[发明专利]能量桩－土荷载、温度传递机理模型试验装置和试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑桩基础和地源热泵的模型试验，具体地说是一种能量桩－土荷载、温度传递机理模型试验装置和试验方法，特别是涉及一种可视化能量桩－土荷载、温度传递机理模型试验装置和试验方法。

背景技术

地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水等温度相对稳定的特性，通过消耗少量电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。直接将换热管埋于建筑物的混凝土桩基中称作能量桩，它可以有效解决专门埋管的施工步骤和地埋管占用地下空间等问题，从而大大节省工程造价，近年来逐渐得到工程技术人员的关注。但是，如何确定冷热循环作用下桩－土之间能量传递规律，及其温度对桩基承载力的影响规律，是直接影响能量桩技术推广应用的关键。

文献1《能量桩换热管不同埋设方式储热模拟研究》（赵嵩颖，等. 建筑节能，2012，40(11): 66-67，74.）、文献2《地源热泵桩基与钻孔埋管换热器换热性能比较》（桂树强，等. 土木建筑与环境工程，2013，35(3): 151-156.）基于数值模拟软件，分析了能量桩桩－土之间能量传递规律。该方法可以揭示桩基温度变化情况下，桩周土体温度场的变化规律；但是基于数值模拟软件的分析方法，往往由于受限于土体参数及材料本构模型的选择、桩－土接触面形式的设置、以及数值模型准确性与可靠性验证等因素影响而无法真实可靠的分析温度变化对桩基承载力的影响规律。

文献3《螺旋埋管地热换热器的线圈热源模型及其解析》（李新，等. 热能动力工程，2011，26(4): 475-479.）、文献4《地埋管换热器和能量桩传热性能研究》（张正威，等. 第21届全国结构工程学术会议[C]. 2012，pp: 76-86.）基于理论分析方法，建立了桩－土传热理论计算模型。该方法可以揭示桩－土能量传递规律；但是基于理论模型的分析方法，往往由于边界面假定、理论模型基本假设等因素影响而无法考虑复杂的真实地质情况下的桩－土之间能量传递规律。

文献5《地下连续墙内埋管换热器传热性能的试验研究》（孙猛，等. 中国矿业大学学报，2012，41(2): 225-230.）基于上海自然博物馆地下连续墙内埋管的传热性能进行了现场试验研究，分析了埋管布置形式、循环水流速、进水温度和运行模式对换热效果的影响。该方法可以真实的测得温度影响下桩－土之间能量传递规律，以及温度影响下桩基承载力值；但是，常规的试验条件下桩身轴力、桩体温度以及桩周土体温度都是点式、埋入式的，而且现场试验费用昂贵；由于地质条件的差异，现场试验所得到的结果，可推广性小。

全氟环状聚合物，英文名为Cytop，产品形状不规则，由日本旭硝子公司（网址http://www.agcce.eu.com/Cytop.asp）研发和生产，其折射率为1.34，透光率为95﹪，容重为2.03g/㎝³，吸水性＜0.01﹪，线膨胀系数7.4×10～5㎝/㎝/℃。主要应用于半导体制造中的保护膜涂料，通讯光纤等方面。

冰晶石（Cryolite）是一种矿物，化学名为六氟铝酸钠（Na₃AlF₆），单斜晶系，柱状晶体或块状体，无气味，易吸水受潮，熔点1009℃，摩氏硬度2.5，密度2.97 g /㎝³～3.0g/㎝³，折射率1.338～1.339，双折射率0.001，正光性，色散值0.024，玻璃光泽至油脂光泽，透明，无色、白色、褐色或红色，产于侵入片麻岩的花岗岩及伟晶岩脉中，主要产地为格陵兰，可用氢氟酸法、氟硅酸法、碳酸化法等方法人工合成。主要用作铝电解的助熔剂；也用作研磨产品的耐磨添加剂，可以有效提高砂轮耐磨，切，削力，延长砂轮使用寿命和存储时间；铁合金及沸腾钢的熔剂，有色金属熔剂，铸造的脱氧剂，链烯烃聚合催化剂，以及用于玻璃抗反射涂层，搪瓷的乳化剂，玻璃的乳白剂，焊材的助熔剂陶瓷业的填充剂，农药的杀虫剂等行业企业。

氟化钙，化学式为CaF₂，俗称萤石或氟石，透明度高，无色结晶或白色粉末，难溶于水，微溶于无机酸，熔点1402℃，沸点2497℃ ，折射率为1.434，密度3.18g/cm³。可用碳酸钙或氢氧化钙用氢氟酸溶解，将所得溶液浓缩，或向钙盐水溶液中加入氟离子，得到氟化钙的胶状沉淀，经精制可得。实验室一般用碳酸钙与氢氟酸作用或用浓盐酸和氢氟酸反复处理萤石粉来制备氟化钙。主要用于冶金、化工和建材三大行业，其次用于轻工、光学、雕刻和国防工业。