Геотермальные сооружения: экспериментальная оценка перераспределения напряжений в группах свай 2 × 2 в условиях асимметричной тепловой нагрузки

Введение. Энергетические сваи все чаще используются для решения проблем устойчивой энергетики. Понимание того, как тепловая нагрузка влияет на распределение напряжений в группах свай, важно для оптимизации их конструкции и функциональности. Цель исследования — выяснить механизмы передачи напряжений и их влияние на работу группы свай.

Материалы и методы. Для исследования термомеханического поведения групп свай 2 × 2 под асимметричной тепловой нагрузкой использован подход физического моделирования 1g. Проведено три испытания, в каждом из которых группа с 1, 2 или 3 энергетическими сваями подвергалась циклическим тепловым колебаниям. В качестве свай в модели использовались алюминиевые трубы с закрытым оголовком, в качестве грунта — сухой мелкозернистый алевритовый песок. Во время периодического воздействия тепловых нагрузок отслеживались смещения оголовка сваи, осевые силы и изгибающие моменты вдоль свай, изменения давления грунта под оголовком сваи и распределение температуры вокруг группы свай.

Результаты. Исследование показало, что периодическое воздействие тепловых нагрузок оказывает существенное влияние на распределение нагрузки между энергетическими сваями, при этом нагрузка увеличивается в фазах нагрева и уменьшается в фазах охлаждения. Это приводит к необратимому увеличению доли нагрузки из-за уплотнения грунта под оголовками свай. Кроме того, вклад оголовка сваи в расчетную нагрузку увеличивается с каждым циклом нагрева – охлаждения, что подчеркивает влияние термического размягчения на границе грунт – свая.

Выводы. Экспериментальные наблюдения продемонстрировали, что классический метод Буссинеска может недооценивать давление грунта под оголовком сваи во время нагрева, что может быть связано с пластичной работой грунта.

1. Barbir F., Veziroǧlu T., Plass Jr H. Environmental damage due to fossil fuels use. International Journal of Hydrogen Energy. 1990; 15(10):739-749.

2. Lvovsky K., Hughes G., Maddison D., Ostro B., Pearce D. Environmental costs of fossil fuels : a rapid assessment method with application to six cities. 2000.

3. Sauvenier J. Energy geostructures: The case of the Cleunay station in Rennes. 2023.

4. Adam D., Markiewicz R. Energy from earth-coupled structures, foundations, tunnels and sewers. Géotechnique. 2009; 59(3):229-236.

5. Brandl H. Energy foundations and other thermo-active ground structures. Géotechnique. 2006; 56(2):81-122.

6. Laloui L., Di Donna A. Energy geostructures: innovation in underground engineering. John Wiley & Sons, 2013.

7. Nagano K. Energy pile system in new building of Sapporo City University, Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption: Fundamentals, Case Studies and Design. Springer, 2007; 245-253.

8. Haeri S.M., Rajabigol M., Salaripour S., Kavand A., Sayyaf H., Afzalsoltani S. et al. Effects of physical modelling boundary conditions on the responses of 3 × 3 pile groups to liquefaction induced lateral spreading. Bulletin of Earthquake Engineering. 2023; 21(5):2469-2502.

9. Kavand A., Haeri S.M., Raisianzadeh J., Afzalsoltani S. Effectiveness of a vertical micropile system in mitigating the liquefaction-induced lateral spreading effects on pile foundations: 1 g large-scale shake table tests. Scientia Iranica. 2022; 29(3):1038-1058.

10. Kavand A., Haeri S.M., Raisianzadeh J., Meibodi A.S., Soltani S.A. Seismic behaviour of a dolphin-type berth subjected to liquefaction induced lateral spreading: 1g large scale shake table testing and numerical simulations. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2021; 140:106450.

11. Haeri S., Rajabigol M., Salaripour S., Kavand A., Sayyaf H., Afzalsoltani S. et al. Effects of liquefaction-induced lateral spreading on a 3 × 3 pile group using 1g shake table and laminar shear box, Earthquake Geotechnical Engineering for Protection and Development of Environment and Constructions. CRC Press, 2019; 2764-2770.

12. Haeri S.M., Kavand A., Raisianzadeh J., Afzalsoltani S. Effectiveness of a vertical micro-pile system for mitigating lateral spreading damage on pile groups: 1g shake table tests, Earthquake Geotechnical Engineering for Protection and Development of Environment and Constructions. CRC Press, 2019; 3989-3996.

13. Jafarzadeh F., Afzalsoltani S. Pile group behaviour under unsymmetrical cyclic thermal loading in dry silty sand: 1g Physical modelling. Scientia Iranica. 2024. DOI: 10.24200/sci.2024.61493.7345

14. Jafarzadeh F., Afzalsoltani S. Unsymmetrical thermal loading effects on a 2 × 2 pile-group: 1g physical modelling approach, Smart Geotechnics for Smart Societies. CRC Press, 2023; 2197-2200.

15. Jafarzadeh F., Afzalsoltani S. Energy Piles, Applications and Research Aspects: An Investigation on the Behaviour of a Single Energy Pile in Dry Condition. International Conference on Geotechnical Engineering-IRAQ. 2022; 261-277. DOI: 10.1007/978-981-19-7358-1_23

16. Jafarzadeh F., Afzalsoltani S., Arbab A., Shirkhani S. 1g Physical Modelling of a Single Heat-Exchanger pile in Silty Sand, Book 1g Physical Modelling of a Single Heat-Exchanger pile in Silty Sand. Sydney, Australia, 2022.

17. Afzalsoltani S., Jafarzadeh F. The effect of mechanical surcharge on single energy pile foundations: 1g physical modelling, Book The effect of mechanical surcharge on single energy pile foundations: 1g physical modelling. Sydney, Australia, 2022.

18. Song H., Pei H., Xu D., Cui C. Performance study of energy piles in different climatic conditions by using multi-sensor technologies. Measurement. 2020; 162:107875.

19. Farivar A., Jafarzadeh F., Leung A.K. Influence of pile head restraint on the performance of floating elevated energy pile groups in soft clay. Computers and Geotechnics. 2023; 154:105141.

20. Wang Y., Zhang F., Liu F., Wang X. Full-scale in situ experimental study on the bearing capacity of energy piles under varying temperature and multiple mechanical load levels. Acta Geotechnica. 2024; 19(1):401-415.

21. Khoshbakht S., Fakharian K. Numerical Investigation of the Load Movement and Ultimate Load of Energy Piles Embedded in Sand. International Journal of Geomechanics. 2024; 24(3):04023297.

22. Pessin J., Tsuha C.H.C. In-field performance of continuous flight auger (CFA) energy piles with different configurations. Applied Thermal Engineering. 2023; 224:120113.

23. Moshtaghi M., Keramati M., Ghasemi-Fare O., Pourdeilami A., Ebrahimi M. Experimental study on thermomechanical behaviour of energy piles in sands with different relative densities. Journal of Cleaner Production. 2023; 403:136867.

24. Ghaaowd I., McCartney J.S. Centrifuge modelling methodology for energy pile pullout from saturated soft clay. Geotechnical Testing Journal. 2022; 45(2):20210062-20210062.

25. Ng C.W.W., Shi C., Gunawan A., Laloui L., Liu H. Centrifuge modelling of heating effects on energy pile performance in saturated sand. Canadian Geotechnical Journal. 2015; 52(8):1045-1057.

26. Ng C.W.W., Farivar A., Gomaa S.M.M.H., Shakeel M., Jafarzadeh F. Performance of elevated energy pile groups with different pile spacing in clay subjected to cyclic non-symmetrical thermal loading. Renewable Energy. 2021; 172:998-1012.

27. Ng C.W., Farivar A., Gomaa S.M., Jafarzadeh F. Centrifuge modelling of cyclic nonsymmetrical thermally loaded energy pile groups in clay. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2021; 147(12):04021146.

28. Senejani H.H., Ghasemi-Fare O., Cherati D.Y., Jafarzadeh F. Investigation of thermo-mechanical response of a geothermal pile through a small-scale physical modelling. E3S Web of Conferences. 2020; 205:05016.

29. Foglia A., Abdel-Rahman K., Wisotzki E., Qui-roz T., Achmus M. Large-scale model tests of a single pile and two-pile groups for an offshore platform in sand. Canadian Geotechnical Journal. 2021; 99(999):1825-1838.

30. Yang W., Qiang Y., Ju L., Wang F., Liu A. Numerical evaluations on the effects of different factors on thermo-mechanical behaviour of an energy pile group. Computers and Geotechnics. 2023; 162:105664.

31. BSI. BS EN 1997-1: 2004. Eurocode 7. Geotechnical design. General rules, Book BS EN 1997-1: 2004. Eurocode 7. Geotechnical design. General rules, EditorBSI London, UK, 2004.

32. Application des potentiels à l’étude de l’équilibre et du mouvement des solides élastiques: principalement au calcul des déformations et des pressions que produisent, dans ces solides, des efforts quelconques exercés sur une petite partie de leur surface ou de leur intérieur: mémoire suivi de notes étendues sur divers points de physique, mathematique et d’analyse. Boussinesq J., Gauthier-Villars, 1885.

33. Sadek M., Shahrour I. Use of the Boussinesq solution in geotechnical and road engineering: influence of plasticity. Comptes Rendus Mécanique. 2007; 335(9-10):516-520.