廣州地區(qū)土體與混凝土表面摩擦特性的試驗(yàn)研究

毛濟(jì)民，吳穎怡，楊雪強(qiáng)，張 敏，段文杰

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

對于頂管工程中的工作井，下沉過程與頂進(jìn)力施加后周圍土體與井壁會(huì)產(chǎn)生較大摩擦力，現(xiàn)有規(guī)范對該部分摩擦力進(jìn)行了一定求解[1]，龔慈等[2]提出使用位移求解土體反力，并考慮了沉井底部和側(cè)壁摩阻力；黃章君等[3]對黏土地區(qū)的大型沉井進(jìn)行建模，并對摩擦系數(shù)取近似值為0.3；但是也有一些學(xué)者認(rèn)為該摩擦力對于沉井頂管頂進(jìn)影響較小，可不進(jìn)行計(jì)算[4-6]。實(shí)際上，該部分摩擦力不僅決定了沉井下沉是否順利，也影響著頂管頂進(jìn)過程中沉井是否穩(wěn)定，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對摩擦力進(jìn)行考慮。對于設(shè)計(jì)和數(shù)值模型建立，一般將該部分力用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值代替，若單純將其設(shè)為定值或用經(jīng)驗(yàn)值代替，容易造成設(shè)計(jì)施工誤差，可能會(huì)引起工程質(zhì)量問題，對于具體實(shí)際沉井頂管工程，有必要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測定。

本文基于廣東省佛山市順德區(qū)一處電力頂管工程為依托進(jìn)行沉井界面摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)中的幾種土體：(1) 花崗巖殘積土，是覆蓋于花崗巖表面的一種高度風(fēng)化的殘積土，是常見的工程建設(shè)原材料。花崗巖殘積土以松散的砂粒為主，還有部分的細(xì)粒土成分，具有孔隙率較大和吸水率較小、遇水易散、結(jié)構(gòu)松散、保水性及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差、抗蝕性和抗沖性小、水穩(wěn)性較差等特點(diǎn)[7]；在山坡花崗巖殘積土分布地區(qū)，常因修筑建筑物導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象[8]。(2) 廣州淤泥質(zhì)土，具有天然含水量高、孔隙比高、透水性低、中高壓縮性、高靈敏性、強(qiáng)度低等一系列特點(diǎn)，在天然狀態(tài)下呈現(xiàn)可塑或流塑狀態(tài)，工程性質(zhì)較差，一般需要進(jìn)行加固處理?；◢弾r殘積土、淤泥質(zhì)土和含砂層在廣州地區(qū)作為表層土廣泛分布。(3) 福建標(biāo)準(zhǔn)砂，是SiO2大于96%的天然石英質(zhì)平潭海砂，一般具有孔隙率高、強(qiáng)度高等特點(diǎn)[9]。國內(nèi)常用福建標(biāo)準(zhǔn)砂研究砂土的力學(xué)性能，本文借用福建標(biāo)準(zhǔn)砂來研究砂與沉井壁之間的摩擦特性。

對于土體與混凝土表面的摩擦系數(shù)，已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究：郭聚坤等[10-11]利用改裝的室內(nèi)直剪儀開展了不同粗糙界面的木板、鋼板、混凝土板與北京標(biāo)準(zhǔn)砂間的直剪試驗(yàn)，認(rèn)為木、鋼和混凝土與標(biāo)準(zhǔn)砂的界面摩擦角分別集中在11°～23°，14°～23°和22°～27°范圍內(nèi)，表觀黏聚力集中在0～1 kPa范圍內(nèi)，并進(jìn)行了數(shù)值模型建立，硬化階段使用對數(shù)模型，軟化階段使用雙曲線模型。程全新[12]使用ABAQUS軟件進(jìn)行建模求解沉井模型時(shí)，同樣也考慮了沉井與周圍土體的摩擦，并進(jìn)行了土體、觸變泥漿混合物與混凝土表面的摩擦參數(shù)測量。李天亮[13]等利用改進(jìn)的大型加載直剪儀，設(shè)計(jì)了6種不同的漿土配比，對漿土混合體和混凝土接觸面的剪切力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。李天降[14]等采用直剪試驗(yàn)研究了五種砂土在不同法向壓力、剪切速率和潤滑狀態(tài)下的管土接觸面摩擦特性。觸變泥漿在頂管工程中具有減阻、填補(bǔ)和支撐作用，在不同的漿土質(zhì)量比混合下測定頂管壁與漿土混合體間的摩擦特性，便于頂管頂進(jìn)設(shè)計(jì)，是本文另一項(xiàng)重要的研究工作。

因此本文將對直剪試驗(yàn)裝置進(jìn)行介紹，主要包括四聯(lián)直剪儀的使用、試樣的制作養(yǎng)護(hù)、測定方法與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等方面，并進(jìn)行混凝土壁與不同土體、漿土混合體的摩擦特性進(jìn)行測定，為沉井頂管工程設(shè)計(jì)與數(shù)值模型的參數(shù)選取提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)試樣制備與設(shè)備介紹

試驗(yàn)采用四聯(lián)自動(dòng)直剪儀，如圖1所示。

圖1 四聯(lián)自動(dòng)直剪儀俯視圖Fig.1 Top view of quadruple automatic direct shear device

下盒經(jīng)過改造后嵌入C35或C50混凝土塊作為混凝土表面，上盒放入不同土體進(jìn)行直剪。下盒經(jīng)過改造，內(nèi)部尺寸為90 mm×90 mm×12 mm。使用定制的3D打印模具，如圖2所示；據(jù)沉井C35混凝土的配比制作C35試樣塊，據(jù)頂管C50混凝土的配比在實(shí)驗(yàn)室制作C50試樣塊，兩者均養(yǎng)護(hù)21 d，期間保護(hù)好混凝土塊的表面，如圖2(c)所示。

圖2 3D打印模型圖及混凝土試件Fig.2 Diagram of 3D printed model and concrete specimen

對分別取自小谷圍島廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)城校區(qū)的花崗巖殘積重塑土、廣州白云機(jī)場的花崗巖殘積原狀土、廣州南沙地鐵線路的淤泥質(zhì)土、福建標(biāo)準(zhǔn)砂等4種不同土體進(jìn)行測定。土體重度等參數(shù)經(jīng)由前期工作得到：廣工花崗巖殘積重塑土為干土，塑性指數(shù)15.5，經(jīng)烘干磨細(xì)過篩得到，篩網(wǎng)網(wǎng)格大小為0.6 mm，干土重度為16.59 kN/m3；花崗巖殘積原狀土的含水率為22.95%，飽和度Sr=81.01%，重度為18.99 kN/m3；淤泥質(zhì)土以粉粒為主，同時(shí)含有砂粒與黏粒，含少量有機(jī)質(zhì)，滲透性小，根據(jù)地勘報(bào)告取重度為17 kN/m3，含水率達(dá)到飽和狀態(tài)，液性指數(shù)處于流塑至軟塑之間，塑性指數(shù)為21.2；福建標(biāo)準(zhǔn)砂干重度為14.25 kN/m3，不均勻系數(shù)為3.57，其顆粒級配曲線如圖3所示。

圖3 福建標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級配曲線Fig.3 Grain distribution curve of Fujian standard sand

2 試驗(yàn)方法與步驟

2.1 安裝試樣方法

對養(yǎng)護(hù)好的混凝土試樣側(cè)面進(jìn)行加工，同時(shí)保護(hù)好試樣的上表面，保證上表面與施工中所用沉井、頂管的表面光滑度一致。加工完畢后，將試樣嵌入下半剪切盒，然后放在四聯(lián)自動(dòng)直剪儀上，同時(shí)布置上盒與上盒中所需土樣，按照順序加濾紙、透水石、加壓蓋板，如圖4所示。監(jiān)測系統(tǒng)使用千分表與量力環(huán)，由千分表記錄數(shù)據(jù)，依據(jù)量力環(huán)系數(shù)C=1.835 N/0.01 mm，將剪切位移轉(zhuǎn)化為剪切力。

圖4 直剪試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of direct shear test

2.2 加載與分組

完成試件的安裝后調(diào)試直剪儀，保證測力計(jì)處于正確位置，調(diào)平儀器下方天平，施加法向荷載后，啟動(dòng)儀器開關(guān)，剪切速度設(shè)定為0.8 mm/min進(jìn)行剪切，由位移控制剪切變形，位移最大值取60 mm。當(dāng)水平位移量表的百分表讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，指針維持定值或在1 min內(nèi)指針值幾乎無改變，關(guān)閉四聯(lián)剪切儀，并記錄此刻百分表的讀數(shù)，該讀數(shù)經(jīng)過處理就是沉井、頂管與土樣在該級法向荷載下的剪切摩阻力。

模擬混凝土表面與土體、漿土混合體的摩擦特性，在相同法向荷載作用下進(jìn)行3次同一土體的剪切摩阻力特性的平行試驗(yàn)；對頂管壁與漿土體間的摩擦特性，在相同法向荷載作用下進(jìn)行2次同一土體的剪切摩阻力特性的平行試驗(yàn)。直剪結(jié)束后卸除法向荷載，取出土樣與混凝土試塊，混凝土試塊表面清理干凈，隨后重新制樣，施加下一級荷載；重復(fù)以上的試驗(yàn)步驟，完成各級法向荷載下的摩阻力直剪特性試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沉井壁與土體間剪切特性的測定

在剪切盒上盒分別加入廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)城校區(qū)花崗巖殘積重塑干土、廣州白云機(jī)場花崗巖殘積原狀土、廣州南沙地鐵線路的淤泥質(zhì)土、福建標(biāo)準(zhǔn)砂，分批次進(jìn)行快剪的直剪試驗(yàn)，讀取水平位移量表的百分表后，將剪切破壞試驗(yàn)結(jié)果整理后，使用origin2021作圖得到剪切摩阻力與法向壓力的關(guān)系曲線，并線性擬合得到斜率，即摩擦系數(shù)。

圖5所示為花崗巖殘積重塑干土與C35試驗(yàn)試塊表面剪破時(shí)的剪切力與法向壓力的關(guān)系曲線，對3次試驗(yàn)的描點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到花崗巖殘積重塑土的擬合曲線方程為

圖5 花崗巖殘積重塑土與混凝土表面剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Shear stress relation curve between residual remolded granite soil and concrete surface

如式(1) 所示，斜率即為花崗巖殘積重塑土與C35試塊表面摩擦系數(shù)為0.471，黏聚力為2.24 kPa，摩擦角為25.2°。

圖6所示為花崗巖殘積原狀土與C35試塊表面剪破時(shí)的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線，對3次試驗(yàn)的描點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到花崗巖殘積原狀土的擬合曲線方程為

圖6 花崗巖殘積原狀土與混凝土表面的剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.6 Shear stress relation curve between granite residual undisturbed soil and concrete surface

如式(2) 所示，斜率即為花崗巖殘積原狀土與C35試塊表面摩擦系數(shù)為0.448，黏聚力為10.4 kPa，摩擦角為24.1°。

圖7所示為淤泥質(zhì)土與C35試塊表面剪破時(shí)的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線，對3次試驗(yàn)的描點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到淤泥質(zhì)土的擬合曲線方程為

圖7 淤泥質(zhì)土與混凝土表面的剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Shear stress relation curve between silty soil and concrete surface

如式(3) 所示，斜率即為淤泥質(zhì)土與C35試塊表面摩擦系數(shù)為0.309，黏聚力為5.74 kPa，摩擦角為17.2°。

圖8所示為福建標(biāo)準(zhǔn)砂與C35試塊表面剪破時(shí)的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線，對3次試驗(yàn)的描點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)砂的擬合曲線方程為

圖8 標(biāo)準(zhǔn)砂與混凝土表面的剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.8 Shear stress relation curve between standard sand and concrete surface

如式(4) 所示，斜率即為標(biāo)準(zhǔn)砂與C35試塊表面摩擦系數(shù)為0.617，黏聚力為16.35 kPa，摩擦角為31.7°。

如圖2(c)所示，C35試塊表面放大看也是凸凹不平的，盡管凸凹尺度級別要小些。依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，討論如下。

(1) 淤泥質(zhì)土與C35試塊表面剪切的黏聚力為5.74 kPa、摩擦角為17.2°，這與淤泥質(zhì)土以粉粒為主，同時(shí)含有砂粒、黏粒和有機(jī)質(zhì)有關(guān)，膠結(jié)作用不強(qiáng)，該試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[15]試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

(2) 福建標(biāo)準(zhǔn)干砂與C35試塊表面的剪切黏聚力表現(xiàn)為16.35 kPa、摩擦角為31.7°。文獻(xiàn)[16]指出飽和石英的滑動(dòng)摩擦角φμ=23°，黏聚力16.35 kPa、摩擦角增量8.7°是標(biāo)準(zhǔn)砂咬合摩擦及與混凝土表面共同作用的結(jié)果。

(3) 廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)城校區(qū)花崗巖殘積重塑干土與C35試塊表面的剪切黏聚力為2.24 kPa、摩擦角為25.2°。王坤[17]研究指出廣州白云區(qū)花崗巖殘積土主要以石英、云母和高嶺土為主，d＞0.05 mm的砂粒質(zhì)量占比為50%以上，d＜0.005 mm的黏粒質(zhì)量占比為15.25%，塑性指數(shù)Ip=15.5，與小谷圍島廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)城校區(qū)花崗巖殘積土的塑性指數(shù)相同。由于云母與高嶺土的摩擦角小且涂抹、充填砂粒周圍，導(dǎo)致界面剪切摩擦角降低為25.2°；剪切黏聚力2.24 kPa是由于砂?；ユi、殘積土與混凝土表面共同作用的結(jié)果。

(4) 白云機(jī)場花崗巖殘積原狀土與C35試塊表面剪切黏聚力為10.4 kPa、摩擦角為24.1°。該殘積原狀土的含水率為22.95%，含水量增加的潤滑作用導(dǎo)致了界面剪切摩擦角進(jìn)一步降低至24.1°；該土飽和度Sr=81.01%，混凝土面板也有一定的吸濕效果導(dǎo)致了界面土體飽和度的適當(dāng)降低，在該非飽和狀態(tài)下存在基質(zhì)吸力，從而提升了混凝土表面的剪切黏聚力至10.4 kPa。

3.2 頂管壁與漿土混合體間剪切特性的測定

為了滿足頂管施工頂進(jìn)要求，在頂管與土體之間灌注泥漿來降低頂管頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力。通過試驗(yàn)確定泥漿最佳配合比為[18]膨潤土 : CMC(羥甲基纖維素) : 純堿 : 水=8% : 0.10% : 0.05% : 91.85%。

漿土中的土來自廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)城校區(qū)基坑處的花崗巖殘積干土。如1 : 1漿土混合物為泥漿與土體的質(zhì)量比，其他類同。

圖9為1 : 1漿土混合物與C50混凝土板1號(hào)和2號(hào)的剪切力和豎向荷載關(guān)系曲線，得到擬合方程(5)，最終得出漿土混合物與混凝土管片間摩擦系數(shù)為0.27，黏聚力表現(xiàn)為4.2 kPa，摩擦角為15.1°。

圖9 1 : 1漿土混合物與C50混凝土表面的直剪試驗(yàn)Fig.9 Direct shear test results between 1 : 1 slurry-soil mixture and C50 concrete surface

圖10為1.5 : 1漿土混合物與C50混凝土板1號(hào)和2號(hào)的剪切力和豎向荷載關(guān)系曲線，得到擬合方程(6)，最終得出漿土混合物與混凝土管片間的摩擦系數(shù)0.15，黏聚力表現(xiàn)為2.6 kPa，摩擦角為8.53°。

圖10 1.5 : 1漿土混合物與C50混凝土表面的直剪試驗(yàn)Fig.10 Direct shear test results between 1.5 : 1 slurry-soil mixture and C50 concrete surface

圖11為2 : 1漿土混合物與C50混凝土板1號(hào)和2號(hào)的剪切力和豎向荷載關(guān)系曲線，得到擬合方程(7)，最終得出漿土混合物與混凝土管片間的摩擦系數(shù)0.12，黏聚力表現(xiàn)為1.2 kPa，摩擦角為6.84°。

圖11 2 : 1漿土混合物與C50混凝土表面的直剪試驗(yàn)Fig.11 Direct shear test results between 2 : 1 slurry-soil mixture and C50 concrete surface

由試驗(yàn)結(jié)果可知，表明隨著混合體中觸變泥漿質(zhì)量比例的提高，管片與漿土混合體的摩擦阻力減小，漿土混合體的整體黏聚力也同時(shí)減小，這有利于頂管的頂進(jìn)。當(dāng)泥漿與土體以1 : 1混合時(shí)，管土摩擦系數(shù)為0.27，摩擦角為15.1°；當(dāng)泥漿與土體以1.5 : 1混合時(shí)，管土摩擦系數(shù)為0.15，摩擦角為8.53°；當(dāng)泥漿與土層以2 : 1混合時(shí)，管土摩擦系數(shù)為0.12，摩擦角為6.84°，此時(shí)泥漿與土的混合體減阻效果最好。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)泥漿與土體質(zhì)量比例大于1.5 : 1時(shí)，混合體與頂管表面的摩擦角與黏聚力逐步趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文對不同土體與模擬沉井壁的C35混凝土試件表面的摩擦系數(shù)進(jìn)行測定，得到不同土體與混凝土試件表面的摩擦角，花崗巖殘積重塑干土與混凝土試塊表面摩擦角為25.2°；花崗巖殘積原狀土與混凝土試塊表面摩擦角為24.1°；南沙淤泥質(zhì)土與混凝土試塊表面摩擦角為17.2°；福建標(biāo)準(zhǔn)干砂與混凝土試塊表面摩擦角為31.7°?；炷帘砻娴耐拱汲潭取⑸傲５暮考凹壟淝€等引起的顆?；ユi、高嶺土及云母含量、花崗巖殘積原狀土的非飽和狀態(tài)、土體法向應(yīng)力大小等因素，共同決定了混凝土剪切表面的黏聚力大小。如由于基質(zhì)吸力的貢獻(xiàn)，使花崗巖殘積原狀土與混凝土剪切表面的黏聚力由2.24 kPa提升至10.4 kPa。

對不同漿土混合體與頂管壁C50混凝土試件表面的摩擦特性進(jìn)行測定，表明隨著混合體中觸變泥漿質(zhì)量比例的提高，管片與漿土混合體的摩擦阻力減小，漿土混合體的整體黏聚力也同時(shí)減小。當(dāng)泥漿與土體質(zhì)量比例大于1.5 : 1時(shí)，混合體與頂管表面的摩擦角與黏聚力逐步趨于穩(wěn)定。

實(shí)際上，進(jìn)一步探討沉井、頂管周邊界面與土體的剪切特性，有利于研究沉井下沉與沉管頂進(jìn)過程沉井的穩(wěn)定及周邊環(huán)境的沉降，具有重要的理論與工程參考價(jià)值。