[发明专利]一种相变混凝土能量桩模型实验装置及其实验方法

权利要求书

1.一种相变混凝土能量桩模型实验装置，其特征在于，所述的相变混凝土能量桩模型实验装置包括相变混凝土能量桩模型(4)、冷热循环系统和量测系统；

所述的相变混凝土能量桩模型(4)为预制桩，浇筑时将微型热交换管(5)固定于钢筋笼(17)上，沿桩身纵向布置；桩身内部沿纵向也布置有光纤光栅温度传感器(3)和光纤光栅应变传感器(2)；桩头设置有加载盖板(9)、力传感器(11)及传力杆(12)，荷载通过传力杆(2)加到桩头上；

所述的冷热循环系统包括冷热循环水泵(8)、出水管(6)和进水管(7)组成；所述的冷热循环水泵(8)通过出水管(6)和进水管(7)与相变混凝土能量桩内部微型热交换管(5)连接，实现对桩体施加冷热循环荷载的目的；

所述的量测系统包括光纤光栅温度传感器阵列(1)、光纤光栅温度传感器(3)、光栅光纤应变传感器(2)、光纤光栅解调仪(15)、计算机(16)、位移计(10)和力传感器(11)；所述的光纤光栅温度传感器阵列(1)布设于桩周土体(13)中，测量桩周土体(13)在冷热循环过程中温度的改变；所述光的纤光栅温度传感器(3)在相变混凝土能量桩模型(4)内部沿桩身布置，测量冷热循环过程中温度沿桩身深度的分布；所述的光栅光纤应变传感器(2)布置于相变混凝土能量桩模型(4)侧壁，测量实验过程中桩身应变的改变；所述的光纤光栅解调仪(15)分别与计算机(16)和光纤光栅传感器连接，实时读取和记录相应的测量数据；所述的位移计(10)布置于桩头加载盖板(9)上，测量相变混凝土能量桩桩头位移；所述的力传感器(11)和传力杆(12)连接，测量桩头荷载。

2.根据权利要求1所述的相变混凝土能量桩模型实验装置，其特征在于，所述的相变混凝土能量桩模型的混凝土中掺合不同配比的相变复合骨料，具体比例按照实验需求选择，桩身进行打磨，设置不同粗糙度。

3.根据权利要求1或2所述的相变混凝土能量桩模型实验装置，其特征在于，所述的微型热交换管材质优选为聚乙烯管，形式为U形、W形、双U形、双W形和螺旋形。

4.根据权利要求1或2所述的相变混凝土能量桩模型实验装置，其特征在于，所述的桩周土体为不同含水率的砂土或粘土，为原状土或重塑土。

5.根据权利要求3所述的相变混凝土能量桩模型实验装置，其特征在于，所述的桩周土体为不同含水率的砂土或粘土，为原状土或重塑土。

6.一种相变混凝土能量桩模型实验方法，其特征在于，步骤如下：

1)根据实验需求，选择合适的微型热交换管(5)和钢筋笼(17)，将微型热交换管(5)和光纤光栅温度传感器(3)分别设置于钢筋笼(13)内，而后预制相应的相变混凝土能量桩模型(4)；将桩身打磨至实验所需的粗糙度，桩侧沿桩身开槽口，布置光纤光栅应变传感器后，使用氰基丙烯酸乙酯胶水填充、密闭；将相变混凝土能量桩模型(4)和光纤光栅温度传感器阵列(1)布置于桩周土体(13)中；桩头处依次安置加载盖板(9)、力传感器(11)和传力杆(12)；将位移计(10)布置于加载盖板(9)上；

2)将进水管(7)和出水管(6)分别与相变混凝土能量桩内的微型热交换管(5)相连接；调试冷热循环水泵(8)；将光纤光栅温度传感器阵列(1)、光纤光栅温度传感器(3)、光纤光栅应变传感器(2)连接到光纤光栅解调仪(15)上，而后将解调仪连接(15)到计算机(16)上，进行传感器和仪器的调试；

3)按照实验计划对相变混凝土能量桩施加冷热循环荷载；在实验过程中，读取并记录桩头荷载、桩头位移、桩周土体(13)温度变化、桩身温度分布、桩身应变分布以及冷热循环液的实时温度；

4)根据记录的测量数据，分析得出以下关系：冷热循环次数的对桩身应力应变、桩侧摩阻力、桩身轴力以及桩周土体温度扰动范围的影响；不同种类和不同含水率土体对于热力耦合作用下相变混凝土能量桩的作用机理的影响；热力耦合作用下，不同相变复合骨料配比对于相变混凝土能量桩的换热效率和长期承载性能的影响；仅冷循环、仅热循环和冷热循环分别对于相变混凝土能量桩的桩头沉降和承载能力的影响；冷热循环时桩身温度分布规律。