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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