随着我国西部大开发战略的稳步推进，高速铁路、高速公路等寒区项目迅速发展，同时受全球气候变暖影响，高温冻土面积逐步增大，涉及高温冻土的工程项目数量与日俱增。共玉高速公路沿线大多数路段位于高温多年冻土区；青藏铁路有275 km处于高温冻土区。《青藏铁路多年冻土区工程勘察暂行规定》^[1]将温度范围为0~-1 ℃的冻土称为高温冻土。高温冻土具有温度敏感性和显著的流变性，在青藏铁路工程中常采取“以桥代路”的形式通过高温多年冻土区，因此桩与高温冻土相互作用问题日益凸显^[2-3]。

由于冻土与桩接触面特有的力学特性对桩和冻土的受力变形及其相互作用会产生重要影响，甚至是桩基系统稳定的薄弱环节乃至关键区域^[4]。因此，近年来，针对冻土-结构相互作用的接触面问题开展了大量的研究。温智等^[5-6]开展了不同温度(-3.0~-0.8 ℃)和含水率的青藏粉土与混凝土的接触面剪切蠕变试验，指出粗糙度增大导致内摩擦角增大，内摩擦角增大是接触面强度增加的主要原因。吕鹏等^[7]采用土工粗颗粒直剪试验得到了法向压力、温度(-10.1~-4.5 ℃)、含水率对接触面抗剪强度的影响，定义接触面峰值抗剪强度及残余抗剪强度用于表征接触面不同时段的强度值。何鹏飞等^[8]采用常规直剪仪研究了试验温度(-1，-3，-5 ℃)、法向应力、含水率及冻融循环次数对冻结黏土与混凝土接触面冻结强度的影响。孙铁成等^[9]采用常规直剪仪开展多种含水率、干密度及温度(-2，-4，-6，-10 ℃)条件下的粉土-混凝土接触面抗剪强度正交试验，得到对抗剪强度的影响程度是干密度＜温度＜含水率。石泉彬等^[10]采用自主研制的冻土直剪仪开展7 mm/min剪切速率条件下不同温度(-2，-6，-10，14 ℃)、法向应力及粗糙度的冻结粉细砂与钢板的接触面剪切试验。Zhang等^[11]采用四联直剪仪进行冻土-水泥土接触面的剪切试验，考虑试验温度为-0.5，-1，-2，-3 ℃，得到水泥土-冻土接触面抗剪强度的影响因素，将冻结粉土模拟为二元介质，并建立界面本构模型。Aldaeef等^[12]采用直剪试验研究了冻结砂与钢的界面抗剪强度，并定义表面粗糙度系数，其值随温度的降低而降低。由现有研究可知，关于冻土-结构接触面的研究主要针对接触面冻结强度及其影响因素展开，其中粗糙度是影响接触面冻结强度的主要因素之一；考虑温度影响时，现有研究大多针对低温冻土，对于高温冻土与结构接触面的力学性能研究相对较少。

然而，由于高温冻土的温度敏感性，高温冻土的变形特性较低温冻土更显著，且变形特性具有时间效应，针对高温冻土的这一特性国内外学者进行了大量研究。Ma等^[13]采用三轴试验开展了-1.5 ℃条件下饱和冻结粉土和饱和冻结粉质黏土的蠕变试验，并基于孔隙力学构建了高温冻土的本构模型。杨岁桥等^[14]在温度-1.5 ℃，-0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验，指出温度是影响冻土蠕变的最重要外在因素，而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素；马小杰等^[15]开展了温度分别为-0.3 ℃，-0.5 ℃，-1.0 ℃，含水率分别为40%，80%，120%的冻结黏土单轴压缩蠕变试验。

目前对于低温冻土-构筑物接触面相互作用的研究较为完善，对于高温冻土的研究主要集中冻土自身力学特性，关于高温冻土-结构接触面剪切蠕变特性的研究较少，然而高温冻土-结构接触面的力学特性复杂性更突出，高温冻土与结构接触面间荷载传递及变形特性更需得到关注。因此，采用自制的大型蠕变剪切仪进行冻结粉土-混凝土剪切蠕变试验，研究考虑粗糙度影响的高温冻结粉土-混凝土接触面蠕变特性，为高温冻土区的基础设施建设提供数据支撑。

(1) 蠕变剪切仪

试验采用自行研制的大型蠕变剪切仪，该仪器主要由主机框架、剪切盒、应力加载系统这3部分组成^[16]，将蠕变仪放置于低温箱内，与数据采集系统和温度控制系统配合进行蠕变试验。

(2) 制冷及温控系统

选用XT5701LTB-450高低温冷浴系统控制低温箱温度，可实现温度控制精度为±0.1 ℃。使用pt-100铂电阻传感器来进行温度测量，温度传感器布置如图 1所示。

图 1 温度传感器布设图 Fig. 1 Layout of temperature sensors

图选项

(1) 混凝土样制作

试验所需混凝土试块是粗糙度不同的高强度素混凝土试块，制备200 mm×200 mm×100 mm的混凝土试块。在混凝土表面刻槽(8 mm×7 mm×200 mm的矩形槽)用以表征不同的粗糙度情况，其详细几何尺寸如图 2所示，由灌砂法确定混凝土表面粗糙度分别为0，0.538，0.775 mm和1.225 mm。

图 2 混凝土试块表面粗糙度设计(单位：mm) Fig. 2 Surface roughness design of concrete samples (unit: mm)

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(2) 土样制作

试验用土为兰州粉土，对试验用土进行物理性质测试，测得土样各项物理指标如表 1所示。土的颗粒级配曲线，如图 3所示。

图 3 粒径级配曲线 Fig. 3 Gradation curve of particle size

图选项

土样制备时，先对粉土进行烘干处理，使土中水分完全蒸发。待冷却后按照试验需求，配制22%含水率的土样。在制样盒中先放入混凝土试块，再分层放入土样进行夯实，使其达到95%压实度要求，并按图 1所示布置温度传感器。

(1) 试样布置

剪切试验采用150 kPa的法向压力来模拟冻土桩身法向应力，用水平剪应力来模拟桩的轴向受力；水平荷载通过铁砂袋进行加载，蠕变加载条件如表 2所示。

蠕变试验结果如图 4所示，由分级加载试验结果可知：同一粗糙度试验条件下，蠕变位移在荷载较小时变化不大，随着剪应力的进一步增大，蠕变位移逐渐增大，直至试样发生破坏。随着粗糙度的增大，蠕变破坏时间增长，抵抗剪切变形的荷载也在增大。

图 4 冻结粉土-混凝土接触面蠕变试验曲线 Fig. 4 Creep test curves of frozen silt-concrete Interface

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将试样发生破坏的荷载定义为分级加载强度，由图 4可知：接触面分级加载强度随着粗糙的增大而增大，剪切时间随粗糙度增大而增长。如粗糙度为0 mm和1.225 mm时，接触面分级加载强度分别为110.4 kPa和204.15 kPa，试样剪坏耗时分别为2 730 min和5 985 min。粗糙度为1.225 mm时试样的分级加载强度比粗糙度为0 mm时增大了85%，试样抵抗破坏的时间增长了近120%。将接触面分级加载强度及蠕变时间随粗糙度的变化绘制成图 5，得到粗糙度与接触面分级加载强度及破坏时间均呈线性正相关关系。

图 5 粗糙度-分级加载强度及时间曲线 Fig. 5 Curves of roughness-graded loading strength and time

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当接触面光滑时，剪切破坏界面如图 6(a)所示，可以看出剪切后混凝土表面仅残留有少量土体，土样表面平整，土样破坏主要位于接触面交界处，具有明显的滑移破坏特征；当接触面粗糙度为0.775 mm时，其剪切破坏界面如图 6(b)所示。可以发现，剪切后土体表面凹凸明显，混凝土表面残留较多土块，说明粗糙混凝土-冻结粉土接触面承载机理除了接触面的冻结摩阻力外，还包括土样一定范围内的冻土抗剪强度，凹槽使得剪切带中冻土在剪切过程中形成被动阻力，共同阻碍剪切荷载的破坏。

图 6 接触面破坏特征 Fig. 6 Failure characteristics of interface

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利用陈氏法^[13]将分级加载蠕变试验曲线转化为分别加载蠕变曲线，如图 7所示。同一粗糙度条件下，当剪应力较小时蠕变表现为衰减蠕变，随着剪应力的增大蠕变曲线逐渐变为非衰减蠕变，且随着剪应力的增大蠕变速率逐渐增大，直至试样出现加速蠕变破坏。

图 7 高温冻结粉土-混凝土接触面分别加载蠕变曲线 Fig. 7 Creep curves of warm frozen silt-concrete interface under separate loading

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由图 7可知，在同一荷载条件下，不同粗糙度试样的蠕变位移量不同，且随着粗糙度的增大蠕变位移量减小。此外，不同粗糙度试样的蠕变曲线类型也有所区别，例如荷载为110.4 kPa时，粗糙度为0 mm的试样为加速蠕变阶段，其他3种试样为等速蠕变阶段。这说明随着粗糙度的增大，试样抵抗荷载变形的能力增强。

由图 7数据计算得到蠕变速率随时间的变化曲线，这里选取粗糙度为0 mm时蠕变速率-时间曲线，如图 8所示。由图 8可得到，当剪应力在35.4，54.15，72.9 kPa及91.65 kPa时，蠕变初期速率最大，随着蠕变时间的推移，蠕变速率持续衰减，最终分别趋于0，0.08，0.11 mm/h及0.30 mm/h，达到稳定蠕变速率的时间随荷载的增大而延长；当剪应力增大到110.4 kPa时，蠕变速率呈先减小后增大的趋势，稳定蠕变阶段不明显，试验在短时内试样发生加速蠕变破坏。

图 8 粗糙度为0 mm试样的蠕变速率-时间曲线 Fig. 8 Curves of creep rate and time of sample without roughness

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结合图 7数据得到各粗糙度试样稳定蠕变阶段的蠕变速率与剪应力关系曲线，如图 9所示。由图 9可知，粗糙度不变时，随着剪应力的增大，稳定蠕变速率呈非线性增大趋势，拟合得到稳定蠕变速率与剪应力符合arrhenius方程，如式(1)的函数关系。

(1)

图 9 稳定蠕变速率-剪应力曲线 Fig. 9 Curves of stable creep rate and shear stress

图选项

式中，a，b，c为拟合系数，与粗糙度有关。

由图 9的拟合曲线可知，低应力条件下，粗糙度越小试样的稳定蠕变速率随剪应力的变化量越大，说明增大接触面粗糙度可以增强接触面抵抗黏塑性变形的能力。同一剪应力条件下，随着粗糙度的增大，稳定蠕变速率越小，例如剪应力为91.65 kPa时，粗糙度为0，0.538，0.775，1.225 mm的接触面等速蠕变速率分别为0.30，0.07，0.06，0.02 mm/h。综上所述，增大接触面粗糙度可以有效提高冻结粉土-混凝土接触面的抗蠕变能力，这是由于增大接触面粗糙度可以增大冻土与混凝土的接触面积、提高冰颗粒及土颗粒与混凝土的咬合作用、降低冻土结构接触面蠕变速率，从而起到抑制蠕变变形，提高冻土与混凝土接触面的强度^[17]。

低应力水平时，冻土-混凝土接触面发生黏弹性蠕变，可以保持长期稳定状态；高应力水平时接触面发生黏弹塑性蠕变，其应变随时间不断增大，最终发生蠕变破坏^[18]。由此可见，蠕变破坏是黏塑性蠕变发展的结果，只要保持非零稳定黏塑性蠕变速率增长，接触面经历相当长时间的蠕变就必定会发生变形破坏。因此，稳定黏塑性蠕变速率为0的应力即为接触面的长期强度。由图 9得到当稳定蠕变速率为零时的剪应力即为该种粗糙度条件下的接触面长期强度。

由计算得到粗糙度为0，0.538，0.775，1.225 mm试样的长期强度分别为18.3，34.9，41.9，58.7 kPa，绘制长期强度与粗糙度的关系，得到在本研究的粗糙度范围内长期强度与粗糙度呈线性关系，如图 10所示。将各粗糙度条件下的长期强度与分级加载抗剪强度进行比较分析，得到0，0.538，0.775，1.225 mm时的长期强度仅为分级加载强度的16.6%，23.6%，25.1%，28.8%，由此可知，高温冻土随时间的流变效应非常显著。接触面的粗糙度由光滑分别增大到0.538，0.775，1.225 mm时，长期强度各增大了91%，129%和220%，因此，有效提高接触面粗糙度可以大幅提高高温冻土-混凝土接触面的长期强度。结合2.1~2.3节研究可知，粗糙度不仅可以有效提高接触面的分级加载强度、降低蠕变速率，同时对于接触面的长期强度具有显著的提高作用。综上所述，可将增大基础表面粗糙度作为提高高温冻土区基础长期承载能力的有效措施之一。

图 10 接触面长期强度与粗糙度的关系曲线 Fig. 10 Relation curve between long-term strength and roughness of interface

图选项

本研究通过开展不同粗糙度的高温冻结粉土-混凝土接触面剪切蠕变特性试验，分析粗糙度对高温冻结粉土-混凝土接触面蠕变规律的影响，得到如下结论：

(1) 高温冻结粉土-混凝土接触面的蠕变分级加载强度及试样破坏所需时长与粗糙度呈线性正相关关系；随着粗糙度的增大，剪切破坏界面向土体内部偏移，破坏类型由接触面滑移破坏向土体内部破坏发展。

(2) 光滑和粗糙的高温冻结粉土-混凝土接触面蠕变均具有衰减和非衰减蠕变特性；同一荷载条件下，增大粗糙度可以降低冻土与混凝土接触面的稳定蠕变速率。

(3) 高温冻结粉土-混凝土接触面具有显著的流变效应。接触面长期强度随粗糙度的增大而增大，粗糙度由光滑分别增大到0.538，0.775，1.225 mm时，长期强度各增大了91%，129%和220%。高温冻土区基础可通过增大基础表面的粗糙度来提高基础的长期承载力。

(4) 冻土和结构接触面的粗糙度增大，会对结构面层冻结强度的提高起到正向促进作用，减少桩基的沉降变形。工程实际中，对于预制桩可以采用改变桩体几何特性来改变粗糙度，如螺纹桩、螺杆桩、波纹状等，对于现浇桩可使用“砂性”回填浆液等方法以提高其承载特性。