陳志雄 甘豐嘉 王成龍 彭宸 丁選明

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2023.021

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51908087）；中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)（2021CDJQY-042）

作者簡介：陳志雄（1982-?），男，博士，副教授，主要從事樁-土相互作用機(jī)理研究，E-mail：chenzhixiong@cqu.edu.cn。通信作者：王成龍（通信作者），男，博士，副教授，?E-mail：wangclong@cqu.edu.cn。

Received： 2022?12?08

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51908087）; Fundamental Research Funds for the Central Universities （No. 2021CDJQY-042）

Author brief： CHEN Zhixiong （1982-?）， PhD， associate professor， main research interest： pile-soil interaction mechanism， E-mail： chenzhixiong@cqu.edu.cn.

corresponding author：WANG Chenglong （corresponding author），?PhD，?associate professor，?E-mail：?wangclong@cqu.edu.cn.

（1. 重慶大學(xué)?土木工程學(xué)院，重慶?400045；2. 大足石刻研究院，重慶?402360；?3. 重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，重慶?401121）

摘要：能量樁工作過程中，樁體受溫度變化影響會產(chǎn)生熱變形，進(jìn)而引起樁周土體的循環(huán)剪切作用，弱化地基承載力，給樁基的正常使用帶來風(fēng)險。由于傳統(tǒng)直剪儀無法模擬能量樁工作過程中的溫度變化，因此對樁-土接觸面力學(xué)特性受溫度影響的變化規(guī)律研究較少。對傳統(tǒng)直剪儀進(jìn)行改造，使其可以改變剪切試樣溫度；所用土體從重慶某施工現(xiàn)場取樣，開展不同溫度變化下樁-土接觸面的室內(nèi)土工直剪試驗，分析單次溫度變化和循環(huán)溫度變化對樁-土接觸面力學(xué)性能的影響，并對溫度影響下樁-土接觸面力學(xué)特性與土體力學(xué)特性的差異進(jìn)行比較。結(jié)果表明，能量樁-土接觸面的抗剪強(qiáng)度受溫度影響較大；隨著溫度的升高，能量樁-土界面摩擦角和黏聚力先減小后增大；低法向應(yīng)力下溫度循環(huán)對樁-土接觸面力學(xué)特性影響較大，而高法向應(yīng)力下溫度循環(huán)對樁-土接觸面力學(xué)特性影響不顯著；土體的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和摩擦角隨溫度變化規(guī)律與樁-土界面類似。

關(guān)鍵詞：能量樁；剪切特性；樁-土接觸面；溫度變化

中圖分類號：TU473 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0016-08

Experimental study on shear behavior of energy pile-soil interface affected by temperature

CHEN Zhixiong¹，?GAN Fengjia¹，?WANG Chenglong^1，2，3，?PENG Chen¹，?DING Xuanming¹

（1. College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China；?2. Academy of Dazu Rock Carvings， Chongqing 402360， P. R. China；?3. Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration， Chongqing 401121， P. R. China）

Abstract： In the working process of energy pile， the pile body will produce thermal deformation influenced by temperature change and induce cyclic shear action on the soil around the pile， which would weaken the bearing capacity of the foundation and bring risks to the normal use of the pile foundation. Because the traditional direct shear apparatus could not simulate the temperature variation of the pile and soil in the working process of energy piles， there was limited research on the mechanical properties of the pile-soil interface affected by the temperature. In this paper， the traditional direct shear apparatus was modified to adjust the temperature of soil samples. The soil used in this test was sampled from a construction site in Chongqing， and the geotechnical direct shear tests of pile-soil interface under different temperatures were carried out. The effects of single and cyclic temperature variation on the mechanical properties of the pile-soil interface were analyzed. Meanwhile， the difference between the mechanical properties of pile-soil interface and soil was compared. The results showed that the shear strength of pile-soil interface was influenced significantly by the temperature. With the ?increase of temperature， the friction angle and cohesion of the pile-soil interface would firstly decrease and then increase. Temperature cycles had a great influence on the mechanical properties of pile-soil interface under low normal stress， while it had no significant influence under high normal stress. The variations of shear strength， friction angle and cohesion of the soil influenced by temperature was similar to those of pile-soil interface.

Keywords： energy pile；?shear behavior；?pile-soil interface；?temperature variation

能量樁技術(shù)主要通過在樁基中埋設(shè)熱交換管，利用熱交換液高效提取淺層地?zé)崮?，并將其用于上部建筑的制冷或供暖，達(dá)到降低建筑能耗的目的。而在加熱或制冷過程中，能量樁承擔(dān)上部建筑荷載的同時還受到溫度變化的影響，而樁體和土體受溫度影響會產(chǎn)生膨脹或收縮，引起結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)響應(yīng)^[1-2]。

近年來，學(xué)者們基于室內(nèi)試驗對能量樁-土接觸面力學(xué)特性開展了一系列研究^[3-4]。李春紅等^[5]通過水浴加熱控制樁-土接觸面的溫度，針對不同含水率的黏土、砂土和粉土開展了一系列直剪試驗，結(jié)果表明，在相同溫度下，樁-黏土接觸面剪切強(qiáng)度隨著土體含水率的增加而增加，而樁-砂土接觸面和樁-粉土接觸面剪切強(qiáng)度受土體含水率影響較小。Xiao等^[6]研究了溫度作用下粉土與土-混凝土界面的剪切特性，結(jié)果表明，循環(huán)溫度變化將引起粉土的抗剪強(qiáng)度增加，且土體的峰值抗剪強(qiáng)度比土-混凝土界面峰值抗剪強(qiáng)度大30%。Di Donna等^[7]對能量樁-砂土接觸面開展了一系列直剪試驗，研究結(jié)果表明，溫度變化對樁-砂土接觸面的剪切強(qiáng)度無明顯影響。Maghsoodi等^[8]研究了熱效應(yīng)對土體-結(jié)構(gòu)界面力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，溫度變化對砂土和砂土-結(jié)構(gòu)界面的抗剪強(qiáng)度的影響可以忽略不計，但黏土在試驗過程中會發(fā)生熱收縮，黏聚力增加，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度增加。李春紅等^[9]利用改裝的傳統(tǒng)應(yīng)變控制三軸儀探究溫度對能量樁-土界面力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，在單向溫度作用下升溫會使樁頂產(chǎn)生向上的位移而降溫時相反，循環(huán)溫度變化會使樁頂產(chǎn)生不可逆的累積沉降位移。Yazdani等^[10]研究了溫度對樁-土界面抗剪強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明，在溫度變化作用下，黏土-混凝土的抗剪強(qiáng)度特性主要由施加的法向應(yīng)力和黏土先期應(yīng)力歷史決定，且正常固結(jié)黏土-混凝土界面的峰值摩擦角隨溫度升高而增加，而其黏聚力隨溫度升高而降低。Di Donna等^[11]的研究指出，超固結(jié)土在溫度循環(huán)的過程中表現(xiàn)為熱彈性，正常固結(jié)土表現(xiàn)為熱彈性-熱塑性，但其塑性變形主要發(fā)生在第1輪溫度循環(huán)。Yavari等^[12]的結(jié)果表明，相同法應(yīng)力下黏土-樁界面的峰值抗剪強(qiáng)度小于黏土的抗剪強(qiáng)度，但溫度對樁-黏土接觸面的剪切強(qiáng)度影響較小，這與Murphy等^[13]和Li等^[14]的結(jié)果一致。而Di Donna等^[7]的結(jié)果卻表明，隨著溫度的增加，樁-黏土接觸面的剪切強(qiáng)度增加。

已有研究中溫度對樁-土接觸面強(qiáng)度影響的結(jié)果并不一致，且不同地區(qū)的土體性質(zhì)可能存在著差異。因此，需要進(jìn)一步探討溫度對樁-土接觸面強(qiáng)度的影響。由于傳統(tǒng)的直剪儀和三軸儀無法考慮溫度變化的影響，學(xué)者們對直剪儀和三軸儀進(jìn)行改裝，使其適用于測量樁-土接觸面抗剪強(qiáng)度^[15-17]。而目前考慮溫度變化的對樁-土接觸面剪切強(qiáng)度的研究仍然較少，筆者通過對室內(nèi)直剪儀進(jìn)一步改造，并進(jìn)行了多組不同溫度工況下樁-土界面的土工直剪試驗，探究溫度變化及冷熱循環(huán)對土體以及樁-土接觸面的力學(xué)特性的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料特性

試驗所用混凝土為C30混凝土，土體取自重慶渝北某施工現(xiàn)場非飽和粉土，土體顆粒級配曲線如圖1所示。土體比熱以及導(dǎo)熱系數(shù)由KD2 Pro熱物性分析儀測得，試驗土體物理參數(shù)見表1。

1.2 實(shí)驗裝置

試驗采用zj型應(yīng)變控制式直剪儀，在此設(shè)備基礎(chǔ)上改裝其上下剪切盒，在原剪切盒的外部增加了封閉水槽以控制剪切試樣溫度。新設(shè)計上剪切盒尺寸外模為75 mm×75 mm×55 mm（長×寬×高），剪切面直徑為63 mm。在外模四周安裝封閉水槽，水槽的尺寸為120 mm×45 mm×48 mm（長×寬×高）。上剪切盒外模上表面與封閉水槽齊平，下表面略低于封閉水槽，以消除封閉水槽對剪切過程的影響。同時在剪切面上方預(yù)留有溫度傳感器的接線孔。下剪切盒設(shè)計與上剪切盒相似，在外模四周加上封閉的水槽，下剪切盒外模上表面略高于封閉水槽上表面，以消除水槽對剪切過程的影響。下剪切盒中為混凝土試樣或土體，直徑為63 mm，高度為50 mm，上剪切盒中為土體，直徑為63 mm，高度為50 mm。改裝后的剪切盒示意圖如圖2所示。

試驗采用溫控水循環(huán)裝置完成對水溫和水循環(huán)的控制。將目標(biāo)溫度的水不斷通入封閉水槽，使水槽中的水保持恒溫，以達(dá)到改變試驗剪切界面溫度的目的。試樣中埋有溫度傳感器，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對試樣溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和采集。試驗設(shè)備實(shí)物如圖3所示。

1.3 實(shí)驗設(shè)計與實(shí)施

將C30混凝土澆入下剪切盒，養(yǎng)護(hù)28 d。將剪切上下盒對準(zhǔn)，插入固定銷，并將溫度傳感器插入剪切面上方的預(yù)留孔中。將固定質(zhì)量的松散土樣填入剪切盒，并用擊實(shí)錘擊實(shí)，擊實(shí)過程中通過控制體積來控制土體試樣的干密度，直至土體填至設(shè)計高度，土體填筑完成。每次試驗土體試樣的干密度均保持一致，控制為1.53 g/cm³。達(dá)到預(yù)先設(shè)定溫度后，將水通入剪切盒外部的封閉水槽，觀察剪切試樣剪切面的溫度變化，當(dāng)溫度達(dá)到試驗設(shè)計溫度時，施加法向壓力，隨后拔出固定銷，采用0.8 mm/min的剪切速率對試樣進(jìn)行剪切，當(dāng)測力計的讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或出現(xiàn)回退時，表示試樣已剪損，剪至剪切變形達(dá)到4 mm時停止剪切，當(dāng)測力計讀數(shù)不出現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)增長時，剪切變形達(dá)到6 mm時停止剪切，手輪每轉(zhuǎn)一圈記錄測力計位移，直到停止剪切。

針對土體和樁-土接觸面分別進(jìn)行了分析研究，通過控制剪切界面的溫度來模擬能量樁工作過程中的溫度變化。溫度工況參考季節(jié)溫度變化、晝夜的較大溫差以及研究高溫對樁-土接觸面力學(xué)性能的影響將其劃分為室溫（21 ℃）、單次制冷（21～10 ℃）、單次加熱（21～30 ℃）、單次加熱（21～35 ℃）、單次加熱（21～55 ℃）以及冷熱循環(huán)?（21～35～10 ℃）1次、冷熱循環(huán)（21～35～10 ℃）5次。剪切目標(biāo)溫度為剪切界面的實(shí)際溫度，通過埋入試樣中的溫度傳感器測得，由于采用封閉水槽的加熱方式，剪切試樣的溫度分布較為均勻。每組工況進(jìn)行3組平行試驗，并在每種溫度工況下進(jìn)行50、100、150、200 kPa法向壓力的剪切試驗，共需開展168組直剪試驗。試驗中的制冷工況對應(yīng)于能量樁實(shí)際運(yùn)行時上部結(jié)構(gòu)負(fù)荷側(cè)的冬季制熱，也就是能量樁對土體的吸熱過程；反之，試驗中的制熱工況對應(yīng)于上部結(jié)構(gòu)負(fù)荷側(cè)的夏季制冷，也就是能量樁對土體的放熱過程。表2和表3分別為單次溫度變化工況和多次溫度循環(huán)下的試驗工況。土體試驗工況與樁-土界面試驗工況一致。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溫度對樁-土接觸面力學(xué)性能的影響

圖4為不同溫度下樁-土接觸面剪切應(yīng)力-位移變化曲線。如圖4所示，在不同法向壓力下，各溫度工況的樁-土接觸面剪切應(yīng)力都隨剪切位移的增大而快速增加，之后增長速率逐漸降低，直至剪切應(yīng)力基本不發(fā)生變化，剪切面發(fā)生破壞。結(jié)果表明，在不同法向應(yīng)力下，制冷時樁-土界面最大剪應(yīng)力均有所增加，而加熱時其隨溫度的升高基本上先下降后上升，原因可能是制冷時土體受冷收縮，土體顆粒間孔隙減小，樁-土接觸更加充分，使樁-土接觸面抗剪強(qiáng)度有一定的提高；而加熱時出現(xiàn)剪切強(qiáng)度下降的原因可能是隨著溫度的增加，土中水分受熱膨脹，導(dǎo)致土體孔隙率增加，抗剪強(qiáng)度降低；當(dāng)樁-土接觸面的溫度進(jìn)一步升高后，樁體及土體受熱徑向膨脹，土體顆粒相互擠壓，土體顆粒間作用力增大，引起土體強(qiáng)度升高，同時樁-土接觸面受熱相互擠壓，接觸面法向應(yīng)力增加，導(dǎo)致樁-土界面抗剪強(qiáng)度提高。

通過測量土樣在不同法向壓力σ下的剪切強(qiáng)度τ_f，繪制出剪切強(qiáng)度τ_f與法向壓力σ的關(guān)系曲線，庫倫定律規(guī)定直線與橫軸的夾角為摩擦角φ，與縱軸的截距為黏聚力c，庫倫定律公式為

τ_f=c+σtanφ（1）

對不同溫度和不同法向壓力下的樁-土接觸面進(jìn)行直剪試驗，得到樁-土接觸面的強(qiáng)度包絡(luò)線如圖5所示，各擬合點(diǎn)基本在擬合直線上。結(jié)果表明，不同溫度和不同法向壓力下樁-土接觸面的摩擦角φ處于16.17 °～21.31 °之間，并且黏聚力c處于13.15 ～26.15 kPa之間。

圖6所示為樁-土接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度的變化規(guī)律。室溫下制冷后，樁-土接觸面摩擦角φ和黏聚力c均有所增加，而在加熱時，隨著溫度的升高，黏聚力逐漸增大，而摩擦角先減小后增大。這可能是因為當(dāng)溫度相對較低時，土體收縮，土體間的孔隙減小，樁-土接觸更加充分，使得樁-土接觸面的摩擦角和黏聚力增大。而隨著溫度增加到一定程度時，土體發(fā)生熱膨脹，土體顆粒間相互擠壓導(dǎo)致樁-土接觸面的黏聚力和摩擦角增大，引起土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)提高?？傮w來說，黏聚力受溫度變化影響更為顯著，隨著溫度的升高（10～55 ℃），能量樁-土界面摩擦角和黏聚力先減小后增大。

圖7為不同冷熱循環(huán)次數(shù)下樁-土接觸面應(yīng)力-位移變化曲線。如圖7所示，在初始階段，剪切應(yīng)力隨剪切位移的增加快速增長，之后增長速率逐漸降低，直至剪切應(yīng)力基本不發(fā)生變化。在低法向應(yīng)力工況下（50、100 kPa），隨著溫度循環(huán)的次數(shù)增多，樁-土接觸面的抗剪強(qiáng)度明顯提高，但在高法向應(yīng)力情況下（150、200 kPa），溫度循環(huán)次數(shù)對樁-土接觸面的抗剪強(qiáng)度影響不顯著。這可能是因為法向應(yīng)力較低時，冷熱循環(huán)下，土體交替膨脹和收縮，土中水分受熱蒸發(fā)，多次循環(huán)后土體含水率減小，隨著溫度循環(huán)的次數(shù)增多，樁-土接觸面的抗剪強(qiáng)度提高，而高法向應(yīng)力下樁-土界面的抗剪強(qiáng)度主要受法向應(yīng)力控制，樁-土界面的抗剪強(qiáng)度受法向應(yīng)力影響較大，溫度循環(huán)的影響較小。

2.3 不同溫度變化下土體與樁-土接觸面力學(xué)性能對比

圖8所示為不同法向壓力下土體和樁-土接觸面剪切強(qiáng)度隨溫度變化曲線。土體抗剪強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律與樁-土接觸面相似，在不同的法向應(yīng)力作用下，制冷時，樁-土接觸面和土體的剪切強(qiáng)度均明顯增大，而在加熱后，其隨著溫度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在應(yīng)力水平較高時更加明顯。當(dāng)溫度在21～30 ℃之間時，樁-土接觸面和土體抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)最小值。原因可能是制冷時，土體中孔隙收縮，土體骨架強(qiáng)度提高，而當(dāng)土體溫度較高時，土體發(fā)生熱膨脹，使土粒間法向應(yīng)力提高，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度提高。

圖9為不同溫度下土體和樁-土接觸面力學(xué)指標(biāo)變化曲線。土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化和樁-土接觸面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律類似，即隨著溫度的逐漸增加而先減小后增大，在21～35 ℃之間出現(xiàn)最小值，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度變化的原因和樁-土接觸面力學(xué)指標(biāo)變化原因一致。如圖9（a）所示，制冷時，樁-土接觸面和土體摩擦角都增大，而在加熱時隨溫度升高先減小后增大，且其最小值都出現(xiàn)在35 ℃左右，土體摩擦角普遍略大于樁-土接觸面摩擦角，但最大差值僅為6%。如圖9（b）所示，加熱和制冷時，土體和樁-土接觸面的黏聚力均有所增加，在21 ℃時，黏聚力出現(xiàn)最小值，且土體的黏聚力明顯大于樁-土接觸面的黏聚力，當(dāng)溫度升高至35 ℃以上時，其黏聚力的增長速率明顯降低。

3 結(jié)論

對室內(nèi)常規(guī)直剪儀進(jìn)行改裝，模擬能量樁工作過程中的溫度變化，并采用改裝后的直剪儀對重慶某施工現(xiàn)場土體進(jìn)行一系列土工直剪試驗，分析了不同單次溫度變化和循環(huán)溫度變化下能量樁-土接觸面的力學(xué)特性，進(jìn)一步對溫度變化下土體與樁-土接觸面力學(xué)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析，對于粉土和樁-粉土界面的力學(xué)特性主要得到如下結(jié)論：

1）能量樁-粉土接觸面的抗剪強(qiáng)度受溫度影響較大。當(dāng)樁-土界面溫度從常溫（21 ℃）開始降低時，其剪切強(qiáng)度增加，而當(dāng)溫度從常溫（21 ℃）上升時，其剪切強(qiáng)度基本上先減小后增加?？辜魪?qiáng)度的最小值出現(xiàn)在21～30 ℃之間。

2）溫度會對能量樁-粉土接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)產(chǎn)生影響，當(dāng)樁-土界面溫度從常溫（21 ℃）開始降低時，其黏聚力和摩擦角增加，樁-土界面溫度從常溫（21 ℃）上升時，其黏聚力逐漸增加而摩擦角先減小后增大?？傮w來說黏聚力受溫度變化影響更為顯著。

3）低法向應(yīng)力影響下，溫度循環(huán)引起樁周土體產(chǎn)生熱膨脹和冷收縮，土體骨架強(qiáng)度提高，樁-土接觸面抗剪強(qiáng)度受溫度循環(huán)次數(shù)影響顯著；高法向應(yīng)力限制了土體的變形，樁-土接觸面抗剪強(qiáng)度受溫度循環(huán)次數(shù)影響不顯著。

4）土體抗剪強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律與樁-土接觸面相似。土體的摩擦角及黏聚力基本均大于同溫度下的樁-土接觸面的摩擦角及黏聚力。在制熱工況下，土體的黏聚力增大，而摩擦角隨溫度增加先減小后增大，而制冷工況下黏聚力和摩擦角均增大。總的來說，隨著溫度的升高，土體和樁-土界面摩擦角和黏聚力先減小后增大。

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（編輯??胡英奎）