考虑温度效应的结构性软黏土中桩-土接触面剪切特性研究

During the service of energy pile foundations, the periodic thermal load results in the degradation of mechanical properties of soil in the pile-soil interface, especially for the soft structured clay region. Actually, the interface shear testing can be used to well reproduce the shearing behaviour between pile and soil. However, in current studies the interface shear behavior of soft structured clay considering the effect of temperature is not clarified, and thus it is lack of thermal coupling platform for analysing energy pile in soft structured clay. In this study, the temperature-controlled interface direct shear tests on natural soft structured clay are firstly carried out to analyse the effect of thermal load on the creep and destructuration behaviors of clay. Based on that, a thermo-interface model for structured clay is proposed. Finally, the model is implemented into finite element code to establish pile-soil-temperature coupling platform. This study presents the thermo-mechanical behavior of soft structured clay – pile interface, and also provides new ideas and theoretical basis for the design of energy pile in areas of soft structured clay deposits.

能源桩周期性换热过程会造成桩-土接触面力学特性的折减，从而影响其在服役过程中的稳定性，在结构性软土层中尤为显著。目前土的接触面剪切试验能较好的模拟桩-土相互作用的力学行为，但是针对温度影响的结构性软黏土接触面剪切特性研究尚不充分，也导致缺乏相应的桩-土-温度耦合计算方法。本项目首先采用天然结构性软黏土的温度控制接触面直剪试验，分析剪切过程中软黏土的流变及自身结构特性的温度效应。基于此，开发考虑温度影响的结构性黏土接触面模型。最后，进一步将接触面模型嵌入通用有限元程序，建立考虑温度影响的桩-土接触面计算平台，模拟实际工程。本研究揭示结构性软黏土中桩-土接触面力学特性的温度效应，为结构性软黏土地区能源桩的桩-土接触面剪切特性分析与设计提供新思路和理论依据。

本项目研究围绕桩基础在服役过程中，桩-土接触面土体单元的受长期循环周期荷载及热固耦合作用引起的灾变机理展开。(1)通过循环单剪试验研究桩侧土体的应力衰减和应变累积规律，总结考虑初始剪应力、循环应力比、孔隙比等初始条件影响下桩周土体循环动力响应规律。(2)基于土体的临界状态模型引入剪应变反向技术，引入组构各向异性，提出考虑单剪状态下强度弱化的循环荷载效应的本构模型，并写入有限元自定义本构程序，针对模型桩循环荷载试验，建立有限元计算平台，并对比试验结果。(3)为了更好地了解桩-土接触面土体的热力耦合特性，通过考虑温度引起土体颗粒体积膨胀收缩的原理，建立基于体积膨胀法的土颗粒热固结离散元模型，从微观角度描述了受温度影响下的土体的体积及强度衰减规律。(4)分别采用热传递模型和热膨胀模型对颗粒材料进行了一系列单调升温、单圈和多圈温度循环固结试验以及直接剪切试验的模拟，并从宏观和微观层面，分析了如边界条件、温度循环圈数以及初始相对密实度等各类外部和内部因素对颗粒材料热响应的影响。(5)针对温州软土地区的依托工程，研究桩-板复合基础的桩-土界面剪切特性，并对依托工程地基处治效果进行了现场沉降、土压力和钢筋应力监测，同时通过有限元模拟分析、考虑蠕变效应的参数敏感性分析以及参数反演预测，对下隔板-桩复合基础工作特性和变形沉降进行分析。依托本项目研究发表发表标注项目基金号论文11篇，其中SCI论文9篇，授权国家发明专4项，获浙江省科技进步二等奖1项(本项目负责人排名第五)，培养研究生5名。研究成果将丰富和发展桩-土相互作用理论，对工程中桩基础的设计、施工具有重要的应用价值和社会经济效益。