浅层地热能是一种蕴藏于地球浅表的低温热能，具有储量巨大、分布广泛、绿色环保、可循环再生的独特优势[1]。埋管式地源热泵技术是浅层地热能开发的主要手段之一，传统地埋管换热器通过将换热环路管埋入地质钻孔中实现与岩土介质的热交换，但该技术需要专门用地、需要额外开挖及钻孔等施工费用，这在一定程度上限制了该技术的推广和应用。为克服这些技术缺陷，相关研究人员创新性地将传统地埋管技术与建筑桩基相结合，提出了具有建筑承载和地热开发双重功能的能源桩技术[2]；该技术充分利用建筑桩基的桩孔空腔预埋换热器，无需专门用地和钻孔，具有较高的传热性能，大大降低了地源热泵技术的前期施工费用，实现了地热资源与地下空间的协同开发。
作为建筑基础，能源桩需要维持上部建筑结构的安全和稳定，在应用过程中不仅要承担来自上部结构的荷载作用，还要承受由于温度变化导致的附加应力和变形；因此，能源桩在热力耦合荷载作用下的受力变形特性是当前研究的热点问题。相关学者基于原位测试方法研究了能源桩的热力响应行为；Amatya等[3]讨论了桩端约束条件对能源桩荷载分布的影响，并提出了一个定性分析模型用于理解能源桩的热致力学行为；Fang等[4, 5]研究了嵌岩能源桩的热力响应特性，相关结果表明桩周和桩端约束情况将影响热应力的分布及大小。数值模拟方法作为复杂物理和工程问题的有力分析工具，近年来也逐步被用于能源桩的热力耦合分析；Gashti等[6]基于有限元数值方法发现摩擦型能源桩的热应力将显著低于端承情况下能源桩；相关学者综合评估了关键岩土参数对能源桩热致应力的影响，发现桩周土体的弹性模量对热应力具有较为显著的影响[7, 8]。上述试验和数值研究均表明桩端和桩轴的约束情况是影响能源桩热致应力及变形行为的关键因素。
但与试验手段和数值分析相比，简化理论模型由于计算简单，实用性强，并能灵活应用于桩基常规设计中，作为一种有力的设计分析工具受到了研究人员和工程师们的青睐。桩基的理论分析方法主要包括荷载传递法、弹性分析法、剪切位移法等。截至目前，荷载传递法是被研究和应用最广泛的能源桩分析方法之一；该方法通过将桩体划分为多个弹性单元，每个单元与土体之间采用独立的非线性弹簧连接，用以模拟桩体受荷时的荷载传递；该方法最早被Knellwolf等[9]引入能源桩的分析中；随后，Pasten和Santamarina[10]利用荷载传递法研究了桩体在多次热循环下的长期行为；Chen等[11]讨论了桩土界面剪切强度、桩端刚度等因素对能源桩荷载传递的影响；费康等[12]采用双曲线模型作为桩土接触面荷载位移曲线。但荷载传递法假设桩体受多个独立弹簧作用，忽略了土体的连续性，无法考虑桩阻力对土体位移的影响。弹性分析法则基于桩土位移协调假设，考虑了桩与土层的受力与变形相互作用；依此，相关学者在能源桩分析中引入了弹性分析方法，分析了能源桩的热力响应行为[13, 14]；然而，现有能源桩弹性分析模型将桩周土层假设为半无限弹性体，仅适用于分析深厚土层摩擦型能源桩，难以应用于其它承载性状的能源桩分析。
因此，本文将在前人研究基础上，基于弹性分析理论框架，进一步考虑桩端持力层的影响，构建能源桩在受热变形情况下的平衡方程，求解热力耦合作用下不同承载性状能源桩的热力及变形响应，分析桩的长径比、桩周土刚度、持力层刚度、桩顶刚度等因素对能源桩热致受力变形特性的影响，旨在为不同承载性状能源桩的设计计算提供一定的参考依据。
本文基于弹性理论分析框架，进一步考虑了桩端持力层的影响，建立了热力耦合作用下能源桩受力变形分析模型，并结合典型现场试验结果进行了模型验证，依此探究了地层条件及桩几何参数对能源桩荷载传递及位移行为的影响。主要结论如下：
（1）基于典型现场试验数据的对比，本文提出的能源桩分析方法能够较好地反映不同承载性状能源桩在温度-结构耦合荷载作用的荷载传递规律及受力变形特性，具有物理意义明确和计算高效的特点，能较好地用于能源桩的设计计算。
（2）当作用结构荷载时，桩端阻力分担的荷载比将随着桩端持力层刚度的增加而增加；桩体温度改变将引起桩身荷载分布的改变，升温将导致附加压应力产生，降温导致附加拉应力；热致的轴向荷载也将随着持力层刚度的增加而增加。
（3）桩周土体、桩端持力层及桩顶的刚度情况是影响能源桩热致应力的大小和分布的关键因素；刚度的提高将增大对于桩体热变形的约束，从而引起更为显著的附加热应力；最大热应力位置（即热致位移零点位置）会趋于向更大约束位置移动。
（4）热致桩顶位移将随桩端刚度的增加而提高，随桩周土体刚度的提高而降低；但对于长径比较大的能源桩，桩端持力层刚度对桩顶位移的影响并不显著。
本文归一化应力及位移值结果可根据实际工程的地质条件及桩基结构特点，预估不同承载性状能源桩的热致应力及位移，为能源桩设计计算提供一定的参考依据。
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