[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

说明书

本发明属于岩土工程技术领域，公开了一种相变混凝土能量桩模型实验装置及其实验方法，该装置包括相变混凝土能量桩模型、冷热循环系统和量测系统。通过掺合不同配比的相变复合骨料，可探究相变混凝土能量桩中相变材料配比的最优值；通过在相变混凝土能量桩模型内部设置微型热交换管，微型热交换管和冷热循环水泵连接，可对桩身温度有效控制，实现冷热循环；桩内和桩身分别设置光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，可测量桩身温度和应变分布；桩周土体布设温度传感器阵列，可实现对桩周土体温度变化值的测量；桩头设置力传感器和位移计，可对桩头荷载和位移进行精确实时测量和记录。本发明结构简单，经济适用，可操作性强，易于实现。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种能量桩的室内模型实验，尤其涉及一种相变混凝土能量桩模型实验装置及其实验方法。

背景技术

能量桩技术是一种利用浅层地热源的新型节能减排技术，对于改善传统的石化能源结构，促进社会的发展具有重要意义。该技术将换热管和传统混凝土灌注桩有机结合，兼具桩基础和地源热泵作用，既能承担上部建筑荷载，又能提高地源热泵的换热效率，同时还能大幅度降低造价，解决换热管占用地下空间问题，具有一举多得的优势。

相变材料通过物态变换来完成吸放热过程，因其高效廉价的特点，该过程被广泛用于各行各业的能量的暂时存储。将相变混凝土封存于微胶囊、硅藻土、陶粒等多孔介质中，可形成具有优良物理力学性能的新型骨料。相变混凝土即将相变复合骨料掺入到混凝土中，可以达到吸水泥水化热，避免大体积混凝土水化热集聚产生内应力的目的。

传统能量桩桩身由普通混凝土组成，其具有热导率高、比热容低的特点，而桩周土体则恰恰与此相反，具有热导率低、比热容高的特点。因此，桩土间热传输效率较低，热量难以及时充分地从桩身换热管传输到桩周土体，从而降低了能量桩的换热效率。热量的集聚也会导致桩土界面性质发生改变，从而对桩身承载力产生较大影响。

因此，相变混凝土能量桩可以克服普通混凝土能量桩的缺点和劣势，将相变混凝土引入到能量桩设计中，可提高能量桩的换热效率和热力耦合作用下能量桩长期承载能力，对于能量桩技术的发展和推广具有重要意义。然而，目前尚未有关于相变混凝土能量桩的相关研究资料和文献，也未见相关实验手段和装置。

发明内容

本发明目在于克服现有的相变混凝土能量桩研究的不足，提供一种相变混凝土能量桩模型试验装置及其实验方法，可对相变混凝土能量桩展开一系列研究，从而揭示其在热力耦合作用下的应力应变机理。

本发明的技术方案：

一种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12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；所述的光纤光栅温度传感器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。