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(guò)程中，溫度變化會(huì)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(duì)能量樁的熱-力學(xué)特性，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了系列研究：Laloui等[3]通過(guò)對(duì)制熱過(guò)程中樁體的溫度、軸向應(yīng)變等進(jìn)行量測(cè)，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(shí)，能量樁應(yīng)力、應(yīng)變表現(xiàn)為熱彈性，即溫度荷載不會(huì)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(guò)程中樁體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力；而在制冷過(guò)程中樁體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。Wang等[5]針對(duì)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(cè)，結(jié)果表明摩擦型能量樁的熱交換作用并不會(huì)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(duì)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(huì)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(shí)引起的摩擦型能量樁極限承載力的變化可以忽略不計(jì)。桂樹(shù)強(qiáng)和程曉輝[7]針對(duì)溫度荷載引起樁體應(yīng)力-應(yīng)變重分布對(duì)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(huì)導(dǎo)致制冷條件下樁體下部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，還會(huì)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(duì)單次溫度荷載作用下能量樁的力學(xué)特性[8―12]，針對(duì)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(duì)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(shí)，土體溫度對(duì)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(guò)程中樁身長(zhǎng)度為純彈性變化?；陔x心機(jī)模型試驗(yàn)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(huì)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(kāi)展砂土中摩擦型能量樁的模型試驗(yàn)，研究了摩擦型能量樁在長(zhǎng)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(huì)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(shí)，其力學(xué)特性也會(huì)發(fā)生改變[16]，如當(dāng)黏土溫度升高時(shí)，黏土抗剪強(qiáng)度降低，且正常固結(jié)黏土還會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)更為復(fù)雜。但是，目前對(duì)黏土中能量樁的研究仍相對(duì)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(guò)程中樁頂會(huì)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(huì)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(shí)會(huì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(kāi)展黏土中摩擦型能量樁變形特性模型試驗(yàn)，研究工作荷載和長(zhǎng)期(20次)循環(huán)溫度作用下能量樁的沉降特性。試驗(yàn)過(guò)程中，施加工作荷載和循環(huán)溫度荷載后，對(duì)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(cè)量；并初步探討能量樁在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的累積沉降特性。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)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(guò)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(guò)硅膠管將模型槽排水孔與水箱連接，通過(guò)控制水箱內(nèi)水位來(lái)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(guò)，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(zhǎng)550 mm，有效樁長(zhǎng)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(wú)填充物，所以樁端阻力可以忽略不計(jì)。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(jiàn)圖1)布置 5個(gè)熱敏電阻(PT1~PT5)，用于測(cè)量樁體溫度，埋設(shè)前用水浴法對(duì)每個(gè)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(shù)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(shù)脂粘結(jié)一層細(xì)砂，最終樁體外徑為24.6 mm。通過(guò)自由膨脹加熱試驗(yàn)，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(zhǎng)徑比較小時(shí)，樁體混凝土的儲(chǔ)熱能力會(huì)對(duì)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(guò)，實(shí)際工程應(yīng)用中能量樁長(zhǎng)徑比往往并不大。本文統(tǒng)計(jì)了目前已開(kāi)展的能量樁應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中能量樁的長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)徑比范圍為8~55)，如表1所示。除現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)外，目前開(kāi)展的模型試驗(yàn)當(dāng)中，Stewart和McCartney[18]采用的模型樁長(zhǎng)徑比為11，Nguyen等[15]采用的長(zhǎng)徑比為30，Ng等[17]采用的長(zhǎng)徑比為19，長(zhǎng)徑比均在8~55范圍內(nèi)。因此，本文的研究結(jié)果(長(zhǎng)徑比約為18)可以用于分析當(dāng)能量樁長(zhǎng)徑比較小時(shí)其力學(xué)特性的變化規(guī)律，而對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的能量樁，需專(zhuān)門(mén)開(kāi)展針對(duì)性的研究。

土體中儀器包括8個(gè)熱敏電阻(ST1~ST8)及4個(gè)孔壓計(jì)(PPT1~PPT4)，用于測(cè)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(cè)量樁頂沉降變化，樁帽上對(duì)稱布置2個(gè)百分表。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖 /mmFig.1 Sketch of test arrangement

表1 能量樁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(lái)控制換熱液體溫度變化(精度為0.1 ℃)。制冷階段通過(guò)冰塊來(lái)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(guò)硅膠管連接，中間通過(guò)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(dòng)，流速0.3 L/min。硅膠管外側(cè)設(shè)有保溫層來(lái)防止熱量散失。換熱液體為蒸餾水。

試驗(yàn)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(gè)溫度計(jì)，試驗(yàn)過(guò)程中控制室溫穩(wěn)定在25 ℃。

為了能夠通過(guò)模型試驗(yàn)反映現(xiàn)場(chǎng)條件下的熱力學(xué)性能，本文通過(guò)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之間的幾何尺寸差別進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，采用式(1)來(lái)確定每輪溫度循環(huán)的時(shí)間[27]：

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

由于式(1)中時(shí)間是無(wú)量綱的，因此，模型試驗(yàn)的結(jié)果可以用于跟原型試驗(yàn)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(yàn)條件下每輪溫度循環(huán)時(shí)間取270 min，對(duì)應(yīng)Ng等[17]試驗(yàn)中原型尺寸下，樁徑為0.88 m的能量樁，每輪溫度循環(huán)時(shí)長(zhǎng)為8個(gè)月[20]。

1.4 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

試驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)南京地區(qū)軟黏土的滲透系數(shù)試驗(yàn)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(shí)，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(cè)得其相對(duì)密實(shí)度約為69%。砂土層填筑完成后，通過(guò)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(guò)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(jì)高度后，通過(guò)砝碼和加載板對(duì)土體表面分5級(jí)施加荷載，每級(jí)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(jí)荷載加載過(guò)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(jí)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(jì)高度 500 mm，同時(shí)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(cè)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(jì)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(zhǎng)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?？讐河?jì)的埋設(shè)與模型樁類(lèi)似，但是在孔壓計(jì)達(dá)到預(yù)定深度后，利用泥漿將孔壓計(jì)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(shù)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(jì)位置直接插入黏土中并達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)準(zhǔn)備工作完成。

1.5 試驗(yàn)工況及步驟

試驗(yàn)共包括3組工況，分別為樁基靜載試驗(yàn)、能量樁熱-力學(xué)試驗(yàn)和參照試驗(yàn)；靜載試驗(yàn)是為了得到樁基的極限承載力；能量樁熱-力學(xué)試驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，即使沒(méi)有循環(huán)溫度荷載，樁頂也會(huì)產(chǎn)生沉降變形[29]。這意味著能量樁熱-力學(xué)試驗(yàn)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(gè)因素共同造成。為了突出溫度循環(huán)對(duì)能量樁位移的影響，需要開(kāi)展參照試驗(yàn)來(lái)消除次固結(jié)對(duì)樁體長(zhǎng)期沉降的影響。本文試驗(yàn)具體步驟如下：

1)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行單樁豎向靜載試驗(yàn)，得到樁基的極限承載力約為367.5 N，本次試驗(yàn)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(guò)程完成后，樁頂施加工作荷載并保持 180 min(為了消除加載對(duì)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(kāi)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(shí)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(guò)程完成后，樁頂施加工作荷載并保持 180 min (為了消除加載對(duì)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(gè)過(guò)程樁體位移變化。

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

2 試驗(yàn)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(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。當(dāng)能量樁制熱時(shí)，樁體及樁周土體的溫度上升，在隨后的制冷過(guò)程中，樁體及土體的溫度逐漸下降。本文試驗(yàn)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(shí)，由于本文試驗(yàn)進(jìn)口水溫(分別是 5 ℃和 45 ℃)關(guān)于環(huán)境溫度(25 ℃)對(duì)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(duì)稱變化，且每輪溫度循環(huán)過(guò)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(shí)，水的體積膨脹大于土骨架的體積膨脹，這時(shí)土骨架會(huì)對(duì)水的變形產(chǎn)生約束作用，因此，土體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。當(dāng)溫度下降時(shí)，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(guò)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(duì)土體強(qiáng)度的影響。即當(dāng) Δu/σ＇=100%時(shí)(σ＇為土體有效應(yīng)力)，說(shuō)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(shí)，孔隙水壓力升高；當(dāng)土體溫度降低時(shí)，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(gè)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小；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(shí)，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(guò)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(guò)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(shì)。這個(gè)現(xiàn)象可歸因于以下幾個(gè)原因：1)本文土體為正常固結(jié)土，溫度升高會(huì)會(huì)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(huì)造成土骨架強(qiáng)度的提高。綜合兩個(gè)因素影響，土骨架對(duì)孔隙水的熱膨脹變形的約束作用加強(qiáng)。

(6) 無(wú)癥狀或未識(shí)別的心肌梗死。符合下列任一項(xiàng)才能做出診斷:① 有病理性Q波，有或無(wú)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(huì)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(duì)能量樁沉降的影響，單獨(dú)進(jìn)行了1530 min的參照試驗(yàn)，參照試驗(yàn)中樁頂位移隨時(shí)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(duì)數(shù)時(shí)間呈線性變化，這個(gè)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(yàn)的持續(xù)時(shí)間為1530 min (180 min+1350 min)，而能量樁熱-力學(xué)試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)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(duì)數(shù)時(shí)間呈線性變化，本文采用式(2)對(duì) 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(shí)刻的樁頂位移。

圖6 參照試驗(yàn)樁頂位移隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Pile head displacement during reference test

熱-力學(xué)試驗(yàn)和參照試驗(yàn)過(guò)程中樁頂位移隨時(shí)間的變化如圖7所示。試驗(yàn)測(cè)得的樁頂位移與參照試驗(yàn)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(yàn)過(guò)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(guò)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(shí)，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(shí)，其樁頂位移變化率始終小于能量樁制冷時(shí)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?yàn)楫?dāng)能量樁受熱時(shí)，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(shí)恰恰相反。因此，當(dāng)能量樁制熱時(shí)，樁體的承載力大于制冷時(shí)樁體的承載力，這導(dǎo)致了制冷時(shí)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(shí)能量樁的位移變化率逐漸增大，而制冷時(shí)能量樁的位移變化率逐漸減小。當(dāng)經(jīng)過(guò) 20次溫度循環(huán)時(shí)，制冷過(guò)程中和制熱過(guò)程中能量樁的位移隨溫度變化率基本相等。因此，此時(shí)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(yàn)過(guò)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(kāi)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(yàn)；其中 Ng等[17]試驗(yàn)中為摩擦型樁、Stewart和McCartney[18]試驗(yàn)中為端承型樁，且試驗(yàn)過(guò)程中也對(duì)樁頂位移進(jìn)行了觀測(cè)(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(yàn))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??；端承型能量樁承受循環(huán)溫度荷載時(shí)，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(yàn)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(shí)，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(shí)，其先期固結(jié)壓力會(huì)隨著溫度升高而降低，這會(huì)導(dǎo)致正常固結(jié)黏土產(chǎn)生熱固結(jié)[16―29]。熱固結(jié)會(huì)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(shí)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(shí)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(zhǎng)期溫度循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的累積沉降，否則可能會(huì)影響上部結(jié)構(gòu)的安全性和適用性。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的多變性以及工程條件的限制，通常無(wú)法對(duì)長(zhǎng)期循環(huán)溫度荷載作用下能量樁的樁頂沉降進(jìn)行檢測(cè)。因此，需要一種能夠估算能量樁在長(zhǎng)期循環(huán)溫度作用下產(chǎn)生的累積沉降的計(jì)算方法。

本文利用對(duì)數(shù)曲線，提出利用能量樁在第一次溫度循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的位移，來(lái)預(yù)測(cè)能量樁承受長(zhǎng)期循環(huán)溫度荷載時(shí)產(chǎn)生的樁頂累積沉降變化的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)樁頂位移的對(duì)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(guò)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(yàn)結(jié)果能夠與經(jīng)驗(yàn)公式較好的吻合。另外，利用式(3)對(duì)Ng等[17]開(kāi)展離心機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者也能較好地吻合。這說(shuō)明利用對(duì)數(shù)曲線對(duì)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(shuō)明，經(jīng)驗(yàn)公式中存在一個(gè)參數(shù)α，由于目前開(kāi)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(wú)法對(duì)參數(shù)α的影響因素進(jìn)行分析。因此，需要開(kāi)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(yàn)方法，本文研究了飽和黏土中摩擦型能量樁在長(zhǎng)期溫度循環(huán)過(guò)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?。粯扼w及樁周土體溫度也基本關(guān)于環(huán)境溫度呈現(xiàn)對(duì)稱變化，且每輪溫度循環(huán)過(guò)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(guò)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(shí)，其樁頂位移變化率始終小于能量樁制冷時(shí)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(shí)能量樁的位移變化率逐漸增大，而制冷時(shí)能量樁的位移變化率逐漸減小；因此，樁頂累積沉降的率隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小；本文試驗(yàn)條件下，當(dāng)經(jīng)過(guò) 20次溫度循環(huán)時(shí)，制冷過(guò)程中和制熱過(guò)程中樁頂?shù)奈灰谱兓驶鞠嗟?，此時(shí)，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(duì)數(shù)曲線對(duì)循環(huán)溫度荷載作用下的能量樁樁頂位移進(jìn)行擬合。