冬季工况多次温度循环下微型钢管桩群桩热力响应特性学习体会

文献概况与工程背景

本文由河南理工大学任连伟、徐健与河海大学孔纲强、刘汉龙等合作完成，发表于2019年《岩土工程学报》第41卷第11期，页码2053至2060。研究受国家自然科学基金项目（51778212）资助，依托微型钢管桩加固既有基础托换工程，开展了冬季工况多次温度循环下微型钢管桩群桩的热力响应现场试验。能量桩技术兼具支撑上部结构和浅层地热能换热器双重功能，是节能减排领域的重要新技术。

试验方案与关键参数

试验依托实际工程现场，采用微型钢管桩群桩作为研究对象，在冬季工况下施加多次温度循环，实测不同间歇时长情况下桩身温度与应力变化规律，并探讨不同运行模式下的桩基换热性能系数（COP, Coefficient of Performance）。微型钢管桩的直径通常较小（一般不超过100毫米），其热力响应特性与大型能量桩存在显著差异。

热力响应特性分析

试验结果表明，桩身附加温度应力随循环次数增加而增大，且随间歇时间的延长而减小。这一现象的物理机制在于：多次温度循环导致桩周土体热影响区不断累积，桩身温度梯度增大，热应力随之增加；而延长间歇时间使桩周土体有充分时间恢复热平衡，从而降低了后续循环中的附加应力。

桩基COP随循环次数增加而减小，且随间歇时间的延长而增大。COP降低的原因是多次循环后桩周土体温度趋于稳定，传热温差减小导致换热效率下降；间歇时间延长则有利于土体温度恢复，提升下一循环的换热驱动力。

安全性评估与工程设计意义

试验确认附加拉应力未超过设计控制范围，不会导致桩体破坏，这为能量桩在寒冷地区的应用提供了安全性依据。从钢管桩制造工艺角度看，微型钢管桩通常采用ERW（电阻焊）或HFW（高频焊）工艺制造，其焊缝质量直接影响桩体在温度应力作用下的疲劳寿命。在多次温度循环工况下，焊缝区域作为应力集中部位，应作为质量控制的重点环节。

学习心得与工程启示

本文的研究将能量桩技术从概念验证推进到现场试验阶段，其成果对寒冷地区地热能利用具有重要的工程参考价值。从焊接与材料角度分析，微型钢管桩在反复温度循环中承受的交变热应力属于低周疲劳范畴，其疲劳寿命评估应纳入设计考量。此外，群桩效应（pile group interaction）在热力响应中的作用值得进一步研究，因为桩间热影响区重叠会显著改变单桩的热力行为。本文的研究为微型钢管桩在既有基础加固与地热能利用的复合应用中提供了宝贵的现场数据支撑。