能量桩作为一种利用浅层地热能的新能源技术,兼备地源热泵换热和桩基承载作用,在未来具有一定的推广价值。但由于桩身换热过程存在热传导较为复杂、承载受温度-力学场耦合作用和热物性参数分布不均匀等问题,在实际施工中难以进行科学便捷地工程设计,因此建立相应的传热和力学解析模型以及可靠性设计方法并在Python中进行编译,对能量桩技术的发展和完善具有重要意义。传热模型方面,针对传热理论解析模型过于复杂、难以求解的问题,将能量桩换热过程分为循环液热交换、桩身和桩周土热传导三部分,总结归纳现有经验函数,引入曲线拟合、阶段求和等方法构建温度响应G-函数来表征流体、桩身和桩周土的换热效果,并讨论桩径和周围土体热物性对换热效果的影响规律。建立线热源和有限元模型,施加全年周期的热荷载与G-函数进行温度变化量的对比,验证函数模型在长时间周期换热表现的准确度。力学模型方面,为掌握温度和机械荷载共同作用下能量桩热-力耦合力学特性,以热膨胀中性点为位移零点,通过位移协调的方法改进传统荷载传递模型,建立热-力耦合荷载传递法,研究温度、剪切强度和边界刚度等参数对桩身耦合力学表现分布的影响。同时,量化土性沿埋深方向的变异性、考虑温度对荷载传递函数的改变,改善力学解析模型,进一步分析室内模型试验和实际工程案例,通过实测值对比解析值验证模型的有效性。可靠性设计方面,结合贝叶斯公式和马尔科夫链随机过程(M-H算法)处理钻孔数据,优化参数的概率分布形式来表征土性的不均匀性。将参数组合代入传热和力学解析模型,通过蒙特卡洛循环模拟确定不同桩型在换热和承载的失效概率,得到备选可行域。此外,本文还拓展研究了群桩传热和承载性能的解析模型。建立了双桩传热有限元模型分析临桩间热干扰程度,转化为双桩换热效率计算方法并推广到群桩换热;综合考虑Mindlin解和热致侧摩阻力分布,求解能量桩周围土中竖向应力,并结合应力叠加原理建立群桩力学效应的计算方法。最后,整合G-函数、荷载传递法和群桩效应对能量桩排桩基础案例进行分析,验证了解析模型的准确性。