一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱

本發明涉及能源巖土領域，具體涉及一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱。

背景技術：

1、地熱能作為五大非碳基能源之一，它具備多重有利特性，包括廣泛分布、豐富儲量、容易開采、高度安全、不受氣象條件限制等優點。這些特性使得地熱能成為一種高度有競爭力的新能源，具備巨大的潛力，可以在實現“碳達峰”“碳中和”和減少溫室氣體排放方面發揮重要作用。而在地熱儲存系統中，能源樁基是一種重要的基礎設施，它利用地下熱能來實現能源儲存和傳輸。為了確保換熱系統的有效性和可持續性，需要深入了解熱力耦合過程以及不同設計和操作參數對其性能的影響。

2、近年來能源地下工程特別是能源樁基工程的利用率普及率逐漸上升，在實際工程中遇到的工況也更加復雜多變。現場試驗可以有效地模擬能源樁在運行過程中真實的工作性能變化，但大多數情況下由于成本與技術條件的限制，現場試驗可行性較低，此時就需要實驗室維度下的模型試驗進行相關工況的驗證，同時，目前對能源樁的試驗研究主要著重于換熱能源樁的單系統提效與樁土界面受熱條件下的力學特性分析，鮮有熱力耦合條件下群樁工況模型試驗土箱以供后續研究，比如申請公布號cn108951724a的專利文獻中公開的能源樁試驗監測系統及測試方法，針對不同熱構型的能源單樁進行熱力性能的監測與評估；申請公布號cn106596297a的專利文獻中公開的一種能源樁樁-土界面力學行為特性試驗設備及方法，為冷、熱循環作用下樁-土界面的力學行為特征及其演化過程的研究提供試驗數據，而申請公布號cn116642783a的專利文獻中提出的滲流條件下能源樁模型試驗裝置和試驗方法則更多關注滲流條件下能源樁運行時樁-土界面的剪切特性等方面。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，旨在解決現有實驗室維度模型試驗板塊中缺乏能夠同時模擬地下水存在條件下常規熱注入與頂部加載的能源地下樁基單樁及群樁模式熱交換系統模型載體的問題以及缺乏土體溫度場準三維成像反饋的問題。

2、為實現上述目的，本發明的技術方案是：

3、一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，包括模型尺度能源樁基板塊、水力控制模塊、可移動力學加載板塊、熱水力監測板塊，其中：

4、所述模型尺度能源樁基模塊，包括試驗土體4，以及設置在所述試驗土體4中的一個或多個模型能源樁基3；

5、所述水力控制模塊，包括土箱結構2；所述土箱結構2，其內部劃分為左、中、右三個部分，其中，中間部分用于填充試驗土體4，左右兩側為儲水隔間21用于儲水并模擬地下水與滲流；

6、所述可移動力學加載模塊，包括可移動外力框架結構1和模型加載單元12；所述可移動外力框架結構1架設在土箱結構2的頂部，用于定位模型加載單元12的位置以實現樁頂加載工況；

7、所述熱水力監測模塊，包括土體傳感器陣列41、樁體傳感器陣列31、樁體微型土壓力計32、樁頂百分表33、高密度電阻率電極陣列5，其中：所述土體傳感器陣列41埋置在所述試驗土體4中，所述樁體傳感器陣列31布置在所述模型能源樁基3中，所述樁體微型土壓力計32布置在所述模型能源樁基3底部，所述樁頂百分表33布置在所述模型能源樁基3頂部；所述土體傳感器陣列41、樁體傳感器陣列31、樁體微型土壓力計32分別與數據采集儀連接，所述數據采集儀與計算機連接；所述高密度電阻率電極陣列5設置在土箱結構2的前后外壁處的土體4中，并與高密度電阻率法采集儀連接，所述高密度電阻率法采集儀與計算機連接。

8、進一步的，所述模型能源樁基3中埋置有樁體換熱管道34，所述樁體換熱管道34外接至外部熱源。

9、進一步的，所述儲水隔間21，包含儲水隔間外壁23和儲水隔間內壁24，所述儲水隔間外壁23設有若干可拆卸出水口22用于控制地下水深度與滲流狀態，所述儲水隔間內壁24設有若干透水口25用于水分滲透。

10、進一步的，所述可移動外力框架結構1，包括外力擋板13、可移動的桁架結構，其中：

11、所述外力擋板13，通過螺栓14固定在儲水隔間外壁23，用于承受框架加載傳力；

12、所述可移動的桁架結構包括上部金屬導軌15、下部金屬導軌16、可移動金屬導軌滑塊11；

13、所述上部金屬導軌15，其兩端通過可移動金屬導軌滑塊11活動連接在外力擋板13頂部；

14、所述下部金屬導軌16，其兩端通過可移動金屬導軌滑塊11活動連接在儲水隔間內壁24的頂部。

15、進一步的，所述可移動的桁架結構，其上部金屬導軌15和下部金屬導軌16成對配置，配置數量為一個或多個。

16、進一步的，所述上部金屬導軌15，除其兩個端部位置外，還設置有若干可移動金屬導軌滑塊11，用于配合模型加載單元12，作為模型加載單元12頂部的支撐點，完成樁頂加載工況。

17、可選地，所述模型加載單元12采用電動千斤頂、手動千斤頂或電動手動兩用千斤頂。

18、進一步的，所述土箱結構2外壁和試驗土體4的上方均設置有熱絕緣材料。

19、進一步的，所述土體傳感器陣列41中傳感器包括溫度傳感器、孔壓傳感器、土壓力傳感器；所述樁體傳感器陣列31中傳感器包括溫度傳感器和應變傳感器。

20、進一步的，所述高密度電阻率電極陣列5包括若干高密度電阻率電極51；在所述土箱結構2中間部分的外壁設有若干開孔，若干高密度電阻率電極51通過所述開孔插入土體4內，形成高密度電阻率電極陣列5。

21、本發明的有益效果是：

22、（1）本發明的模型土箱框架功能完善且無需復雜的組件或操作，具備多功能性和靈活性，能夠滿足相應尺度的試驗需求，可以容納單根或多根模型能源樁基完成不同群樁布置模式與不同樁基位置下的模型試驗，通過移動土箱結構可移動外力框架結構的金屬導軌滑塊調節外力框架桁架間距以適應不同的群樁排布類型，同時移動模型加載單元上方的金屬滑塊以精準定位加載單元與樁帽位置實現多種樁頂加載工況，分析研究不同群樁布置下的能源樁基系統熱力承載工作性能。

23、（2）本發明利用土箱儲水隔間以及儲水隔間內外壁透水口/出水口的特殊設計，通過向兩側儲水隔間注入理想高度的水位有效控制箱中土體的地下水頭高度，模擬濱海軟土地區地下水位較高的工況。此外考慮到實際工況中地下水滲流的影響，可通過向土箱結構的兩端儲水隔間注入不同高度的水位并應用darcy定律計算箱中土體地下水滲流的相關流動參數模擬實際工況中的地下水滲流狀態，通過控制兩側儲水隔間的水位高差以實現現實工程中存在的多種滲流工況，為研究和測試群樁結構在不同地下水條件下的熱力性能提供了可靠工具。

24、（3）本發明在監測手段中融合了高密度電阻率法用以監測土體溫度變化，通過土箱側壁開孔插入的電極形成的電位差以及測算出的視電阻率，結合溫度傳感器的溫度示數，可以得到樁體及土壤溫度場的準三維成像分布以及其隨時間的變化規律，解決了傳感器測溫僅能形成點狀溫度反饋的數據缺失問題。

技術特征：

1.一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，包括模型尺度能源樁基板塊、水力控制模塊、可移動力學加載板塊、熱水力監測板塊，其中：

2.如權利要求1所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述模型能源樁基（3）中埋置有樁體換熱管道（34），所述樁體換熱管道（34）外接至外部熱源。

3.如權利要求1所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述儲水隔間（21），包含儲水隔間外壁（23）和儲水隔間內壁（24），所述儲水隔間外壁（23）設有若干可拆卸出水口（22）用于控制地下水深度與滲流狀態，所述儲水隔間內壁（24）設有若干透水口（25）用于水分滲透。

4.如權利要求3所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述可移動外力框架結構（1），包括外力擋板（13）、可移動的桁架結構，其中：

5.如權利要求4所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述可移動的桁架結構，其上部金屬導軌（15）和下部金屬導軌（16）成對配置，配置數量為一個或多個。

6.如權利要求4所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述上部金屬導軌（15），除其兩個端部位置外，還設置有若干可移動金屬導軌滑塊（11），用于配合模型加載單元（12），作為模型加載單元（12）頂部的支撐點，完成樁頂加載工況。

7.如權利要求1所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述模型加載單元（12）采用電動千斤頂、手動千斤頂或電動手動兩用千斤頂。

8.如權利要求1所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述土箱結構（2）外壁和試驗土體（4）的上方均設置有熱絕緣材料。

9.如權利要求1所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，所述土體傳感器陣列（41）中傳感器包括溫度傳感器、孔壓傳感器、土壓力傳感器；所述樁體傳感器陣列（31）中傳感器包括溫度傳感器和應變傳感器。

10.如權利要求1所述的一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，其特征在于，

技術總結
一種熱力耦合的多功能能源樁基模型土箱，包括模型尺度能源樁基板塊、水力控制模塊、可移動力學加載板塊、熱水力監測板塊，其中：模型尺度能源樁基模塊包括試驗土體、模型能源樁基；水力控制模塊包括土箱結構，其中間部分用于填充試驗土體，左右兩側為儲水隔間；可移動力學加載模塊包括可移動外力框架結構和模型加載單元；熱水力監測模塊包括傳感器陣列等。本發明箱內可切換多種不同的能源樁基排布形式，在外部熱源熱注入的同時可進行樁頂力學加載，并且可以控制模型箱內水位深度、水頭大小及地下滲流場模擬，實現模型土箱的多功能性，針對樁土體熱場分布可形成準三維模式下的監測，對于多熱力工況下的能源樁基工程應用研究意義極大。

技術研發人員：馮世進,奚旺,趙勇,陳宏信,方金城,孫婉,王洋
受保護的技術使用者：同濟大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21