桩-土界面的非等温不排水剪切行为分析

2022-01-13王晓强张志超王烁堯

深圳大学学报（理工版） 2022年1期

王晓强，张志超，王烁堯

1）重庆大学土木工程学院，重庆400045；2）重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045

能量桩是同时具备承载力和热量交换功能的能源桩基［1-3］，利用流经闭环地源热泵系统的热交换流体与周围土壤进行热交换.早期学者关于温度对桩-土界面特性影响的研究多针对0℃以下的冻土材料.SADOVSKIY［4］应用常规直剪仪，在低温环境下研究了不同类型的土样与不同材料之间的界面特性，发现界面之间发生了热交换，接触面处产生了冰膜.有学者对温度荷载的施加方式和温度循环进行了更深入的探讨.YAVARI等［5］通过配备有温度控制系统的传统直剪仪研究了黏土和黏土-混凝土界面的剪切行为，发现温度对黏土和黏土-混凝土界面抗剪强度可以忽略，黏土-混凝土界面的峰值强度小于黏土之间的极限抗剪强度.XIAO等［6］通过将底部剪切箱改为嵌入“W”型铝管的混凝土板，研究了循环热荷载对黏土-结构界面特性的影响，结果表明，较低法向应力下的温度循环的影响可以忽略，较高荷载下温度循环次数越大，剪切强度也会越大.也有学者研究了不同排水条件下温度对土体剪切特性的影响.NOBLE等［7］研究了土体在固结不排水剪切时温度的影响，发现固结温度越高，不排水强度越大.UCHAIPICHAT等［8］利用改进的三轴试验设备，研究了恒定含水率条件下热加载对孔隙水压力响应的影响，结果表明饱和粉土试样的孔隙水压力随温度的升高而增大.KUNTIWATTANAKUL等［9］研究了高温对正常固结和超固结状态下黏土不排水剪切特性的影响，结果表明，对于正常固结土，温度升高，孔压将会减小，抗剪强度将会增加.费康等［10］采用温控三轴仪，研究了温度变化对不同土体的固结排水和固结不排水剪切特性，结果表明，温度对粉质黏土的剪切特性基本没有影响，对黏土的影响不可忽视.王京凯［11］考虑了温度和温度循环次数对黏土-混凝土界面剪切性能的影响，发现应力状态和应力历史决定了黏土升温过程中的体积变化形式.UESUGI等［12］进行了砂土-钢和砂土-混凝土接触面的直剪和单剪试验，对表面粗糙度进行随机处理，以峰谷距和平均粒径的比值定义了接触面相对粗糙度.HRYCIW等［13］用槽深和槽宽来表示不同的粗糙度研究了砂粒在刚性带肋夹杂物周围的剪切行为.CHEN等［14］研究了评估规则的表面粗糙度对黏土-混凝土界面剪切行为的影响，可知随着表面粗糙度的增加，界面剪切强度增加.由于压缩黏土基质的特性，在较低围压下，较粗糙的界面上可能发生剪切膨胀.金子豪等［15］探究了粗糙度对混凝土-砂土接触面力学特性的影响规律，提出可考虑凹槽几何参数、槽内土体扰动深度和槽宽修正的粗糙度的计算方法.

综上可知，影响桩-土界面剪切力学行为的因素有温度、粗糙度和不排水条件等多种因素.三轴直剪仪能控制土体的排水条件，但是只能适用于土体之间.本研究通过对直剪盒进行改造，使之能够在普通的应变式直剪仪的基础上，实现对混凝土和土体进行加热和制冷，能够测量孔隙水压力和竖向位移，研究在非等温条件下桩-土界面的不排水剪切行为.

1 试验方案

1.1 试验装置

本试验采用ZJ型两速应变控制式直剪仪，为满足温度循环和测量孔隙水压力的要求，改造直剪盒装置（图1）.由图1可见，直剪盒分为上、下盒两部分，下盒平面为110 mm×110 mm的正方形，高50 mm，中间开挖深30 mm、直径80 mm的圆柱体槽，用以浇筑混凝土板，板内预先固定U型铜管，铜管外部连接恒温水箱.当对水箱中的水加热/降温时，水在铜管中循环流动以实现对混凝土的加热/制冷功能，此装置可有效模拟能量桩向桩周土体传热过程且保证温度传导均匀快速.直剪盒下盒在界面下方5 mm侧壁处开孔安装温度传感器以实时检测混凝土温度变化情况.

图1 改造直剪盒装置示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of retrofitting direct shear box device（unit：mm）

直剪盒上盒高度为55 mm，在上盒内部侧壁距离下表面5 mm处开孔，用以固定孔压传感器实时测量土体升温或降温、剪切过程中界面孔隙水压力的变化情况.直剪盒的加压盖上方固定LVDT位移传感器用以测量实时竖向位移变化.

为实现在直剪仪上实现固结不排水条件，还需要作如下操作：①首先对直剪盒的加压盖改造，盖上开4个圆孔，方便固结时水快速从孔中排出；②将上下盒对齐后用螺丝固定，将配好的饱和黏土缓慢倒入直剪盒中，上层放上滤纸和透水石，装配好后放在一维法向固结装置下，按照规范要求分级加载砝码（加载顺序为吊盘、0.319、0.637、1.275、2.500和2.500 kg），根据系数换算，前期最大固结压力为189 kPa；③固结结束后，在土样和透水石之间加一块薄铁片，并换上实心上盖，按要求施加法向荷载至孔隙水压力重新消散到零，且竖向位移不再发生变化；④剪切之前，在界面四周均匀涂抹一层凡士林，防止水分从界面排出，并用橡皮泥堵住上盒的螺孔防止空气进入.剪切时采用4 r/min的转速.当测力计百分表来回摆动或者开始后退（即测力计读数出现峰值）时，说明此时试样已经剪损，剪切变形达到4 mm，停止试验.若剪切过程中测力计读数无峰值出现时，量力环读数继续增加，则剪切变形应达到6 mm为止，此时停止剪切.

1.2 试验材料

本试验土样取自中国重庆市某茶园施工现场的天然纯黏土，比重为2.65，塑限为17.34，液限为35.38，塑性指数为15.65，液性指数为-1.04.根据《土的工程分类标准》（GB 50145—2007）确定试验所用高岭土为低液限黏土.

混凝土块用C40水泥砂浆浇筑而成，本试验分为光滑和粗糙界面两组，粗糙界面沿直径平均分布8个宽5 mm、深2 mm的凹槽.界面粗糙度为

其中，V为混凝土表面凹凸不平处的体积之和；S为接触面的表面积.根据式（1）计算，本实验中粗糙试样的粗糙度为0.5.

1.3 试验方案

本试验分别考虑了温度变化幅值，界面粗糙度，超固结比OCR等因素对界面剪切性质的影响，具体工况如表1.在室温条件下，将饱和黏土固结到189 kPa，再分别卸载到89.5、59.7和29.8 kPa，从而得到不同的OCR值（1、2、3和6）.之后进行非等温固结，对光滑界面分别升温15℃和降温10℃，对粗糙界面升温15℃.

表1 试验工况Table 1 Test conditions

2 结果及分析

2.1 粗糙度对界面剪切的影响

2.1.1 剪切强度

图2比较了常温下光滑和粗糙两种界面在OCR=1、2、3和6时的剪切强度.从图2可知，OCR值和粗糙度均对剪切强度有影响.OCR=1时剪切强度最大，OCR=6时剪切强度最小，界面剪切强度随着OCR值的减小而增大.对于相同的OCR值，当OCR=1、2和3时，粗糙界面的剪切强度均高于光滑界面，当OCR=6时，光滑和粗糙界面的剪切强度值基本相同.可见当OCR值足够大时，OCR值对剪切强度起决定性作用，粗糙度的影响基本可以忽略.

从图2还可以看出，光滑界面情况下土体在OCR=1时，剪切强度达到峰值后保持不变；而OCR=2、3和6时，剪切强度表现出明显的软化现象，即随着剪切的进行，剪切强度逐渐到达强度峰值，而后强度逐渐降低至残余强度后保持不变.然而在粗糙界面情况下，当OCR=1、2和3时，却表现出良好的硬化现象，整个剪切过程并未出现明显峰值，只在OCR=6时出现了软化现象.这主要是由于对于相同的前期固结压力的饱和黏土，OCR值越大，剪切时受到的法向荷载就越小，界面越光滑，土体颗粒与混凝土颗粒之间的联结就越弱，土体越容易先达到破坏状态.

图2 常温下不同界面粗糙度的剪切强度-剪切位移曲线Fig.2 Shear strength versus shear displacement fordifferent roughness interfaces at room temperature

当界面比较粗糙时，一部分土体进入混凝土表面的凹槽中，桩-土界面不再是单独的混凝土-黏土界面，而是混凝土-黏土界面和黏土-黏土界面两种形式.界面之间不仅存在摩擦力，黏土颗粒之间还存在黏聚力，因此剪切强度要高于光滑界面情况下的剪切强度.

2.1.2 孔隙水压力

常温下不同粗糙度的孔压-剪切位移曲线见图3.从图3可以看出，当OCR=1、2和3时，界面土体孔隙水压力为正值，且随着剪切进行孔压值逐渐增大，最后趋于稳定或者略微下降，且界面越粗糙，孔压增长的幅度越大.以OCR=1为例，粗糙情况下的孔隙水压力是光滑时的1.32倍.当OCR=6时，界面孔隙水压力随着剪切过程的进行逐渐降为负值，且界面的粗糙和光滑程度对孔压变化基本没有影响.这是由于当OCR值较小时，土体受到的竖向荷载较大，剪切过程中发生了剪缩现象，且OCR值越大，剪缩现象越明显.常温下不同界面粗糙度的竖向位移-剪切位移曲线见图4.由图4可见，土体体积减小时，水无法从直剪盒中排出，导致了孔隙水压力增大；当OCR值增大，剪切过程中发生了剪胀现象，土体体积增大，造成土体中气压失去平衡，暂时小于大气压，由于气压差形成负的孔隙水压力.

图3 常温下不同粗糙度的孔压-剪切位移曲线Fig.3 Pore water pressure as a function of shear displacement with different roughness at room temperature

图4 常温下不同界面粗糙度的竖向位移-剪切位移曲线Fig.4 Vertical displacement as a function of shear displacement with different interface roughness at room temperature

从图4还可以看出，光滑情况下正常固结土和轻微超固结土（OCR=1和2）表现为剪缩，重度超固结土（OCR=3和6）表现为剪胀.粗糙情况下，正常固结土（OCR=1）表现为轻微剪缩，超固结土（OCR=2、3和6）均表现为剪胀，且超固结比越小，剪胀情况越明显.

2.2 温度变化对界面剪切的影响

2.2.1 剪切强度

图5（a）比较了光滑桩-土界面在常温、升温15℃和降温10℃3种条件下的剪切强度变化.由图5（a）可见，OCR值较小时，升高温度会提高界面的剪切强度，且OCR值越小，强度的提升越明显.以OCR=1和2为例，升温15℃和降温10℃的剪切临界强度分别达到44.91 kPa和42.72 kPa，比常温情况下的界面剪切强度分别提高了33.5%和27.03%.当OCR=6时，升温或者降温都会导致剪切强度降低.这说明桩-土界面的剪切强度不仅依赖于温度数值的高低，与温度的增量方向也有重要关系.从图5（b）可见，对于粗糙界面，升温15℃的剪切强度比常温情况下提升了37.43%，比光滑升温15℃时提升了13.47%.

从图5（a）还可见，对于超固结土，如OCR=2、3和6，温度升高时，剪切强度达到峰值后不再降低或者降幅很小，说明升温可以削弱土体的软化作用，相反，降低温度会加强土体的软化作用.升温会导致正常固结土和轻微超固结土土体体积收缩，干密度增大，进一步增大了桩-土之间界面的咬合度从而使剪切强度增大，对于重度固结土，升温导致土体发生膨胀，干密度降低，从而导致剪切强度降低［16］.

图5 不同温度条件的界面剪切强度-位移曲线Fig.5 Interfacial shear strength as a function of shear displacement at different temperatures

降温过程中，由于距离界面较远处的土体温度较高，孔隙中的水分从远处向界面处迁移，界面处的水体降温后发生絮凝，可能出现自由水向结合水转换的现象，使内部颗粒排布紧密，增大了土颗粒与混凝土表面的黏聚力，从而使剪切强度增大［17］，但其详细的物理机制还有待进一步研究.

2.2.2 孔隙水压力

不同温度下光滑界面剪切过程中的界面土体孔隙水压力变化如图6（a）.由图6（a）可见，在OCR值较低（OCR=1、2和3）时，孔压均为正值，与常温情况类似，孔压随着OCR值的减小而逐渐增大，但随着温度改变，界面孔隙水压力均低于常温情况下的界面孔隙水压力；在OCR值较大（OCR=6）时，孔压为负值，且升温或降温条件下的负孔压幅值也低于常温情况，但差别很小.对于粗糙界面下升温15℃后的孔压变化情况与光滑情况类似，如图6（b）.由图6（b）可见，当OCR≥3时，不论是升温还是降温，光滑还是粗糙，孔压变化并不明显，这说明当竖向荷载足够小时，温度和粗糙度对界面剪切特性没有影响.不排水加热剪切会导致土体在力学意义上表现为超固结状态，因此孔压相对于常温情况下的不排水剪切有所降低.TANAKA等［18］的试验结果与本试验结果吻合.

图6 不同温度条件下界面孔压-剪切位移曲线Fig.6 Interfacial pore pressure as function of shear displacement at different temperatures

2.2.3 有效应力路径

不同工况条件下的有效应力路径曲线请扫描论文末右下角二维码查看图S1.光滑界面下4种OCR值的临界状态点基本是一条过原点的直线，粗糙情况下各OCR值的有效应力路径都位于光滑情况下的左侧，这是由于粗糙情况下会产生更大的超孔隙水压力.当OCR=1和2时，有效应力路径位于临界状态线下方；当OCR=3和6时，有效应力路径越过临界状态线上方后又返回临界状态线，这是因为当OCR较大时土体出现了软化现象.

升温或者降温情况下的临界状态线位于光滑情况下临界状态线的右方，OCR值越大，剪切初期的有效应力路径就越靠右.相对于光滑常温情况，以OCR=1为例，无论是改变温度，还是增大粗糙度，都会提升界面的剪切强度，使有效应力路径曲线越过原临界状态线.然而对于OCR=6来说，各种工况的结果基本一致，说明温度和粗糙度对其影响可以忽略.