不同樁側(cè)粗糙度對(duì)樁-土接觸面力學(xué)特性的影響研究?

蔣勁羽，方 琴

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院貴州貴陽550025)

不同樁側(cè)粗糙度對(duì)樁-土接觸面力學(xué)特性的影響研究?

蔣勁羽，方 琴?

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院貴州貴陽550025)

從樁的承載機(jī)理來看，樁-土間的相對(duì)位移是樁側(cè)阻力發(fā)揮的必要條件，而影響相對(duì)位移一個(gè)非常重要的因素就是樁表面的粗糙度，在不同的粗糙度下，樁-土接觸面間表現(xiàn)出明顯不同的力學(xué)特性。本文采用大型直剪試驗(yàn)研究了不同粗糙度對(duì)樁-土接觸面力學(xué)特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著剪切位移的增大，剪切應(yīng)力增長速度越來越小，最后趨于平緩，且粗糙度的變化，對(duì)曲線形態(tài)的影響不大;存在一臨界粗糙度，當(dāng)粗糙度小于臨界粗糙度時(shí)，剪切應(yīng)力的峰值隨粗糙度的增大而增大，反之，隨粗糙度的增大而減小。

樁-土接觸面;粗糙度;大型直剪試驗(yàn);力學(xué)特性

隨著城市高層建筑物、高速公路和高速鐵路等工程項(xiàng)目的大力建設(shè)和發(fā)展，如果建筑場(chǎng)地淺層的土質(zhì)不能滿足建筑物對(duì)地基承載力和變形的要求，就需要考慮以下部堅(jiān)實(shí)的土層或巖層作為持力層的深基礎(chǔ)方案，幾種深基礎(chǔ)方案中，以鉆孔灌注樁的應(yīng)用最為廣泛。樁的承載力由兩個(gè)方面組成，一個(gè)是樁端阻力，另一個(gè)則是樁側(cè)阻力。根據(jù)實(shí)際工程中通常的設(shè)計(jì)實(shí)踐，絕大多數(shù)的鉆孔灌注樁是按照摩擦樁計(jì)算承載力，即鉆孔灌注樁大部分的承載力是由樁側(cè)摩阻力提供。在灌注樁的成孔檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，鉆孔灌注樁的孔徑沿著深度方向并非為一定值，樁側(cè)表面形成凹凸不平的粗糙度，使得樁身直徑的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值有著一定的差距。在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)，由粗糙度引起的樁-土接觸面力學(xué)特性的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。對(duì)于樁-土接觸面間的力學(xué)特性問題，其實(shí)質(zhì)上就是解決建筑物與土體兩種不同材料之間相互作用的問題。目前，眾多學(xué)者對(duì)此類問題進(jìn)行了深入研究[1]-[7]。

本文利用預(yù)制的具有不同表面粗糙度的混凝土板與粗砂進(jìn)行接觸面剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出不同樁側(cè)粗糙度對(duì)樁-土接觸面力學(xué)特性的影響，來模擬鉆孔灌注樁樁徑沿樁長變化時(shí)的樁側(cè)摩阻力對(duì)承載力的影響，這對(duì)深入研究鉆孔灌注樁的承載性具有一定意義。

1 接觸面剪切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用的是TYJ-800大型直接剪切儀(圖1)，由中南大學(xué)巖土工程系與長春朝陽試驗(yàn)儀器有限公司合作研制。制作過程中加大了剪切盒的尺寸，使試樣由原來的直徑61.8mm改為尺寸為500mm×500mm的方形；試樣高度由原來的20mm增加到300mm。試驗(yàn)機(jī)通過計(jì)算機(jī)、控制器、執(zhí)行組件、傳感組件等組成的全數(shù)字伺服循環(huán)控制系統(tǒng)可以進(jìn)行三維靜力加載及動(dòng)態(tài)循環(huán)加載。在加載過程中可以釆用位移控制、應(yīng)力控制及二者結(jié)合的控制方式，且在試驗(yàn)過程中還能實(shí)現(xiàn)控制方式的互相轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)在三個(gè)方向上的同步和相位的自定義加載；可實(shí)現(xiàn)如圓形或橢圓形應(yīng)力路徑、十字形應(yīng)力路徑以及如圓形或橢圓形位移軌跡和十字形位移軌跡等預(yù)定路徑的復(fù)雜加載。該試驗(yàn)儀器主要包括液壓伺服單元、測(cè)控單元、加載單元、土樣制作單元。

圖1 TYJ-800大型直接剪切儀

1.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用的粗砂取自長沙市湘江河砂。通過測(cè)量含水率分別為8%、10%、12%、14%、16%五組試樣的干密度，對(duì)所得值進(jìn)行拋物線擬合，得到砂土的最優(yōu)含水率在8%到12%之間，而粗砂的最大持水率為21%，所以本試驗(yàn)取一中間值作為試驗(yàn)砂土的含水率，即含水率為16%的粗砂。

分別采用漏斗法和振打法得到粗砂的最大孔隙比e為0.73，最小孔隙比e為0.43。基于試驗(yàn)所取數(shù)據(jù)能在最大程度上與工程實(shí)際相符且不失研究的一般性，本試驗(yàn)在最大孔隙比與最小孔隙比之間采用孔隙比e為0.66、0.59、0.51進(jìn)行試驗(yàn)，探討對(duì)于不同孔隙比的粗砂，不同粗糙度對(duì)樁-土接觸面間力學(xué)特性的影響規(guī)律是否一致。

法向應(yīng)力的大小對(duì)樁-土結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性有顯著的影響，在普通的鉆孔灌注樁中，隨著結(jié)構(gòu)物的埋深變化，土與結(jié)構(gòu)物接觸面的法向應(yīng)力也在變化，所以本試驗(yàn)在不同的法向應(yīng)力下，研究分析了不同粗糙度對(duì)樁-土接觸面的力學(xué)特性的影響，以期探討對(duì)于承受不同法向應(yīng)力的粗砂，不同的粗糙度對(duì)樁-土接觸面間力學(xué)特性的影響規(guī)律是否一致。按照土力學(xué)規(guī)范，運(yùn)用靜止土壓力公式和基坑設(shè)計(jì)分析軟件，對(duì)理想狀態(tài)下的砂土的法向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算方法最后得出的法向應(yīng)力的取值范圍相差不大，均在0 kPa～700 kPa之間，根據(jù)TYJ-800大型直剪儀的主要技術(shù)參數(shù)，本試驗(yàn)將法向應(yīng)力的大小設(shè)置為50kPa、150kPa、250kPa、350kPa。為減小孔隙水壓力對(duì)試驗(yàn)的影響，剪切速度確定為1mm/min。

本試驗(yàn)采用灌砂法定義混凝土板的粗糙度[8]，混凝土板表面采用梯形樣式，如下圖，通過計(jì)算可知，梯形的高是混凝土板表面粗糙度(平均灌砂深度)的2倍。本試驗(yàn)采用的粗糙度分別為R＝0 mm，R＝10mm，R＝20mm的三種混凝土板，相應(yīng)梯形的高為0mm、20mm、40mm。

圖2 粗糙度為0mm

圖3 粗糙度為10mm

圖4 粗糙度為20mm

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 密實(shí)度e為0.51，法向應(yīng)力σ為50kPa

圖6 密實(shí)度e為0.51，法向應(yīng)力σ為150kPa

圖5～圖8給出了粗砂的孔隙比為0.51時(shí)，法向應(yīng)力為50kPa、150kPa、250kPa、350kPa條件下粗砂與具有不同粗糙度混凝土板表面的剪切位移與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。其中粗糙度1、粗糙度2、粗糙度3分別為R＝0 mm，R＝10mm，R＝20mm的三種混凝土板。

圖7 密實(shí)度e為0.51，法向應(yīng)力σ為250kPa

圖8 密實(shí)度e為0.51，法向應(yīng)力σ為350kPa

圖9 密實(shí)度e為0.59，法向應(yīng)力σ為50kPa

圖10 密實(shí)度e為0.59，法向應(yīng)力σ為150kPa

圖9～圖12給出了粗砂的孔隙比為0.59時(shí)，法向應(yīng)力為50kPa、150kPa、250kPa、350kPa條件下粗砂與具有不同粗糙度混凝土板表面的剪切位移與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。

圖11 密實(shí)度e為0.59，法向應(yīng)力σ為250kPa

圖12 密實(shí)度e為0.59，法向應(yīng)力σ為350kPa

圖13～圖16給出了粗砂的孔隙比為0.66時(shí)，法向應(yīng)力為50kPa、150kPa、250kPa、350kPa條件下粗砂與具有不同粗糙度混凝土板表面的剪切位移與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。

圖13 密實(shí)度e為0.66，法向應(yīng)力σ為50kPa

圖14 密實(shí)度e為0.66，法向應(yīng)力σ為150kPa

圖15 密實(shí)度e為0.66，法向應(yīng)力σ為250kPa

圖16 密實(shí)度e為0.66，法向應(yīng)力σ為350kPa

3 結(jié)論

通過圖5～圖16得到以下結(jié)論:

(1)在法向應(yīng)力和孔隙比不變的條件下，隨著剪切位移的增大，剪切應(yīng)力的增長速度越來越小，最后趨于平緩，且粗糙度的變化，對(duì)曲線形態(tài)的影響不大；

(2)在某一法向應(yīng)力和孔隙比下，存在一臨界粗糙度，當(dāng)粗糙度小于臨界粗糙度時(shí)，隨著混凝土板粗糙度的增大，剪切應(yīng)力的峰值(或者穩(wěn)定值)相應(yīng)增大；當(dāng)粗糙度大于臨界粗糙度時(shí)，隨著混凝土板粗糙度的增大，剪切應(yīng)力的峰值(或者穩(wěn)定值)相應(yīng)減小。

(3)不同的樁側(cè)表面粗糙度對(duì)樁-土接觸面間力學(xué)特性的影響規(guī)律一致，不受法向應(yīng)力和孔隙比的影響。

[1]張吉順，華斌.土與不同樁側(cè)表面粗糙度接觸面剪切試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011，27(3):114-118.

[2]楊硯宗，砂土與結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2013，29(1):55-57.

[3]夏紅春，周國慶.土結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性及其影響因素試驗(yàn)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(6):831-836.

[4]胡黎明，濮家騮.土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(4):431-435.

[5]張嘎，張建民.粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面單調(diào)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(1):21-25.

Zhangga，ZHANG J-M.Experimental study on monotonic behavior of interface between soil and structure[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26(1):21-25.

[6]Clough GW，Duncan JM.Finite elementanalysis of retaining wall behavior[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1971，97(12):1657～1672.

[7]Pells P.J.N.，Rowe，R.K.，Turner R.M.An experimental investigation into side shear for socketed piles in sandstone[C]//.Proceeding of International Conference on Structural Foundations on-Rock.Sydney，1981:291-302.

[8]藺新艷，張雷順，郭進(jìn)軍.人工鑿毛混凝土面粗糙度評(píng)定新方法[J].河南科學(xué)，2004，22(3):367-369.

(責(zé)任編輯:王先桃)

Study ofmechanical properties between Pile and Soil Surface w ith Different Roughnesses

JIANG Jinyu FANG Qing

(Civil engineering academy of Guizhou university，Guiyang，Guizhou，550025)

Judging from the bearingmechanism of pile，the necessary condition of the Pile side resistance plays is the relative displacement between the pile and soil.a very important factor to affect the relative displacement is the surface roughness of the pile.Different surface roughness，Showing distinctly differentmechanical properties of the contact surface between the pile and soil.In this paper，using large-scale direct shear trials to study the effect of different roughness on themechanical properties of the contact surface between the pile and soil.The results showed that:With the increase of the shear displacement，the growth rate of shear stress ismore and more small，leveling off in the end，And changes in roughness，has little effect on the curve shape；There is a critical roughness，When the roughness is less than the critical roughness，With the increasing of roughness of concrete slab，the Peak of shear stress increased，on the contrary，it decreaseswith the increasing of roughness.

pile-soil interface；roughness；large-scale direct shear test；mechanical properties

TU411.7

A

1000-5269(2016)04-0104-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.04.21

2016-06-23

國家自然科學(xué)基金，巖石地基上擴(kuò)展基礎(chǔ)破壞模式及承載性能研究，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)(51468008)

蔣勁羽(1992-)，男，在讀碩士，研究方向:市政道路工程，Email:1652536908＠qq.com.

?通訊作者:方琴，Email:786574543＠qq.com.