王曉強(qiáng)，張志超，王爍堯

1）重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045；2）重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045

能量樁是同時(shí)具備承載力和熱量交換功能的能源樁基［1-3］，利用流經(jīng)閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)的熱交換流體與周圍土壤進(jìn)行熱交換.早期學(xué)者關(guān)于溫度對(duì)樁-土界面特性影響的研究多針對(duì)0℃以下的凍土材料.SADOVSKIY［4］應(yīng)用常規(guī)直剪儀，在低溫環(huán)境下研究了不同類型的土樣與不同材料之間的界面特性，發(fā)現(xiàn)界面之間發(fā)生了熱交換，接觸面處產(chǎn)生了冰膜.有學(xué)者對(duì)溫度荷載的施加方式和溫度循環(huán)進(jìn)行了更深入的探討.YAVARI等［5］通過配備有溫度控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)直剪儀研究了黏土和黏土-混凝土界面的剪切行為，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)黏土和黏土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度可以忽略，黏土-混凝土界面的峰值強(qiáng)度小于黏土之間的極限抗剪強(qiáng)度.XIAO等［6］通過將底部剪切箱改為嵌入“W”型鋁管的混凝土板，研究了循環(huán)熱荷載對(duì)黏土-結(jié)構(gòu)界面特性的影響，結(jié)果表明，較低法向應(yīng)力下的溫度循環(huán)的影響可以忽略，較高荷載下溫度循環(huán)次數(shù)越大，剪切強(qiáng)度也會(huì)越大.也有學(xué)者研究了不同排水條件下溫度對(duì)土體剪切特性的影響.NOBLE等［7］研究了土體在固結(jié)不排水剪切時(shí)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)固結(jié)溫度越高，不排水強(qiáng)度越大.UCHAIPICHAT等［8］利用改進(jìn)的三軸試驗(yàn)設(shè)備，研究了恒定含水率條件下熱加載對(duì)孔隙水壓力響應(yīng)的影響，結(jié)果表明飽和粉土試樣的孔隙水壓力隨溫度的升高而增大.KUNTIWATTANAKUL等［9］研究了高溫對(duì)正常固結(jié)和超固結(jié)狀態(tài)下黏土不排水剪切特性的影響，結(jié)果表明，對(duì)于正常固結(jié)土，溫度升高，孔壓將會(huì)減小，抗剪強(qiáng)度將會(huì)增加.費(fèi)康等［10］采用溫控三軸儀，研究了溫度變化對(duì)不同土體的固結(jié)排水和固結(jié)不排水剪切特性，結(jié)果表明，溫度對(duì)粉質(zhì)黏土的剪切特性基本沒有影響，對(duì)黏土的影響不可忽視.王京凱［11］考慮了溫度和溫度循環(huán)次數(shù)對(duì)黏土-混凝土界面剪切性能的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史決定了黏土升溫過程中的體積變化形式.UESUGI等［12］進(jìn)行了砂土-鋼和砂土-混凝土接觸面的直剪和單剪試驗(yàn)，對(duì)表面粗糙度進(jìn)行隨機(jī)處理，以峰谷距和平均粒徑的比值定義了接觸面相對(duì)粗糙度.HRYCIW等［13］用槽深和槽寬來表示不同的粗糙度研究了砂粒在剛性帶肋夾雜物周圍的剪切行為.CHEN等［14］研究了評(píng)估規(guī)則的表面粗糙度對(duì)黏土-混凝土界面剪切行為的影響，可知隨著表面粗糙度的增加，界面剪切強(qiáng)度增加.由于壓縮黏土基質(zhì)的特性，在較低圍壓下，較粗糙的界面上可能發(fā)生剪切膨脹.金子豪等［15］探究了粗糙度對(duì)混凝土-砂土接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律，提出可考慮凹槽幾何參數(shù)、槽內(nèi)土體擾動(dòng)深度和槽寬修正的粗糙度的計(jì)算方法.

綜上可知，影響樁-土界面剪切力學(xué)行為的因素有溫度、粗糙度和不排水條件等多種因素.三軸直剪儀能控制土體的排水條件，但是只能適用于土體之間.本研究通過對(duì)直剪盒進(jìn)行改造，使之能夠在普通的應(yīng)變式直剪儀的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土和土體進(jìn)行加熱和制冷，能夠測(cè)量孔隙水壓力和豎向位移，研究在非等溫條件下樁-土界面的不排水剪切行為.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用ZJ型兩速應(yīng)變控制式直剪儀，為滿足溫度循環(huán)和測(cè)量孔隙水壓力的要求，改造直剪盒裝置（圖1）.由圖1可見，直剪盒分為上、下盒兩部分，下盒平面為110 mm×110 mm的正方形，高50 mm，中間開挖深30 mm、直徑80 mm的圓柱體槽，用以澆筑混凝土板，板內(nèi)預(yù)先固定U型銅管，銅管外部連接恒溫水箱.當(dāng)對(duì)水箱中的水加熱/降溫時(shí)，水在銅管中循環(huán)流動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的加熱/制冷功能，此裝置可有效模擬能量樁向樁周土體傳熱過程且保證溫度傳導(dǎo)均勻快速.直剪盒下盒在界面下方5 mm側(cè)壁處開孔安裝溫度傳感器以實(shí)時(shí)檢測(cè)混凝土溫度變化情況.

圖1 改造直剪盒裝置示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of retrofitting direct shear box device（unit：mm）

直剪盒上盒高度為55 mm，在上盒內(nèi)部側(cè)壁距離下表面5 mm處開孔，用以固定孔壓傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量土體升溫或降溫、剪切過程中界面孔隙水壓力的變化情況.直剪盒的加壓蓋上方固定LVDT位移傳感器用以測(cè)量實(shí)時(shí)豎向位移變化.

為實(shí)現(xiàn)在直剪儀上實(shí)現(xiàn)固結(jié)不排水條件，還需要作如下操作：①首先對(duì)直剪盒的加壓蓋改造，蓋上開4個(gè)圓孔，方便固結(jié)時(shí)水快速?gòu)目字信懦?；②將上下盒?duì)齊后用螺絲固定，將配好的飽和黏土緩慢倒入直剪盒中，上層放上濾紙和透水石，裝配好后放在一維法向固結(jié)裝置下，按照規(guī)范要求分級(jí)加載砝碼（加載順序?yàn)榈醣P、0.319、0.637、1.275、2.500和2.500 kg），根據(jù)系數(shù)換算，前期最大固結(jié)壓力為189 kPa；③固結(jié)結(jié)束后，在土樣和透水石之間加一塊薄鐵片，并換上實(shí)心上蓋，按要求施加法向荷載至孔隙水壓力重新消散到零，且豎向位移不再發(fā)生變化；④剪切之前，在界面四周均勻涂抹一層凡士林，防止水分從界面排出，并用橡皮泥堵住上盒的螺孔防止空氣進(jìn)入.剪切時(shí)采用4 r/min的轉(zhuǎn)速.當(dāng)測(cè)力計(jì)百分表來回?cái)[動(dòng)或者開始后退（即測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值）時(shí)，說明此時(shí)試樣已經(jīng)剪損，剪切變形達(dá)到4 mm，停止試驗(yàn).若剪切過程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無峰值出現(xiàn)時(shí)，量力環(huán)讀數(shù)繼續(xù)增加，則剪切變形應(yīng)達(dá)到6 mm為止，此時(shí)停止剪切.

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)土樣取自中國(guó)重慶市某茶園施工現(xiàn)場(chǎng)的天然純黏土，比重為2.65，塑限為17.34，液限為35.38，塑性指數(shù)為15.65，液性指數(shù)為-1.04.根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50145—2007）確定試驗(yàn)所用高嶺土為低液限黏土.

混凝土塊用C40水泥砂漿澆筑而成，本試驗(yàn)分為光滑和粗糙界面兩組，粗糙界面沿直徑平均分布8個(gè)寬5 mm、深2 mm的凹槽.界面粗糙度為

其中，V為混凝土表面凹凸不平處的體積之和；S為接觸面的表面積.根據(jù)式（1）計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)中粗糙試樣的粗糙度為0.5.

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分別考慮了溫度變化幅值，界面粗糙度，超固結(jié)比OCR等因素對(duì)界面剪切性質(zhì)的影響，具體工況如表1.在室溫條件下，將飽和黏土固結(jié)到189 kPa，再分別卸載到89.5、59.7和29.8 kPa，從而得到不同的OCR值（1、2、3和6）.之后進(jìn)行非等溫固結(jié)，對(duì)光滑界面分別升溫15℃和降溫10℃，對(duì)粗糙界面升溫15℃.

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

2 結(jié)果及分析

2.1 粗糙度對(duì)界面剪切的影響

2.1.1 剪切強(qiáng)度

圖2比較了常溫下光滑和粗糙兩種界面在OCR=1、2、3和6時(shí)的剪切強(qiáng)度.從圖2可知，OCR值和粗糙度均對(duì)剪切強(qiáng)度有影響.OCR=1時(shí)剪切強(qiáng)度最大，OCR=6時(shí)剪切強(qiáng)度最小，界面剪切強(qiáng)度隨著OCR值的減小而增大.對(duì)于相同的OCR值，當(dāng)OCR=1、2和3時(shí)，粗糙界面的剪切強(qiáng)度均高于光滑界面，當(dāng)OCR=6時(shí)，光滑和粗糙界面的剪切強(qiáng)度值基本相同.可見當(dāng)OCR值足夠大時(shí)，OCR值對(duì)剪切強(qiáng)度起決定性作用，粗糙度的影響基本可以忽略.

從圖2還可以看出，光滑界面情況下土體在OCR=1時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值后保持不變；而OCR=2、3和6時(shí)，剪切強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象，即隨著剪切的進(jìn)行，剪切強(qiáng)度逐漸到達(dá)強(qiáng)度峰值，而后強(qiáng)度逐漸降低至殘余強(qiáng)度后保持不變.然而在粗糙界面情況下，當(dāng)OCR=1、2和3時(shí)，卻表現(xiàn)出良好的硬化現(xiàn)象，整個(gè)剪切過程并未出現(xiàn)明顯峰值，只在OCR=6時(shí)出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象.這主要是由于對(duì)于相同的前期固結(jié)壓力的飽和黏土，OCR值越大，剪切時(shí)受到的法向荷載就越小，界面越光滑，土體顆粒與混凝土顆粒之間的聯(lián)結(jié)就越弱，土體越容易先達(dá)到破壞狀態(tài).

圖2 常溫下不同界面粗糙度的剪切強(qiáng)度-剪切位移曲線Fig.2 Shear strength versus shear displacement fordifferent roughness interfaces at room temperature

當(dāng)界面比較粗糙時(shí)，一部分土體進(jìn)入混凝土表面的凹槽中，樁-土界面不再是單獨(dú)的混凝土-黏土界面，而是混凝土-黏土界面和黏土-黏土界面兩種形式.界面之間不僅存在摩擦力，黏土顆粒之間還存在黏聚力，因此剪切強(qiáng)度要高于光滑界面情況下的剪切強(qiáng)度.

2.1.2 孔隙水壓力

常溫下不同粗糙度的孔壓-剪切位移曲線見圖3.從圖3可以看出，當(dāng)OCR=1、2和3時(shí)，界面土體孔隙水壓力為正值，且隨著剪切進(jìn)行孔壓值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定或者略微下降，且界面越粗糙，孔壓增長(zhǎng)的幅度越大.以O(shè)CR=1為例，粗糙情況下的孔隙水壓力是光滑時(shí)的1.32倍.當(dāng)OCR=6時(shí)，界面孔隙水壓力隨著剪切過程的進(jìn)行逐漸降為負(fù)值，且界面的粗糙和光滑程度對(duì)孔壓變化基本沒有影響.這是由于當(dāng)OCR值較小時(shí)，土體受到的豎向荷載較大，剪切過程中發(fā)生了剪縮現(xiàn)象，且OCR值越大，剪縮現(xiàn)象越明顯.常溫下不同界面粗糙度的豎向位移-剪切位移曲線見圖4.由圖4可見，土體體積減小時(shí)，水無法從直剪盒中排出，導(dǎo)致了孔隙水壓力增大；當(dāng)OCR值增大，剪切過程中發(fā)生了剪脹現(xiàn)象，土體體積增大，造成土體中氣壓失去平衡，暫時(shí)小于大氣壓，由于氣壓差形成負(fù)的孔隙水壓力.

圖3 常溫下不同粗糙度的孔壓-剪切位移曲線Fig.3 Pore water pressure as a function of shear displacement with different roughness at room temperature

圖4 常溫下不同界面粗糙度的豎向位移-剪切位移曲線Fig.4 Vertical displacement as a function of shear displacement with different interface roughness at room temperature

從圖4還可以看出，光滑情況下正常固結(jié)土和輕微超固結(jié)土（OCR=1和2）表現(xiàn)為剪縮，重度超固結(jié)土（OCR=3和6）表現(xiàn)為剪脹.粗糙情況下，正常固結(jié)土（OCR=1）表現(xiàn)為輕微剪縮，超固結(jié)土（OCR=2、3和6）均表現(xiàn)為剪脹，且超固結(jié)比越小，剪脹情況越明顯.

2.2 溫度變化對(duì)界面剪切的影響

2.2.1 剪切強(qiáng)度

圖5（a）比較了光滑樁-土界面在常溫、升溫15℃和降溫10℃3種條件下的剪切強(qiáng)度變化.由圖5（a）可見，OCR值較小時(shí)，升高溫度會(huì)提高界面的剪切強(qiáng)度，且OCR值越小，強(qiáng)度的提升越明顯.以O(shè)CR=1和2為例，升溫15℃和降溫10℃的剪切臨界強(qiáng)度分別達(dá)到44.91 kPa和42.72 kPa，比常溫情況下的界面剪切強(qiáng)度分別提高了33.5%和27.03%.當(dāng)OCR=6時(shí)，升溫或者降溫都會(huì)導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低.這說明樁-土界面的剪切強(qiáng)度不僅依賴于溫度數(shù)值的高低，與溫度的增量方向也有重要關(guān)系.從圖5（b）可見，對(duì)于粗糙界面，升溫15℃的剪切強(qiáng)度比常溫情況下提升了37.43%，比光滑升溫15℃時(shí)提升了13.47%.

從圖5（a）還可見，對(duì)于超固結(jié)土，如OCR=2、3和6，溫度升高時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值后不再降低或者降幅很小，說明升溫可以削弱土體的軟化作用，相反，降低溫度會(huì)加強(qiáng)土體的軟化作用.升溫會(huì)導(dǎo)致正常固結(jié)土和輕微超固結(jié)土土體體積收縮，干密度增大，進(jìn)一步增大了樁-土之間界面的咬合度從而使剪切強(qiáng)度增大，對(duì)于重度固結(jié)土，升溫導(dǎo)致土體發(fā)生膨脹，干密度降低，從而導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低［16］.

圖5 不同溫度條件的界面剪切強(qiáng)度-位移曲線Fig.5 Interfacial shear strength as a function of shear displacement at different temperatures

降溫過程中，由于距離界面較遠(yuǎn)處的土體溫度較高，孔隙中的水分從遠(yuǎn)處向界面處遷移，界面處的水體降溫后發(fā)生絮凝，可能出現(xiàn)自由水向結(jié)合水轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，使內(nèi)部顆粒排布緊密，增大了土顆粒與混凝土表面的黏聚力，從而使剪切強(qiáng)度增大［17］，但其詳細(xì)的物理機(jī)制還有待進(jìn)一步研究.

2.2.2 孔隙水壓力

不同溫度下光滑界面剪切過程中的界面土體孔隙水壓力變化如圖6（a）.由圖6（a）可見，在OCR值較低（OCR=1、2和3）時(shí)，孔壓均為正值，與常溫情況類似，孔壓隨著OCR值的減小而逐漸增大，但隨著溫度改變，界面孔隙水壓力均低于常溫情況下的界面孔隙水壓力；在OCR值較大（OCR=6）時(shí)，孔壓為負(fù)值，且升溫或降溫條件下的負(fù)孔壓幅值也低于常溫情況，但差別很小.對(duì)于粗糙界面下升溫15℃后的孔壓變化情況與光滑情況類似，如圖6（b）.由圖6（b）可見，當(dāng)OCR≥3時(shí)，不論是升溫還是降溫，光滑還是粗糙，孔壓變化并不明顯，這說明當(dāng)豎向荷載足夠小時(shí)，溫度和粗糙度對(duì)界面剪切特性沒有影響.不排水加熱剪切會(huì)導(dǎo)致土體在力學(xué)意義上表現(xiàn)為超固結(jié)狀態(tài)，因此孔壓相對(duì)于常溫情況下的不排水剪切有所降低.TANAKA等［18］的試驗(yàn)結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果吻合.

圖6 不同溫度條件下界面孔壓-剪切位移曲線Fig.6 Interfacial pore pressure as function of shear displacement at different temperatures

2.2.3 有效應(yīng)力路徑

不同工況條件下的有效應(yīng)力路徑曲線請(qǐng)掃描論文末右下角二維碼查看圖S1.光滑界面下4種OCR值的臨界狀態(tài)點(diǎn)基本是一條過原點(diǎn)的直線，粗糙情況下各OCR值的有效應(yīng)力路徑都位于光滑情況下的左側(cè)，這是由于粗糙情況下會(huì)產(chǎn)生更大的超孔隙水壓力.當(dāng)OCR=1和2時(shí)，有效應(yīng)力路徑位于臨界狀態(tài)線下方；當(dāng)OCR=3和6時(shí)，有效應(yīng)力路徑越過臨界狀態(tài)線上方后又返回臨界狀態(tài)線，這是因?yàn)楫?dāng)OCR較大時(shí)土體出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象.

升溫或者降溫情況下的臨界狀態(tài)線位于光滑情況下臨界狀態(tài)線的右方，OCR值越大，剪切初期的有效應(yīng)力路徑就越靠右.相對(duì)于光滑常溫情況，以O(shè)CR=1為例，無論是改變溫度，還是增大粗糙度，都會(huì)提升界面的剪切強(qiáng)度，使有效應(yīng)力路徑曲線越過原臨界狀態(tài)線.然而對(duì)于OCR=6來說，各種工況的結(jié)果基本一致，說明溫度和粗糙度對(duì)其影響可以忽略.

3結(jié) 論

采用改造的直剪盒裝置，在普通的應(yīng)變式直剪儀上實(shí)現(xiàn)了飽和黏土-混凝土界面的不排水剪切試驗(yàn)，研究了粗糙度和溫度效應(yīng)對(duì)其剪切特性的影響，可知：

1）對(duì)于正常固結(jié)土和輕微超固結(jié)土（OCR=1、2和3），增大粗糙度會(huì)提高界面的剪切強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致剪切過程中產(chǎn)生的正孔隙水壓力升高，與常溫下比較，升高溫度或者降低溫度均會(huì)提高界面的剪切強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致剪切過程中產(chǎn)生的孔隙水壓力降低.

2）土體在OCR值較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較明顯的軟化現(xiàn)象，增大粗糙度和升高溫度會(huì)削弱土體的軟化作用，降低溫度會(huì)加強(qiáng)土體的軟化作用.

3）正常固結(jié)土或者輕微固結(jié)土在剪切過程中會(huì)發(fā)生剪縮，導(dǎo)致土體體積減小，對(duì)于重度超固結(jié)土，剪切過程會(huì)發(fā)生剪脹，在室溫基礎(chǔ)上升溫或者降溫反而會(huì)降低土體的剪切強(qiáng)度.

4）對(duì)于相同的前期固結(jié)壓力，當(dāng)OCR足夠大，即法向荷載足夠小時(shí)，改變溫度和粗糙度對(duì)界面的剪切行為的影響基本可以忽略.