谢18

参考文献18

第2章 能量桩足尺现场试验21

2.1 能量桩热响应测试21

2.1.1 桩身应变与桩身温度测试21

2.1.2 桩端阻力测试24

2.1.3 桩周土体特性测试24

2.2 足尺现场试验概况26

2.2.1 单桩现场试验26

2.2.2 群桩现场试验28

2.2.3 试验步骤30

2.3 能量桩热力学特性32

2.3.1 分析方法32

2.3.2 单桩热力学响应特性32

2.3.3 群桩热力学响应特性35

2.4 本章小结37

参考文献38

第3章 能源地下结构现场试验39

3.1 引言39

3.2 热量储存与转化40

3.2.1 概述40

3.2.2 能量释放／吸收率41

3.2.3 热应力场45

3.3 热力学效应50

3.3.1 概述50

3.3.2 温度对结构的影响50

3.3.3 温度引起的土体-结构相互作用54

3.4 本章小结57

致谢58

参考文献58

第4章 能量桩缩尺模型试验研究67

4.1 引言67

4.2 常规桩基缩尺模型试验67

4.2.1 边界条件68

4.2.2 力学荷载加载系统69

4.2.3 测试方法69

4.2.4 桩体力学特性70

4.3 能量桩缩尺模型试验71

4.3.1 试验装置71

4.3.2 热力耦合作用下能量桩力学特性73

4.3.3 热量交换75

4.3.4 桩-土接触面77

4.3.5 试验结果与分析78

4.4 本章小结80

致谢80

参考文献80

第5章 能量桩离心机缩尺模型试验研究83

5.1 引言83

5.2 土体-结构接触面热力响应特性84

5.3 离心机模型试验原理84

5.4 离心机模型组成85

5.4.1 模型制作及其特点85

5.4.2 试验装置87

5.5 摩擦型桩基离心机模型试验89

5.5.1 土体试样特性89

5.5.2 工况A：隔热条件下极限承载特性90

5.5.3 工况B：热力耦合作用下的应力-应变关系94

5.6 本章小结97

致谢97

参考文献98

第二部分 能源地下结构数值模型103

第6章 能源地下结构的多样性应用103

6.1 小型分布式桥面除冰系统103

6.1.1 小型桥梁桩基的热能需求及其相关特性104

6.1.2 桩基模型105

6.1.3 数值模拟结果与分析108

6.2 热交换锚杆113

6.2.1 技术特征及其应用114

6.2.2 研究方法114

6.2.3 产热优化设计116

6.2.4 热传递引起的力学特性117

6.3 本章小结118

致谢119

参考文献119

第7章 竖向循环荷载下能量桩承载特性数值分析121

7.1 引言121

7.2 附加热荷载下桩基承载特性122

7.3 循环荷载下Modjoin桩-土接触面本构模型124

7.4 循环热荷载下能量桩特性数值分析126

7.4.1 对上部构建物的影响128

7.4.2 桩身轴力128

7.4.3 桩侧动摩擦力129

7.5 能量桩优化设计建议130

7.5.1 上部荷载等级对能量桩的影响130

7.5.2 能量桩对桩-筏基础的影响131

7.6 本章小结133

致谢133

参考文献133

第8章 非饱和土中的能源地下结构135

8.1 引言135

8.2 升温引起土体中水分迁移136

8.3 非饱和土中热体积变化138

8.4 土体强度和刚度热效应140

8.5 非饱和土中热效应引起的水力特性141

8.6 土-土工合成材料相互作用热效应143

8.7 本章小结145

致谢145

参考文献145

第9章 制冷需求为主气候下能源地下结构153

9.1 引言153

9.2 气候因素对土体环境及性能的影响153

9.3 非饱和、饱和土热性能和热传递155

9.4 能源地下结构对周围土体的影响156

9.4.1 模型试验设计156

9.4.2 数值模型157

9.4.3 模型试验及数值模拟结果160

9.4.4 足尺桩模型162

9.5 能量桩足尺现场试验163

9.6 本章小结165

致谢166

参考文献166

第10章 能量桩对周围土体的瞬时热扩散影响169

10.1 引言169

10.2 热传递现象170

10.2.1 土体参数170

10.2.2 瞬时变化中的能量守恒171

10.3 能量桩热扩散数值模型172

10.3.1 能量桩内部热扩散二维模型173

10.3.2 桩周土体热扩散三维模型176

10.4 长期热交换的影响177

10.4.1 地下水流对热扩散的影响177

10.4.2 循环热荷载下的耐久性179

10.5 本章小结181

致谢181

参考文献181

第11章 基于能量桩的桥面除冰系统183

11.1 引言183

11.2 地源热泵加热桥面184

11.3 地源热泵桥面除冰系统的热传递过程及能量需求计算185

11.4 数值模拟及结果分析187

11.5 本章小结193

致谢193

参考文献194

第三部分 工程实例199

第12章 能源地下结构应用199

12.1 引言199

12.2 规划和设计200

12.2.1 合作与交流200

12.2.2 设计管理200

12.2.3 其他系统设计201

12.2.4 认识和技能培训202

12.3 施工205

12.3.1 质量控制要求205

12.3.2 安装与施工细节206

12.4 系统的集成与调试226

12.5 本章小结226

致谢228

参考文献228

第13章 Thermo-pile能量桩设计软件231

13.1 基本假设231

13.2 数学模型与数值实现231

13.2.1 荷载传递方法231

13.2.2 荷载引起的位移233

13.2.3 温度变化引起的位移234

13.3 计算方法的验证235

13.4 能量桩桩-筏结构236

13.4.1 常规方法237

13.4.2 积分常数确定238

13.4.3 算例分析240

13.5 本章小结241

致谢242

参考文献242

第14章 苏黎世机场航站楼现场试验研究243

14.1 航站楼工程概况243

14.2 能量桩系统设计过程244

14.2.1 能量桩系统概念244

14.2.2 需要解决的问题244

14.2.3 初步计算245

14.2.4 第二次验算246

14.2.5 第三次最终计算248

14.2.6 基于TRNSYS软件的数值模拟249

14.3 PILESIM软件249

14.4 系统设计与测量点布置250

14.5 实测的系统热性能251

14.6 系统的集成优化254

14.7 本章小结255

致谢255

参考文献255

作者列表257