Centrifuge Simulation of the Thermal Response of a Dry Sand-Embedded Diaphragm Wall

Abstract

Geothermal heat exchangers buried in diaphragm walls as an alternative of renewable energy sources can be quite competitive with shallow geothermal resources. The thermal response of a diaphragm wall embedded in the sand foundation under thermomechanical coupling conditions was followed in laboratory centrifuge tests. The model of exchanger tubes enclosed in the diaphragm wall embedded in the sand foundation accounts for lateral loading on the wall simulated by 1 and 50 g acceleration conditions in the centrifuge. Thermal loading, mechanical unloading, and thermomechanical coupling tests were carried out separately. The temperature, deformation, and soil pressure on the wall were monitored. The deformation and thermal stress along the cantilever wall were verified by numerical simulation. The thermal stress on the wall was revealed to be larger than the excavation-induced one. The maximum thermal stress was observed near the bottom of the wall. Though the wall was embedded in surrounding soil, heating caused accumulation of thermal stresses induced by temperature variations, which should be seriously considered in the heat exchanger design for cantilever walls of building structures.

Геотермальные теплообменники, встроенные в стенку диафрагмы, являются альтернативным видом использования возобновляемой энергии, которая может быть получена из неглубоких геотермальных ресурсов. Исследован тепловой отклик стенки диафрагмы, вставленной в песочное основание, в условиях термомеханической связи путем лабораторных испытаний в центрифуге. Моделирование теплообменных трубок, встроенных в стенку диафрагмы, вставленную в песочное основание, включало поперечное нагружение стенки и осуществлялось в средах 1 и 50g в центрифуге. Испытания в условиях теплового нагружения, механической разгрузки и термомеханической связи проводились отдельно. Контролировались температура, деформация и давление грунта на стенку. Деформация и тепловое напряжение вдоль консольной стенки контролировались путем численного моделирования в каждом случае. Результаты испытаний показывают, что тепловое напряжение на стенке превышает напряжение, вызванное выемкой грунта. Максимальное тепловое напряжение наблюдалось вблизи основания стенки. Хотя стенка была связана окружающим грунтом, тепловое напряжение накапливалось в процессе нагрева в результате изменения температуры, что необходимо учитывать при конструировании теплообменника в консольной стене зданий.

Геотермальні теплообмінники, вбудовані в стінку діафрагми, є альтернативним видом використання відновлюваної енергії, яка може бути отримана з неглибоких геотермальних ресурсів. Досліджено тепловий відгук стінки діафрагми, вставленої в пісочне підставу, в умовах термомеханічної зв'язку шляхом лабораторних випробувань в центрифузі. Моделювання теплообмінних трубок, вбудованих в стінку діафрагми, вставлену в пісочну основину, включало поперечне навантаження стінки і здійснювалося в середовищах 1 і 50g в центрифузі. Випробування в умовах теплового навантаження, механічного розвантаження і термомеханічного зв'язку проводились окремо. Контролювалися температура, деформація і тиск грунту на стінку. Деформація і теплову напругу вздовж консоль¬ной стінки контролювалися шляхом чисельного моделювання в кожному випадку. Результати випробувань показують, що теплове напруга на стінці перевищує напругу, викликану виїмкою грунту. Максимальна теплове напруга спостерігалося поблизу підстави стінки. Хоча стінка була пов'язана навколишнім грунтом, теплову напругу накопичувалося в процесі нагрівання в результаті зміни температури, що необхідно враховувати при конструюванні теплообмінника в консольної стіні будівель.