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深层埋管式能源桩用于桥面融雪的热力耦合特性研究
| 论文题名： | 深层埋管式能源桩用于桥面融雪的热力耦合特性研究 |
| 关键词： | 深层埋管式能源桩;桥面融雪;热力耦合;荷载传递;传热过程 |
| 摘要： | 冬季降雪天气，行车安全事故频发。采用清洁、可再生的地热能进行桥面融雪，是解决冬季桥面行车安全问题的绿色方法。能源桩，既作为桩基础承受上部结构荷载，又作为地源热泵系统进行热量交换，可为桥面提供热源用于桥面融雪，降低成本，且绿色低碳。 本文提出了一种深层埋管式能源桩，换热管底部不是埋于桩内，而是穿透桩底埋入更深处的土体，因此换热管的长度可不受限于桩长，且换热效率高。本文首先研究桩内及桩周土中温度场的分布及变化规律、整体换热效率影响因素。在对单桩进行了分析之后，进一步对群桩进行研究，探求深层埋管式能源桩在换热方面的“群桩效应”。随后进行了能源桩热力耦合解析解研究，对能源桩在热力耦合作用下的荷载传递机制和相关响应进行研究。最后以冬季深层埋管式能源桩的热响应输出作为桥面加热的输入条件，将深层埋管式能源桩的吸热过程与桥面加热的放热过程进行耦合，探究基于深层埋管式能源桩的桥面融雪模型的传热过程。本文主要研究内容如下： (1)进行了深层埋管式能源桩单桩换热性能数值研究。建立了数值模型，并与文献中的实验和数值研究进行比较和验证。与传统的能源桩进行了比较。进行了参数分析，以研究各参数对换热性能的影响。研究结果表明：深层埋管式能源桩展示出优异的热性能。换热效率随管深与桩长之比的增加而增加。 (2)进行了深层埋管式能源桩群桩换热性能数值研究。进行了单桩验证和群桩验证。将两种布置中的三种典型位置的桩与单桩进行了比较。进行了参数分析，以研究各参数对群桩换热性能的影响。进一步对间歇运行模式进行研究并与持续运行模式对比。研究结果表明：对于群桩，桩间距的增加导致换热效率的增加。在间歇运行模式下，桩的温度呈现出可恢复性，而土体的温度则逐渐升高。 (3)利用荷载传递法推导了轴向应力、应变和位移的解析解。分别讨论了三种情况下双层土体中能源桩热力耦合解析解。利用求得的解析解进一步研究各参数对双层土体中能源桩热力耦合响应的影响。研究结果表明：土层侧向约束直接影响轴向位移，但轴向位移变化的斜率基本不变，只是整体横向移动，轴向拉应变和轴向压应力的变化趋势一致。 (4)研究了基于深层埋管式能源桩的桥面融雪模型的传热过程。进行了模型验证和初步分析。提出了三个评价指标。研究了各参数对基于深层埋管式能源桩的桥面融雪模型的传热过程的影响。研究结果表明：管深与桩长之比越大，评价指标均越大。而不同桩径之间的几乎没有区别。 |
| 作者： | 吕伟东 |
| 专业： | 岩土工程 |
| 导师： | 蒲诃夫 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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