樁-土界面殘余強(qiáng)度影響因素分析

楊慶光，陳小巍，肖立權(quán)，柳 雄，劉海媚，譚 杰

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一六隊(duì)，湖南 株洲 412007）

0 引言

土體與結(jié)構(gòu)接觸面之間的相互作用至今仍然是巖土工程中的一個(gè)難點(diǎn)，該類問題研究具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。自從J.G.Potyondy[1]通過大量直剪試驗(yàn)后指出粗糙度、法向應(yīng)力、含水率等是影響接觸面剪切強(qiáng)度的主要因素以來，諸多學(xué)者就其力學(xué)特性影響因素已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。其中胡黎明等[2]采用改進(jìn)直剪儀，針對(duì)不同粗糙度下接觸面研究成果，提出臨界相對(duì)粗糙度能夠較好地描述樁土界面相互作用關(guān)系。金子豪等[3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的成孔孔徑與深度關(guān)系，建立了混凝土結(jié)構(gòu)尺寸凹凸分布的頻率統(tǒng)計(jì)方程，得到一種粗糙度計(jì)算新方法。趙春風(fēng)等[4-5]采用大型直剪儀，對(duì)黏性土-混凝土界面進(jìn)行了彈塑性分析，研究了法向應(yīng)力變化歷史對(duì)結(jié)構(gòu)面特性的影響。賀煒[6]、王永洪等[7]利用直剪儀，研究了含水率與結(jié)構(gòu)面-土界面剪切強(qiáng)度間的關(guān)系，找到了隨土含水率的增加，界面剪切強(qiáng)度逐漸降低的規(guī)律。此外，楊有蓮[8]、彭凱等[9]分別利用環(huán)剪試驗(yàn)和單剪試驗(yàn)，對(duì)帶泥皮接觸面的力學(xué)特性開展過相應(yīng)的研究。

樁-土接觸問題力學(xué)特性研究有如下方面：劉希亮等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高壓力下界面上的剪切殘余強(qiáng)度與法向壓力大小有關(guān)。李永輝等[11]通過大型界面剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥皮的潤(rùn)滑作用對(duì)界面摩擦角大小有明顯的影響。樁土界面的殘余強(qiáng)度指樁-土界面出現(xiàn)破壞之后保留的殘余變形與抵抗外荷載的能力，其取值大小在施工中扮演著十分重要的角色。張明義等[12]通過制造出不同的混凝土板表面粗糙度來模擬靜壓管樁的界面，研究發(fā)現(xiàn)管樁樁-土界面孔壓占總法向應(yīng)力10%左右。此外，許成順等[13]通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析了17種不同黏性土的殘余強(qiáng)度。成浩等[14]基于許成順等[13]的研究，對(duì)多個(gè)粗糙度下結(jié)構(gòu)面殘余強(qiáng)度的影響因素開展了研究。陳榮剛等[15]為了研究含水率與土質(zhì)條件等因素對(duì)摩擦樁側(cè)摩阻力的影響,通過接觸面剪切試驗(yàn)裝置，對(duì)摩擦樁的側(cè)摩阻力分布規(guī)律及其影響因素展開研究。王永洪等[16]通過自制的大型恒剛度直剪儀對(duì)非飽和黏性土進(jìn)行樁-土界面剪切試驗(yàn)，探討了非飽和黏性土樁-土界面剪切特性及受黏性土飽和度的影響規(guī)律。

在工程中，常常出現(xiàn)施工不當(dāng)或基坑開挖引起樁身回彈，而采取復(fù)壓的措施往往導(dǎo)致樁-土界面出現(xiàn)損傷，甚至破壞，此時(shí)上部荷載主要由樁-土界面的殘余強(qiáng)度來承擔(dān)。已有研究大都利用環(huán)剪或者直剪試驗(yàn)手段，圍繞著樁-土界面峰值強(qiáng)度問題展開。但是，現(xiàn)有的環(huán)剪或者直剪剪切裝置均存在剪切過程中剪切面積逐漸減小、應(yīng)力分布不均勻等問題，不利于揭示樁-土界面的剪切特性。本文利用自制的樁-土接觸面剪切裝置，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)樁-土接觸面殘余強(qiáng)度發(fā)揮機(jī)制，以及影響殘余強(qiáng)度發(fā)揮的因素開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

本文采用課題組自制的樁-土界面剪切試驗(yàn)裝置[17]開展了室內(nèi)試驗(yàn)研究，界面剪切試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 界面剪切試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of interface shear test device

該裝置由剪切組件、加載組件、傳力組件和測(cè)量組件4部分構(gòu)成，首先通過特定的制樣工具，將土和樁安裝至剪切組件中；其次通過加載組件對(duì)試驗(yàn)土體表面施加均布荷載（對(duì)試樣表面施加法向應(yīng)力）；再次通過手動(dòng)剪切組件對(duì)樁土界面施加剪切荷載；最后通過測(cè)量組件測(cè)量量力鋼環(huán)變形和樁體變形，確定界面剪切應(yīng)力的大小和剪切位移，繪制出界面剪切應(yīng)力-位移全過程曲線。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)土體取自某深基坑中典型黏性土，通過風(fēng)干、破碎、過篩等工序處理后，獲得試驗(yàn)土體物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)土體基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of test soil

根據(jù)張明義等[18]得出原狀土與重塑土的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)特性基本一致的結(jié)論，本試驗(yàn)采用重塑土進(jìn)行樁-土界面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)共配置了含水率分別為8%, 12%, 16%的土樣。此外，綜合考慮工程現(xiàn)場(chǎng)樁側(cè)地基土壓實(shí)度實(shí)際情況及實(shí)驗(yàn)室剪切試件土樣壓實(shí)度控制的問題，最后確定每個(gè)含水率分別制作壓實(shí)度為60%，70%和80%的土樣，并分別選擇剪切試驗(yàn)法向壓力為18.91, 37.86, 50.80, 75.74 kPa，共制作72個(gè)試驗(yàn)土樣（預(yù)壓和不預(yù)壓）。模型樁試件直徑為30 mm，為確保剪切面積不變，長(zhǎng)度取210 mm。樁身材料為P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.43:1。

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

進(jìn)行無預(yù)壓剪切試驗(yàn)時(shí)，首先，將某深基坑中典型黏性土，通過風(fēng)干、破碎、過篩等工序處理。通過土體三相換算確定每次填筑土量，確定擊實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)，并分3次等質(zhì)量填土和擊實(shí)。裝樣完成2周后再進(jìn)行剪切試驗(yàn)。通過手動(dòng)方式，使升降盤上升，從而使量力鋼環(huán)產(chǎn)生壓縮變形，并推動(dòng)模型樁，使樁-土出現(xiàn)相對(duì)位移，并通過百分表讀數(shù)變化計(jì)算出推力大小，同時(shí)通過另一個(gè)百分表讀數(shù)差確定樁-土相對(duì)位移。為考慮預(yù)壓對(duì)界面剪切特性的影響，首先需選擇一定壓力大小對(duì)土體進(jìn)行豎向預(yù)壓，然后同無預(yù)壓相同豎向加壓方案界面剪切試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較。本次模型試驗(yàn)共計(jì)完成了36組無預(yù)壓和36組有預(yù)壓界面剪切試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

圖2為樁-土界面剪切強(qiáng)度隨剪切變形變化的關(guān)系曲線圖。

圖2 樁-土界面剪切強(qiáng)度隨剪切變形變化曲線Fig.2 Variation curve of shear strength of pile-soil interface with shear deformation

由圖2可知，4種法向應(yīng)力下曲線都表現(xiàn)為先快速達(dá)到剪切應(yīng)力峰值，然后又緩慢下降的趨勢(shì)，且法向應(yīng)力越大，這種軟化越明顯。當(dāng)λ=60%時(shí)，隨法向應(yīng)力的增加，對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力降低，從0.217 kPa到1.210 kPa不等，但是隨著壓實(shí)度增大，這種軟化現(xiàn)象逐漸減弱，并逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到剪切殘余強(qiáng)度。從圖2還可以看出，不同壓實(shí)度情況下，剪切強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨法向應(yīng)力增大而變大的現(xiàn)象。當(dāng)λ=60%時(shí)，隨法向應(yīng)力的提高，界面剪切強(qiáng)度分別為1.195, 2.173,3.150, 4.128 kPa。

2.2 含水率、壓實(shí)度對(duì)殘余強(qiáng)度的影響

圖3為不同法向應(yīng)力和壓實(shí)度下，界面剪切殘余強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

圖3 樁-土界面剪切殘余強(qiáng)度隨著含水率變化曲線Fig.3 Variation curve of residual shear strength of pile-soil interface with water content

由圖3可知，界面殘余強(qiáng)度隨含水率增加先增后減，且增加速率略快于下降速率，并且在最優(yōu)含水率處殘余強(qiáng)度最高。當(dāng)含水率和法向應(yīng)力不變時(shí)，壓實(shí)度越大，殘余強(qiáng)度越高。當(dāng)含水率和法向應(yīng)力分別為12%和56.80 kPa時(shí)，壓實(shí)度為60%, 70%, 80%對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度分別為2.95, 3.25, 5.21 kPa。受壓實(shí)度影響，壓實(shí)度越高，界面的顆粒強(qiáng)度越大，剪切時(shí)受剪切力影響越小，從而界面殘余強(qiáng)度更高。

表2為本次試驗(yàn)中界面殘余強(qiáng)度波動(dòng)差值。由表可知，前三級(jí)法向應(yīng)力時(shí)，低壓實(shí)度變化引起界面殘余強(qiáng)度波動(dòng)值小于高壓實(shí)度變化情況。反之，當(dāng)法向應(yīng)力為75.74 kPa時(shí)，低壓實(shí)度變化引起界面殘余強(qiáng)度波動(dòng)值大于高壓實(shí)度變化情況。

表2 樁-土界面殘余強(qiáng)度波動(dòng)差值Table 2 Residual strength fluctuation differential values of pile-soil interface

2.3 預(yù)壓對(duì)殘余強(qiáng)度的影響

為考慮基坑開挖或外部地面堆載等作用對(duì)坑內(nèi)外樁-土界面剪切特性的影響，本試驗(yàn)開展了45.83 kPa壓力下的預(yù)壓界面剪切試驗(yàn)，預(yù)壓荷載施加1 h后立即卸載，并根據(jù)無預(yù)壓加載和剪切方案開展界面剪切試驗(yàn)。圖4為預(yù)壓前后界面殘余強(qiáng)度曲線圖，據(jù)圖4可知，在不同的法向應(yīng)力情況下，受含水率和壓實(shí)度的影響，殘余強(qiáng)度均為山峰型，且在最優(yōu)含水率附近處達(dá)到最大值，在壓實(shí)度最大處達(dá)最大值。

圖4 預(yù)壓前后樁-土界面殘余強(qiáng)度隨含水率變化曲線Fig.4 Variation curve of residual strength of pile-soil interface with water content before and after preloading

圖5為預(yù)壓前后界面殘余強(qiáng)度提高比例曲線。

圖5 預(yù)壓前后樁-土界面殘余強(qiáng)度提高比例隨含水率變化曲線Fig.5 Curve of increasing proportion of residual strength of pile-soil interface with water content before and after preloading

由圖5可知，不同壓實(shí)度情況下，預(yù)壓前后界面殘余強(qiáng)度提高比例曲線均表現(xiàn)出先增大后降低的山峰型，且均表現(xiàn)出法向應(yīng)力越小，提高比例越大的特點(diǎn)，充分表明預(yù)壓對(duì)法向應(yīng)力較小情況下殘余強(qiáng)度提高比例更高。

2.4 對(duì)殘余強(qiáng)度的討論

2.4.1 剪切界面殘余強(qiáng)度

圖6為界面剪切殘余強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化散點(diǎn)圖和擬合曲線圖。從圖中可以看出，壓實(shí)度相同時(shí)，界面殘余強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增大而增大。從圖中還可以看出，有無預(yù)壓下界面的剪切破壞均可以采用莫爾-庫倫（M-C）剪切破壞準(zhǔn)則進(jìn)行分析。即

式中：τ為界面剪切殘余強(qiáng)度；σ為法向應(yīng)力；φ為界面殘余摩擦角；c為界面殘余黏聚力。

此外，由圖6可知，壓實(shí)度對(duì)界面殘余黏聚力取值有明顯的影響，壓實(shí)度80%較壓實(shí)度60%時(shí)界面殘余黏聚力提高169%。當(dāng)考慮預(yù)壓影響時(shí)，由于土體壓實(shí)度提高了土顆粒與結(jié)構(gòu)表面的黏著或咬合作用，故界面殘余黏聚力顯著提升，而殘余摩擦角均出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

圖6 不同壓實(shí)度條件下的法向應(yīng)力-殘余強(qiáng)度關(guān)系圖Fig.6 Curves of shear residual strength versus normal stress with different values of compaction

2.4.2 殘余應(yīng)力比

定義殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力比值為界面殘余應(yīng)力比。圖7為不同壓實(shí)度下法向應(yīng)力-殘余應(yīng)力比的關(guān)系曲線圖。

由圖7可知，不同壓實(shí)度下，界面殘余應(yīng)力比表現(xiàn)為先急劇下降，后逐漸變緩的趨勢(shì)，且壓實(shí)度越大，這種現(xiàn)象越明顯。主要是由于無預(yù)壓時(shí)，高壓使樁-土界面土顆粒間相對(duì)位移引起能量耗散明顯所致，而有預(yù)壓情況下，土顆粒相對(duì)位移不明顯，從而這種現(xiàn)象更為明顯。

圖7 不同壓實(shí)度下界面法向應(yīng)力-殘余應(yīng)力比關(guān)系曲線Fig.7 Curves of residual stress ratio versus normal stress with different values of compaction

3 結(jié)論

1）樁-土界面剪應(yīng)力先迅速增大，達(dá)峰值后緩慢下降趨于穩(wěn)定，且隨法向應(yīng)力提高呈軟化加強(qiáng)的趨勢(shì)；界面殘余強(qiáng)度與壓實(shí)度和法向應(yīng)力呈現(xiàn)同向變化趨勢(shì)，同含水率呈反向變化趨勢(shì)，且在最優(yōu)含水率附近達(dá)到最大值；

2）在不同的法向應(yīng)力情況下，受含水率和壓實(shí)度的影響下，殘余強(qiáng)度表現(xiàn)為山峰型，在最優(yōu)含水率附近和壓實(shí)度最大處達(dá)峰值，且預(yù)壓對(duì)法向應(yīng)力較小情況下殘余強(qiáng)度提高比例更高；

3）有無預(yù)壓界面殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力存在顯著的線性關(guān)系，符合莫爾-庫倫（M-C）剪切破壞準(zhǔn)則，不同壓實(shí)度下，界面殘余應(yīng)力比表現(xiàn)為先急劇下降，后逐漸變緩的趨勢(shì)，且壓實(shí)度越大，這種現(xiàn)象越明顯。