[发明专利]一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统及测试方法

权利要求书

1.一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统，其特征在于：所述实验测试系统由实验箱体(1)、模型能量桩(4)、恒温进口边界模拟系统、渗流模拟系统、数据采集系统构成；所述实验箱体(1)通过渗流多孔板(2-1)与(2-2)将实验箱体(1)的内部空间分割成渗流给水区(1-1)、砂土填充区(1-2)、渗流集水区(1-3)；所述渗流给水区(1-1)内设有第一带孔支撑板(3-1)、第二带孔支撑板(3-2)、第三带孔支撑板(3-3)；所述渗流集水区(1-3)内设有第四带孔支撑板(3-4)、第五带孔支撑板(3-5)、第六带孔支撑板(3-6)；所述砂土填充区(1-2)内设有模型能量桩(4)及回填砂土(5)；所述模型能量桩(4)由内置换热器(4-1)和回填混凝土(4-2)构成；所述恒温进口边界模拟系统由恒温水浴(6)、第一流量计(7-1)、调节阀(8)、第一循环水泵(19-1)及保温管道(9)连接构成；所述恒温水浴(6)通过保温管道(9)与内置换热器(4-1)的进出口连接而构成循环系统；所述渗流模拟系统由渗流给水箱(10-1)、渗流给水管(10-2)、渗流补水管(10-3)、渗流补水箱(10-4)、渗流给水箱水位控制器(10-5)、第二循环水泵(19-2)、渗流集水箱(11-1)、渗流集水管(11-2)、渗流集水箱溢水管(11-3)及第二流量计(7-2)构成；所述渗流给水箱(10-1)通过渗流给水管(10-2)与实验箱体(1)的渗流给水区(1-1)连通；所述渗流补水箱(10-4)通过渗流补水管(10-3)与渗流给水箱(10-1)连通；通过渗流给水箱水位控制器(10-5)控制第二循环水泵(19-2)以实现所述渗流给水箱(10-1)水位的控制；所述渗流集水箱(11-1)通过渗流集水管(11-2)与实验箱体(1)的渗流集水区(1-3)连通，且渗流集水管(11-2)上连接有流量计(7-2)；所述渗流给水箱(10-1)与渗流集水箱(11-1)的设置高度可调节，以通过控制渗流给水箱（10-1）与渗流集水箱(11-1)的水位高度差来调节渗流速度；所述渗流模拟系统中渗流水由渗流给水区(1-1)经渗流多孔板(2-1)水平流过砂土填充区(1-2)后，经渗流多孔板(2-2)流入渗流集水区(1-3)；所述数据采集系统包括换热特性与力学特性数据采集系统；所述换热特性数据采集系统由温度探头(12)、温度采集仪(13)及温度信号传输线构成；所述力学特性数据采集系统由百分表(14)、土压力盒(15)、应变计(16)、应变仪(17)、埋入式测缝计(18)及力学特性信号传输线连接构成；

能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统使用时，测试方法如下：

1)、能量桩热-力耦合特性实验工况：此实验工况下不使用渗流模拟系统，渗流给水箱(10-1)与渗流集水箱(11-1)均不充水，能量桩在无渗流时的干砂土中运行；此时，开启恒温水浴(6)模拟不同的进口水温工况，通过换热特性与力学特性数据采集系统来分别获得能量桩在不同进口水温工况下的热力耦合特性；

2)、能量桩热-流-力耦合特性实验工况：此实验工况下使用渗流模拟系统，渗流给水箱(10-1)与渗流集水箱(11-1)均充水，通过调整两水箱的水位高度差来模拟湿砂土中不同的地下水流状况，能量桩在有渗流时的饱和湿砂土中运行；此时，开启恒温水浴(6)模拟不同的进口水温工况，通过数据采集系统来获得能量桩在不同进口温度下的热-流-力耦合特性；

3)、能量桩桩土界面作用特性实验工况：此实验工况下，可分为有渗流与无渗流两种情况，渗流模拟系统具体设置同上；主要测量桩身及桩周土体的温差及位移变化来获得能量桩运行过程中桩土间相互作用而对传热量及桩身承压能力变化的影响；通过改变恒温水浴设定温度来获得不同进口温度下桩土界面特性的变化；通过更换桩周土体来获得不同土壤类型及不同土壤压实度对桩土界面作用特性的影响。

2.根据权利要求1所述的一种能量桩热-流-力耦合特性实验测试系统，其特征在于：所述实验箱体(1)采用PVC板材热熔焊接而成，其中砂土填充区(1-2)一侧板采用透明PVC板通过螺栓连接，以便于模型能量桩(4)与砂土(5)的更换及渗流水位的观测；实验箱体(1)的尺寸通过模拟计算后以实验周期内温度不干扰到箱体边界为依据来确定。