循環(huán)溫度作用下飽和黏土中摩擦型樁變形特性研究

陸浩杰，吳 迪，孔綱強(qiáng),2，劉漢龍

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇，南京 210024)

能量樁是將傳統(tǒng)樁基與地埋式換熱管相結(jié)合，可以起到支撐上部建筑荷載與淺層地?zé)崮苣芰拷粨Q的雙重作用[1－2]。能量樁在運(yùn)行過程中，溫度變化會影響樁基的力學(xué)特性，引起附加應(yīng)力和變形，從而影響樁基承載性能。針對能量樁的熱-力學(xué)特性，相關(guān)學(xué)者開展了系列研究：Laloui等[3]通過對制熱過程中樁體的溫度、軸向應(yīng)變等進(jìn)行量測，分析了溫度荷載作用下能量樁的力學(xué)特性；結(jié)果表明當(dāng)上部荷載較小時，能量樁應(yīng)力、應(yīng)變表現(xiàn)為熱彈性，即溫度荷載不會引起不可恢復(fù)的應(yīng)力和應(yīng)變。Bourne-Webb等[4]研究了不同溫度荷載下樁體的受力和變形特性，結(jié)果表明在制熱過程中樁體內(nèi)會產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力；而在制冷過程中樁體內(nèi)會產(chǎn)生拉應(yīng)力。Wang等[5]針對一根摩擦型能量樁的樁側(cè)極限摩阻力變化進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明摩擦型能量樁的熱交換作用并不會影響摩擦型能量樁的容許承載力。Goode和McCartney[6]探究了樁端約束條件對能量樁承載性能的影響，結(jié)果表明在壓實(shí)的淤泥土中，能量樁制熱會引起摩擦型能量樁極限承載力的顯著提升；而在干砂中，能量樁制熱時引起的摩擦型能量樁極限承載力的變化可以忽略不計。桂樹強(qiáng)和程曉輝[7]針對溫度荷載引起樁體應(yīng)力-應(yīng)變重分布對樁體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明樁身的應(yīng)力-應(yīng)變重分布不僅會導(dǎo)致制冷條件下樁體下部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，還會導(dǎo)致樁-土界面產(chǎn)生彈塑性變形。

已有研究絕大多數(shù)都是針對單次溫度荷載作用下能量樁的力學(xué)特性[8―12]，針對循環(huán)溫度荷載作用下能量樁力學(xué)特性的研究則仍然相對較少[13―15]?；跀?shù)值方法，Olgun等[13]分析了30輪循環(huán)溫度荷載作用下，樁體溫度和樁頂位移變化規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)能量樁承受循環(huán)溫度荷載時，土體溫度對能量樁換熱效率的影響十分明顯，且可以認(rèn)為溫度循環(huán)過程中樁身長度為純彈性變化?；陔x心機(jī)模型試驗方法，Ng等[14]研究了循環(huán)溫度荷載作用下鉆孔灌注能量樁和預(yù)制能量樁的樁頂位移的變化規(guī)律，結(jié)果表明：鉆孔灌注能量樁會產(chǎn)生累積的樁頂沉降，而打入式能量樁在循環(huán)溫度作用后觀察到了樁頂?shù)妮p微上移。Nguyen等[15]開展砂土中摩擦型能量樁的模型試驗，研究了摩擦型能量樁在長期溫度荷載作用下的樁頂位移變化規(guī)律，結(jié)果表明：在工作荷載下，循環(huán)溫度荷載作用下能量樁會產(chǎn)生不可逆的樁頂位移，且樁身軸向應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

當(dāng)黏土溫度變化時，其力學(xué)特性也會發(fā)生改變[16]，如當(dāng)黏土溫度升高時，黏土抗剪強(qiáng)度降低，且正常固結(jié)黏土還會產(chǎn)生不可恢復(fù)的收縮變形。當(dāng)能量樁埋設(shè)在黏土地基中，能量樁的運(yùn)行會改變樁周土體的溫度，引起樁周土體力學(xué)性質(zhì)的改變，從而對能量樁的承載特性造成影響。因此，黏土中能量樁的承載特性相對更為復(fù)雜。但是，目前對黏土中能量樁的研究仍相對較少。Ng等[17]研究了不同超固結(jié)比黏土中摩擦型能量樁的熱-力學(xué)特性，結(jié)果表明：正常固結(jié)黏土中能量樁樁頂?shù)睦鄯e位移更為明顯，且隨著超固結(jié)比的增大而減小。Stewart和McCartney[18]研究了粉質(zhì)黏土中端承型能量樁樁-土界面的相互作用機(jī)理，結(jié)果表明：在連續(xù)的溫度循環(huán)過程中樁頂會產(chǎn)生下降位移。Yavari等[19]研究了不同軸向應(yīng)力作用下黏土中能量樁的力學(xué)特性，結(jié)果表明：隨著樁頂載荷的增大，黏土蠕變速率會增加。Wu等[20]研究了黏土中能量樁與傳統(tǒng)非制熱樁之間的相互作用，結(jié)果表明：能量樁與相鄰非制熱樁在有樁帽時會產(chǎn)生明顯的相互影響作用，從而改變能量樁的位移特性。上述研究成果對于深入了解黏土中能量樁的變形特性與機(jī)理起到了積極作用；然而，已有研究絕大多數(shù)都是針對單次或少量(<5次)循環(huán)次數(shù)情況下的熱力學(xué)特性變化，長期循環(huán)溫度作用下黏土中摩擦型樁的變形特性與機(jī)理仍需要進(jìn)一步深入研究。

因此，本文開展黏土中摩擦型能量樁變形特性模型試驗，研究工作荷載和長期(20次)循環(huán)溫度作用下能量樁的沉降特性。試驗過程中，施加工作荷載和循環(huán)溫度荷載后，對能量樁的溫度和位移及樁周土體的溫度和孔隙水壓力進(jìn)行測量；并初步探討能量樁在長期運(yùn)行過程中的累積沉降特性。

1 模型試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括模型槽、排水板和加載板及砝碼等部分。模型槽尺寸為800 mm×400 mm×750 mm，壁厚12 mm，為了增大模型槽的側(cè)向剛度，在模型槽外側(cè)采用鋼框架進(jìn)行約束。模型槽分為上、下兩層，中間由螺栓連接，上層高度為 250 mm，主要在土體制備過程中使用，下層高度為 500 mm，用于裝載土體及模型樁。模型槽左、右兩側(cè)各設(shè)置一塊20 mm厚排水板，底部設(shè)有排水孔，通過硅膠管將模型槽排水孔與水箱連接，通過控制水箱內(nèi)水位來實(shí)現(xiàn)土體內(nèi)水位的控制。加載板為厚度10 mm的鋼板，中間設(shè)有孔洞方便模型樁穿過，孔洞直徑略大于模型樁直徑，砝碼為鐵塊，每塊重10 kg。

1.2 模型樁及儀器

模型樁直徑24.6 mm，樁長550 mm，有效樁長450 mm。模型樁由空心不銹鋼管制成，內(nèi)、外徑分別為21 mm和23 mm，鋼管底部用圓錐形的樁帽密封，且在樁頂設(shè)置了樁帽；在樁體底部砂土層中垂直放置了內(nèi)徑和高度分別為35 mm和50 mm的鋼管且內(nèi)部無填充物，所以樁端阻力可以忽略不計。為了控制樁體溫度，在不銹鋼管內(nèi)部空腔中央埋設(shè)換熱管，換熱管道為內(nèi)徑2 mm的U型銅管；樁身內(nèi)部不同高度處(見圖1)布置 5個熱敏電阻(PT1~PT5)，用于測量樁體溫度，埋設(shè)前用水浴法對每個熱敏電阻進(jìn)行校正。待換熱管道和熱敏電阻埋設(shè)完畢，為了消除儀器、換熱管及樁體之間空氣熱阻的影響，在不銹鋼管內(nèi)部空隙中填充環(huán)氧樹脂并振搗密實(shí)。為了使鋼管表面更接近混凝土樁表面，在不銹鋼管表面利用環(huán)氧樹脂粘結(jié)一層細(xì)砂，最終樁體外徑為24.6 mm。通過自由膨脹加熱試驗，得到本研究中模型樁的平均線性熱膨脹系數(shù)為15.1 με/℃。

當(dāng)樁體長徑比較小時，樁體混凝土的儲熱能力會對能量樁的傳熱特性造成影響[21]，將線熱源的假設(shè)應(yīng)用于能量樁欠準(zhǔn)確。不過，實(shí)際工程應(yīng)用中能量樁長徑比往往并不大。本文統(tǒng)計了目前已開展的能量樁應(yīng)用與現(xiàn)場試驗中能量樁的長徑比(長徑比范圍為8~55)，如表1所示。除現(xiàn)場試驗外，目前開展的模型試驗當(dāng)中，Stewart和McCartney[18]采用的模型樁長徑比為11，Nguyen等[15]采用的長徑比為30，Ng等[17]采用的長徑比為19，長徑比均在8~55范圍內(nèi)。因此，本文的研究結(jié)果(長徑比約為18)可以用于分析當(dāng)能量樁長徑比較小時其力學(xué)特性的變化規(guī)律，而對于長徑比較大的能量樁，需專門開展針對性的研究。

土體中儀器包括8個熱敏電阻(ST1~ST8)及4個孔壓計(PPT1~PPT4)，用于測量土體溫度變化及孔隙水壓力變化。儀器位置如圖1所示。為了測量樁頂沉降變化，樁帽上對稱布置2個百分表。

圖1 試驗布置示意圖 /mmFig.1 Sketch of test arrangement

表1 能量樁現(xiàn)場測試研究概況Table 1 Summary of in-situ tests on energy piles

1.3 溫控循環(huán)系統(tǒng)與尺寸效應(yīng)

熱-冷溫控循環(huán)系統(tǒng)由保溫箱、電加熱器、溫度控制器和循環(huán)泵組成。保溫箱容積15 L，內(nèi)部設(shè)有與溫度控制器連接的電加熱器，功率 2 kW，溫度控制器帶有溫度感應(yīng)器和顯示屏，能夠進(jìn)行目標(biāo)溫度設(shè)定來控制換熱液體溫度變化(精度為0.1 ℃)。制冷階段通過冰塊來給換熱液體降溫。保溫箱內(nèi)部設(shè)有攪拌裝置以保證內(nèi)部換熱液體溫度均勻。能量樁換熱管與保溫箱之間通過硅膠管連接，中間通過設(shè)置循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)換熱液體在能量樁內(nèi)和保溫箱之間的流動，流速0.3 L/min。硅膠管外側(cè)設(shè)有保溫層來防止熱量散失。換熱液體為蒸餾水。

試驗系統(tǒng)放置在約15 m2的密閉空間，內(nèi)部設(shè)有空調(diào)和風(fēng)扇，用于室內(nèi)溫度的控制和空氣流通，室內(nèi)不同位置布置4個溫度計，試驗過程中控制室溫穩(wěn)定在25 ℃。

為了能夠通過模型試驗反映現(xiàn)場條件下的熱力學(xué)性能，本文通過模型試驗與現(xiàn)場試驗之間的幾何尺寸差別進(jìn)行方案設(shè)計，采用式(1)來確定每輪溫度循環(huán)的時間[27]：

式中：F0為傅里葉數(shù)；as為土壤導(dǎo)熱系數(shù)；t為時間；D為樁徑。

由于式(1)中時間是無量綱的，因此，模型試驗的結(jié)果可以用于跟原型試驗進(jìn)行比較。本文采用與Ng等[17]相同的傅里葉數(shù)F0，故本文試驗條件下每輪溫度循環(huán)時間取270 min，對應(yīng)Ng等[17]試驗中原型尺寸下，樁徑為0.88 m的能量樁，每輪溫度循環(huán)時長為8個月[20]。

1.4 試驗準(zhǔn)備工作

試驗用土包括厚度450 mm的樁周正常固結(jié)黏土及50 mm的樁端砂土，如圖1(a)所示。砂土為南京地區(qū)長江砂土，黏土為南京地區(qū)軟黏土，土體參數(shù)如表2、表3所示，其中滲透系數(shù)根據(jù)Zeng等[28]對南京地區(qū)軟黏土的滲透系數(shù)試驗得到。

表2 黏土參數(shù)表Table 2 Properties of clay

表3 砂土參數(shù)表Table 3 Properties of sand

土樣制備時，先利用砂雨法進(jìn)行樁端砂土層的制備填筑，落距為 500 mm，砂土層制備完成后，測得其相對密實(shí)度約為69%。砂土層填筑完成后，通過控制水箱內(nèi)的水位使砂墊層達(dá)到飽和狀態(tài)。

待砂土層飽和完成后，進(jìn)行樁周黏土層的制備。在填筑黏土前，先將預(yù)先干燥后的干燥粉狀黏土與水進(jìn)行混合制得泥漿(含水量達(dá)到 2倍液限)，然后將泥漿在真空環(huán)境下靜置3 h以除去攪拌過程中混入的氣泡。待抽真空完成后再將泥漿小心地置入模型槽中(砂土上部)。泥漿達(dá)到設(shè)計高度后，通過砝碼和加載板對土體表面分5級施加荷載，每級荷載大小分別為2.5 kPa、5 kPa、10 kPa、20 kPa和40 kPa，間隔 48 h；在最后一級荷載加載過程中，土體表面安裝百分表，記錄土體表面沉降量；施加最后一級荷載至沉降穩(wěn)定后(約 120 h后)卸去表面荷載，隨后修整土體表面至設(shè)計高度 500 mm，同時在水箱中加水，并保持液面高度始終與土體上表面持平，土樣制備完成。使用KD2 Pro熱分析儀測量黏土熱學(xué)參數(shù)。

土體制備完成后，進(jìn)行模型樁和儀器埋設(shè)。熱敏電阻尺寸為 1 mm×1 mm×2 mm；孔壓計為直徑1.5 cm，高1.5 cm的圓柱體。在進(jìn)行模型樁埋設(shè)之前，需先使用直徑和長度分別為19 mm和500 mm的薄壁土壤采樣器在模型樁所處位置的黏土中鉆孔，然后，將模型樁豎直插入鉆孔并達(dá)到預(yù)定深度。孔壓計的埋設(shè)與模型樁類似，但是在孔壓計達(dá)到預(yù)定深度后，利用泥漿將孔壓計與鉆孔之間的空隙填充以達(dá)到密封作用。埋設(shè)熱敏電阻前，預(yù)先將熱敏電阻用環(huán)氧樹脂固定到鋼釬(直徑 3 mm)上構(gòu)成熱敏電阻序列，隨后將熱敏電阻序列在設(shè)計位置直接插入黏土中并達(dá)到設(shè)計高度。

待土體中傳感器和模型樁埋設(shè)完畢之后，土體表面覆蓋一層塑料膜(防止水分蒸發(fā))并重新加載至40 kPa進(jìn)行土體二次穩(wěn)定，時間約120 h。土體和樁頂布設(shè)位移傳感器。待土體沉降穩(wěn)定后，試驗準(zhǔn)備工作完成。

1.5 試驗工況及步驟

試驗共包括3組工況，分別為樁基靜載試驗、能量樁熱-力學(xué)試驗和參照試驗；靜載試驗是為了得到樁基的極限承載力；能量樁熱-力學(xué)試驗是為了研究多次溫度循環(huán)作用下能量樁的位移特性。特別需要指出，在黏土次固結(jié)作用下，樁側(cè)會產(chǎn)生負(fù)摩阻力，隨著時間增長，即使沒有循環(huán)溫度荷載，樁頂也會產(chǎn)生沉降變形[29]。這意味著能量樁熱-力學(xué)試驗中能量樁樁頂位移的變化由溫度循環(huán)和黏土次固結(jié)兩個因素共同造成。為了突出溫度循環(huán)對能量樁位移的影響，需要開展參照試驗來消除次固結(jié)對樁體長期沉降的影響。本文試驗具體步驟如下：

1)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行單樁豎向靜載試驗，得到樁基的極限承載力約為367.5 N，本次試驗取安全系數(shù)等于 2.5，得到工作荷載大小為 147 N[20]。

2)根據(jù)上述方法重新制得土體并埋設(shè)樁體及儀器，待樁土穩(wěn)定過程完成后，樁頂施加工作荷載并保持 180 min(為了消除加載對孔隙水壓力的影響)。記錄各儀器讀數(shù)作為初始值。保持工作荷載大小不變，使保溫箱內(nèi)的循環(huán)液體達(dá)到目標(biāo)溫度(45 ℃和5 ℃)，打開循環(huán)泵，進(jìn)行20輪熱-冷溫度循環(huán)(進(jìn)口水溫分別為45 ℃和5 ℃)，單輪循環(huán)時間為270 min (熱-冷荷載各135 min)。

3)根據(jù)上述方法重新制得土體并埋設(shè)樁體及儀器，待樁土穩(wěn)定過程完成后，樁頂施加工作荷載并保持 180 min (為了消除加載對孔隙水壓力的影響)，隨后繼續(xù)保持工作荷載1350 min，記錄整個過程樁體位移變化。

圖2 試驗系統(tǒng)布置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of system layout

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 能量樁及樁周土體溫度變化規(guī)律

樁體、樁周土體溫度隨時間的變化規(guī)律如圖3所示。當(dāng)能量樁制熱時，樁體及樁周土體的溫度上升，在隨后的制冷過程中，樁體及土體的溫度逐漸下降。本文試驗進(jìn)口水溫變化范圍是 5 ℃~45 ℃，由圖3可知，能量樁樁身溫度在10 ℃~40 ℃變化，小于進(jìn)出口水溫的變化范圍，這主要是由換熱管與樁身儀器之間樁體材料的熱阻造成的。由于土壤的熱阻，土體的溫度變化量小于能量樁的溫度變化量，且離樁中軸線越遠(yuǎn)，土體溫度變化量越小。例如，距離樁中軸線1倍樁徑處(ST3)的土體溫度變化范圍為18 ℃~32 ℃，距離樁中軸線2倍樁徑處(ST6)溫度在22 ℃~28 ℃變化，距離樁中軸線8倍樁徑處(ST8)未觀察到明顯溫度變化。

當(dāng)能量樁承受循環(huán)溫度荷載作用時，由于本文試驗進(jìn)口水溫(分別是 5 ℃和 45 ℃)關(guān)于環(huán)境溫度(25 ℃)對稱變化，樁身及樁周土體的溫度也基本關(guān)于環(huán)境溫度呈現(xiàn)對稱變化，且每輪溫度循環(huán)過程中樁身及樁周土體的溫度變化規(guī)律基本一致，這與Olgun等[13]的研究結(jié)果一致。

圖3 樁、土溫度變化關(guān)系圖Fig.3 Temperature change rule of pile and soil

2.2 樁周土體孔隙水壓力變化規(guī)律

由于水的熱膨脹系數(shù)大于土顆粒的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度上升時，水的體積膨脹大于土骨架的體積膨脹，這時土骨架會對水的變形產(chǎn)生約束作用，因此，土體內(nèi)會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。當(dāng)溫度下降時，由于水的體積收縮大于土骨架的體積收縮，土體內(nèi)產(chǎn)生了負(fù)的超靜孔隙水壓力[30]。通過將溫度引起的孔隙水壓力變化與土體豎向有效應(yīng)力歸一化處理，能夠考慮孔隙水壓力對土體強(qiáng)度的影響。即當(dāng) Δu/σ＇=100%時(σ＇為土體有效應(yīng)力)，說明孔隙水壓力增量等于土體有效應(yīng)力大小，這意味著土體有效應(yīng)力為0。

土體中溫度變化引起的孔隙水壓力變化情況如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)土體溫度升高時，孔隙水壓力升高；當(dāng)土體溫度降低時，孔隙水壓力降低，這與 Abuel-Naga等[30]的研究結(jié)果一致。距離樁中軸線越遠(yuǎn)，土體孔隙水壓力變化量越小。例如，距離樁中軸線1倍樁徑處(PPT1)，孔隙水壓力的變化幅值約為±10%土體有效應(yīng)力；而距離樁中軸線更遠(yuǎn)的2倍(PPT3)和4倍樁徑處(PPT4)，孔隙水壓力變化幅值分別約為±7%和±3%土體有效應(yīng)力。這個現(xiàn)象可歸因于距離樁中軸線越遠(yuǎn)，土體溫度變化量則越??；溫度引起土體中超孔隙水壓力的大小與土體溫度的變化量呈正比[30]。在距離樁中軸線1倍樁徑處，靠近樁底位置(PPT2)處的孔隙水壓力變化量小于靠近樁頂位置(PPT1)處的孔隙水壓力變化量，這主要是由于土體底部為滲透性較好的砂墊層，而土體頂面為不透水的塑料薄膜。

由圖5可知，當(dāng)樁周土體承受循環(huán)溫度荷載作用時，可以發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)增加，土體中溫度引起的超孔隙水壓力變化幾乎不產(chǎn)生孔隙水壓力累積，即孔隙水壓力隨溫度變化可逆。但是，每輪溫度循環(huán)過程中溫度引起的超孔隙水壓力變化幅值(單次溫度循環(huán)過程中最大孔隙水壓力與最小孔隙水壓力的差值)隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這個現(xiàn)象可歸因于以下幾個原因：1)本文土體為正常固結(jié)土，溫度升高會會引起正常固結(jié)黏土的熱固結(jié)[31―32]，導(dǎo)致土骨架的強(qiáng)度提高；2)軟土的次固結(jié)也會造成土骨架強(qiáng)度的提高。綜合兩個因素影響，土骨架對孔隙水的熱膨脹變形的約束作用加強(qiáng)。

(6) 無癥狀或未識別的心肌梗死。符合下列任一項才能做出診斷:① 有病理性Q波，有或無癥狀，缺少非缺血病因。② 有與缺血病因相一致的存活心肌丟失的影像證據(jù)。③ 有心肌梗死已愈期或愈合期的病理表現(xiàn)。

圖4 溫度循環(huán)引起的樁周土體孔隙水壓力變化關(guān)系圖Fig.4 History of thermally induced pore water pressure of soil surrounding pile

圖5 樁周土體孔隙水壓力變化幅值圖Fig.5 Amplitude change rule of pore water pressure of soil surrounding pile

2.3 樁頂位移變化規(guī)律

黏土的次固結(jié)會造成樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，從而造成樁頂沉降[32]。為了消除土體次固結(jié)對能量樁沉降的影響，單獨(dú)進(jìn)行了1530 min的參照試驗，參照試驗中樁頂位移隨時間變化情況如圖6所示。由圖6可知，由土體次固結(jié)引起的樁頂沉降與對數(shù)時間呈線性變化，這個結(jié)果與Nguyen等[15]的研究結(jié)果一致。需要指出，本文參照試驗的持續(xù)時間為1530 min (180 min+1350 min)，而能量樁熱-力學(xué)試驗的持續(xù)時間為5580 min (180 min+5400 min)。考慮到由土體次固結(jié)引起的樁頂沉降與對數(shù)時間呈線性變化，本文采用式(2)對 1530 min后次固結(jié)引起的樁頂位移進(jìn)行估算：

式中，St為t時刻的樁頂位移。

圖6 參照試驗樁頂位移隨時間變化曲線Fig.6 Pile head displacement during reference test

熱-力學(xué)試驗和參照試驗過程中樁頂位移隨時間的變化如圖7所示。試驗測得的樁頂位移與參照試驗得到的樁頂位移相減，可以得到溫度荷載引起的能量樁樁頂位移的變化規(guī)律。

圖7 熱-力學(xué)試驗過程中樁頂位移變化曲線Fig.7 Pile head displacement during thermo-mechanical test

由圖7可知，在制熱階段能量樁頂部產(chǎn)生向上位移，在降溫階段樁頂產(chǎn)生向下位移。隨著循環(huán)次數(shù)增加，樁頂產(chǎn)生了不可恢復(fù)的累積沉降，且樁頂累積沉降的速率隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小。例如，在第一輪溫度循環(huán)中，能量樁頂部產(chǎn)生了0.7%D的累積沉降；第二輪溫度循環(huán)中，能量樁產(chǎn)生的累積沉降為0.4%D。20輪溫度循環(huán)過后，能量樁頂?shù)睦鄯e沉降隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化基本穩(wěn)定，樁頂累積總沉降為2%D。

樁頂位移與樁體溫度之間的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，隨著樁體溫度升高，樁頂產(chǎn)生向上位移，當(dāng)樁體溫度降低時，樁頂產(chǎn)生向下的位移。且樁頂位移隨溫度變化率始終小于樁體自由熱膨脹曲線，這是由于在樁側(cè)土體的約束作用下，能量樁不能進(jìn)行自由地膨脹或收縮。

圖8 樁頂位移與樁體溫度變化關(guān)系圖Fig.8 Pile head displacement with pile temperature

每輪循環(huán)溫度荷載作用下能量樁樁頂位移隨溫度的變化率如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)能量樁制熱時，其樁頂位移變化率始終小于能量樁制冷時樁頂位移變化率，從而導(dǎo)致了能量樁不斷產(chǎn)生累積沉降。這是因為當(dāng)能量樁受熱時，由于樁體的熱膨脹，樁-土接觸面上的法向應(yīng)力增大，而制冷時恰恰相反。因此，當(dāng)能量樁制熱時，樁體的承載力大于制冷時樁體的承載力，這導(dǎo)致了制冷時能量樁產(chǎn)生更大的位移變化率。隨循環(huán)次數(shù)的增加，制熱時能量樁的位移變化率逐漸增大，而制冷時能量樁的位移變化率逐漸減小。當(dāng)經(jīng)過 20次溫度循環(huán)時，制冷過程中和制熱過程中能量樁的位移隨溫度變化率基本相等。因此，此時能量樁樁頂?shù)睦鄯e沉降隨循環(huán)次數(shù)增加基本趨于穩(wěn)定。

圖9 熱-力學(xué)試驗過程中樁頂位移隨溫度變化率Fig.9 Pile head displacement with temperature during thermo-mechanical test

3 討論

Ng 等[17]、Stewart和 McCartney[18]開展了循環(huán)溫度荷載作用下能量樁在飽和黏土、粉土中的離心機(jī)模型試驗；其中 Ng等[17]試驗中為摩擦型樁、Stewart和McCartney[18]試驗中為端承型樁，且試驗過程中也對樁頂位移進(jìn)行了觀測(如圖10所示)。由圖10可知，隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加，摩擦型樁(Ng等[17]和本文試驗)的樁頂累積沉降隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸累積，且逐漸趨于穩(wěn)定，單次循環(huán)所產(chǎn)生的累積沉降隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸減?。欢顺行湍芰繕冻惺苎h(huán)溫度荷載時，樁頂并未發(fā)現(xiàn)明顯的累積沉降[18]。

圖10 前五輪熱-力學(xué)試驗樁頂位移變化曲線Fig.10 Pile head displacement during first five thermo-mechanical cycles

1)當(dāng)能量樁承受循環(huán)溫度荷載時，由于能量樁不斷地膨脹和收縮，樁-土接觸面不斷地進(jìn)行剪切，引起樁-土接觸面強(qiáng)度的退化[33―34]，從而導(dǎo)致能量樁產(chǎn)生累積沉降。

2)當(dāng)黏土的溫度升高時，其先期固結(jié)壓力會隨著溫度升高而降低，這會導(dǎo)致正常固結(jié)黏土產(chǎn)生熱固結(jié)[16―29]。熱固結(jié)會加劇樁體上部產(chǎn)生的負(fù)摩阻力。

3)能量樁制熱和制冷時樁-土接觸面上法向應(yīng)力的不同變化，導(dǎo)致制熱和制冷時能量樁樁頂?shù)奈灰谱兓什煌?如圖9所示)，這也是引起能量樁累積沉降的因素之一。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要考慮能量樁在長期溫度循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的累積沉降，否則可能會影響上部結(jié)構(gòu)的安全性和適用性。但是，由于現(xiàn)場條件的多變性以及工程條件的限制，通常無法對長期循環(huán)溫度荷載作用下能量樁的樁頂沉降進(jìn)行檢測。因此，需要一種能夠估算能量樁在長期循環(huán)溫度作用下產(chǎn)生的累積沉降的計算方法。

本文利用對數(shù)曲線，提出利用能量樁在第一次溫度循環(huán)過程中產(chǎn)生的位移，來預(yù)測能量樁承受長期循環(huán)溫度荷載時產(chǎn)生的樁頂累積沉降變化的經(jīng)驗公式：

式中：Un為第n輪溫度循環(huán)引起的樁頂位移；N為循環(huán)數(shù)。

圖11 熱-力學(xué)試驗樁頂位移的對數(shù)曲線擬合結(jié)果Fig.11 Logarithmic curve fiting of pile head displacement during thermo-mechanical test

經(jīng)過Un=1規(guī)一化后能量樁的樁頂位移如圖11所示。由圖11可知，本文的試驗結(jié)果能夠與經(jīng)驗公式較好的吻合。另外，利用式(3)對Ng等[17]開展離心機(jī)試驗的結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者也能較好地吻合。這說明利用對數(shù)曲線對循環(huán)溫度荷載作用下能量樁產(chǎn)生的樁頂累積沉降進(jìn)行擬合是合理的。需要說明，經(jīng)驗公式中存在一個參數(shù)α，由于目前開展的黏土中循環(huán)溫度荷載作用下能量樁力學(xué)特性的研究較少，故無法對參數(shù)α的影響因素進(jìn)行分析。因此，需要開展更多黏土中能量樁力學(xué)特性的研究以便分析得到參數(shù)α的影響因素與取值范圍。

4 結(jié)論

基于模型試驗方法，本文研究了飽和黏土中摩擦型能量樁在長期溫度循環(huán)過程中的變形特性，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)樁體及樁周土體的溫度隨著輸入溫度的變化而變化；由于土壤熱阻的影響，土體的溫度變化量小于能量樁的溫度變化量，并且距樁中軸線越遠(yuǎn)，土體溫度變化量越小；樁體及樁周土體溫度也基本關(guān)于環(huán)境溫度呈現(xiàn)對稱變化，且每輪溫度循環(huán)過程中樁體及樁周土體溫度變化規(guī)律基本一致。

(2)樁周土體孔隙水壓力隨著土體溫度的升高(或降低)而增大(或減小)，距離樁中軸線越遠(yuǎn)，土體孔隙水壓力變化量越??；隨著循環(huán)次數(shù)增加，土體中溫度引起的超孔隙水壓力變化幾乎不產(chǎn)生孔隙水壓力的累積，即孔隙水壓力隨溫度變化變化可逆，但每輪循環(huán)過程中溫度引起的超孔隙水壓力變化幅值隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大。

(3)當(dāng)能量樁制熱時，其樁頂位移變化率始終小于能量樁制冷時樁頂位移變化率，從而導(dǎo)致能量樁不斷產(chǎn)生累積沉降；且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，制熱時能量樁的位移變化率逐漸增大，而制冷時能量樁的位移變化率逐漸減??；因此，樁頂累積沉降的率隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸減??；本文試驗條件下，當(dāng)經(jīng)過 20次溫度循環(huán)時，制冷過程中和制熱過程中樁頂?shù)奈灰谱兓驶鞠嗟?，此時，能量樁樁頂?shù)睦鄯e沉降隨循環(huán)次數(shù)增加基本穩(wěn)定在 2%D(D為樁徑)；可以利用對數(shù)曲線對循環(huán)溫度荷載作用下的能量樁樁頂位移進(jìn)行擬合。