热交换桩是一种将换热管与建筑桩基紧密结合的新型基桩,具有节能环保、经济高效、耐久稳定等众多优点。关于热交换桩的研究主要涉及传热效率和桩基热力学特性两个关键问题。目前,国内外已经开展了大量的研究工作,但主要集中于传热效率方面,对热交换桩热力学特性方面的成果较少,尚未引起足够重视。本文通过大型模型试验、有限元模拟分析对热交换桩在循环温度荷载作用下的承载力特性、桩土沉降、热流固响应等方面开展了相应的研究。(1)通过不同温度荷载作用下的热交换桩静载荷试验,对热交换桩承载力特性进行研究。分析测得的温度、孔压、桩顶沉降、土体表面沉降、桩身轴力以及载荷-沉降曲线,试验结果表明:(1)单纯加热有助于热交换桩单桩承载力的提高;热交换桩在经受循环温度作用后,单桩承载力大于普通桩,且随着循环次数的增多,单桩承载力逐渐增大。这是由于加热过程中土体发生热固结,相当于进行地基处理,土体强度提高。(2)桩顶在竖向压力作用下,桩身轴力沿深度方向逐渐减小,这是由于受到桩土界面摩擦作用的影响。(3)温度升降引起桩土竖向位移发生显著的变化,且降至室温后产生不可恢复的塑性变形,超过加温之前的沉降量,这是由于在温度循环的过程中,土体发生热固结,产生了固结沉降。(2)室温下在桩顶分级施加恒定荷载,然后对桩体循环加热,研究温度循环对热交换桩正常使用状态的影响。试验结果表明:(1)同一时刻,桩体温度沿深度方向逐渐减小。升温引起土体产生超孔隙水压力,且距桩侧越近,达到峰值所需的时间越短。(2)在长期的温度循环作用下,因温度变化所产生的塑性变形会不断地累积,但变形量会逐渐减小。(3)加热条件下,热交换桩桩身发生膨胀变形,引起桩身多处出现桩侧负摩阻力作用,且随桩顶荷载水平的上升,桩侧负摩阻力的大小和分布范围逐渐减小。(4)桩土温度升降会引起桩身轴向应变产生显著的变化,且桩顶附近桩身轴向应变变化相对平缓,这是由于桩顶部与外界空气相接,温度变化较小。(3)利用Abaqus有限元软件,以模型试验为原型,建立热交换桩桩土有限元模型,对比分析模拟结果与试验结果,验证模型的可靠性。然后分析计算了实际工程中不同循环温度和循环次数对热交换桩单桩承载力以及正常使用工况的影响,结果表明:(1)温度作用有助于单桩承载力的提高,其规律与模型试验一致。(2)热循环过程将显著改变桩顶和土体表面的沉降量,同时产生不可恢复的塑性变形,其规律与模型试验一致。这可能会对上部结构产生危害,在分析设计中需要给予足够的重视。(3)当热交换桩处于加热状态下,桩身会产生比较大的温度应力,且最大附加压应力位于桩身中下部位置,这是由于加热使桩土膨胀,桩身中下部的约束作用比较强。(4)当热交换桩处于加热状态下,随着温度循环次数的增多,桩身压应力会逐渐减小,且在靠近桩顶和桩底处减小量较大,这是由于在长期的温度循环作用下,桩周土体逐渐固结,同时土体强度不断变大,桩土界面摩擦作用增强。