含水率變化環境下樁土界面摩擦性能研究

段杰

（南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌330038）

含水率變化環境下樁土界面摩擦性能研究

段杰

（南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌330038）

湖區水位升降將使周邊土體處于周期性含水率變化環境下，對處于此種工況下的摩擦樁而言，樁土界面摩擦系數亦將隨之改變。以某湖區高速公路軟基路段樁基加固工程為研究對象，采用現場調研、室內外試驗、理論分析等方法，展開含水率變化環境下樁土界面摩擦性能研究，針對試驗土樣得到了樁土界面摩擦系數、粘聚力及摩擦角隨含水率改變的變化規律，可為同類工程提供一定參考。

樁土特性；含水率；摩擦系數；剪切

0　引言

近年來，我國高速公路建設正處于高速發展時期。在高速公路修建過程中，湖區軟土路基沉降將導致路面開裂、沉陷等問題，嚴重影響道路的行駛質量及使用壽命。樁基處治是一種廣泛應用于路基加固處理的方法，能夠有效提高地基承載能力，減小沉降。但湖區土體處于周期性含水率變化環境下，樁土界面間的摩擦性能隨之改變，樁基工作性能處于不穩定狀態，其中摩擦樁尤甚[1-6]。針對這一工程問題，本文圍繞含水率變化環境下樁土界面摩擦性能進行研究。

1　試驗裝置介紹

1.1試驗裝置結構組成

試驗采用葉祖強等研發的應變式樁土界面摩擦試驗儀[1]。該試驗儀系拼裝結構，主要由試樣安放系統、加載系統以及量測系統組成。圖1為其結構示意圖。

圖1　試驗設備示意圖

1.2試驗裝置特點

該樁土界面摩擦試驗儀有以下特點：

（1）開展摩擦試驗時，裝土試驗盒受到約束固定不動，裝置內僅樁體模擬盒在水平加載系統作用下發生滑移，符合樁土界面剪切情況模擬要求；

（2）為降低尺寸效應對試驗結果的影響，設計試驗裝置時將土體與混凝土接觸面積設計為較大尺寸0.25 m2；

（3）經測試，該試驗儀能夠在保證其安全、穩定性的前提下實現較大荷載水平。可施加、測量較大的荷載（水平推力為5 t、垂直壓力為10 t）以及相對位移（50 mm），能在不改變接觸面大小的前提下，模擬一定大小的樁土相對位移情況。

1.3試驗裝置原理

該試驗裝置可設置不同的豎向荷載以開展摩擦試驗，從而得到試樣與混凝土間相應的摩擦系數和抗剪強度參數，為樁土界面摩擦特性研究提供依據。

（1）摩擦系數分析

摩擦強度的計算公式如下：

由于試驗開展時需施加豎向壓力，模擬樁體的混凝土板所受正應力為：

故有：

式中：μ為混凝土板與土的摩擦系數，無量綱；τ為混凝土板與土的摩擦強度，kPa；σ為混凝土板所受應力，kPa；T為水平加載系統所提供推力，kN；P為混凝土板所受到的豎向壓力，kN；L為試驗盒內徑長度，m；B為試驗盒內徑寬度，m。

（2）抗剪強度分析

利用庫侖定律：

式中：τf為接觸面的抗剪強度；c為接觸面的粘聚力；φ為接觸面上的界面摩擦角；σ為接觸面的法向應力。

2　試樣制備

該試驗所用土樣取自某湖區高速公路，土質系粉質黏土，于施工現場向下開挖0.5 m左右進行取土。通過室內試驗得土體物理力學參數（見表1）。

表1　土工試驗成果表

試驗時需將現場取土按如下步驟進行處理：

（1）晾曬、碾壓土樣；

（2）將土樣過篩，以剔除土樣中超過20 mm粒徑的顆粒及雜質；

（3）根據目的含水率對土樣配水，然后封閉24 h以上；

（4）因樁土試驗箱體積已知，可通過控制填土質量控制試驗箱內土體壓實度，采用分層擊實的方法，往試驗盒中分層裝土、擊實。

3　試驗方案

3.1試驗設置

基于現場調研，結合土體含水率變化幅度，設置18%、22%、26%、30%四組含水率試樣進行室內樁土界面剪切模擬試驗。以速度0.2～0.3 mm/min的水平推力，在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa四種不同豎向壓力條件下，分別對四組試樣開展模擬試驗。

3.2試驗操作

（1）將裝土試驗盒平穩安放于樁體模擬盒中，避免碰撞，然后將密閉養生完畢的土樣裝填至試驗盒內，直至距離盒口50 mm處，以便于控制土體密度，找平后蓋上加載板，如圖2所示。

（2）通過豎直加載系統及加載板將豎向荷載施加于試樣表面，每3 min對測力環讀數進行檢查，壓力變動時應及時補壓，待垂直壓力大小基本不變方可，如圖3所示。

圖2　裝土情況圖

圖3　填土預壓圖

（3）校正好水平加載裝置，在樁土模擬盒左側安裝位移傳感器，調零或者記錄水平推力與位移百分表的初始讀數。

（4）對試驗儀器工作情況進行核查，校對此前所設的豎向壓力值；每隔30 s將手柄轉動一圈以施加作用于樁土模擬盒的水平荷載，直至水平推力增加至極限值為止，認為此時樁土界面已發生剪切破壞，摩阻力出現極值。試驗中施加水平荷載期間，在每次手柄轉動后隨即記錄一次水平荷載及位移值。

（5）在試樣界面出現剪切破壞后即停止水平加載，隨即卸除水平以及豎向荷載。卸載完畢后對試驗盒內土樣進行清除，此時需著重對模擬樁體的混凝土板表面進行清理，至此一次試驗完結。

（6）分別以50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的豎向荷載重復（1）～（5）步驟，進行對比試驗。

（7）通過測試數據分析土體在不同含水率情況下的樁土摩擦特性，并繪制有關曲線，研究其相互關系及變化規律。

4　試驗數據分析

對試驗數據進行處理，得到試驗結果（見表2）。

表2　樁土界面摩擦試驗結果

4.1基坑模型的建立及分析方法

對各組含水率下試樣所測的極限摩阻力值進行歸納，得各豎向荷載作用下的摩擦系數相互關系圖（見圖4）。

圖4　各豎向荷載下摩擦系數的相互關系

土體含水率對樁土界面間摩擦系數的影響顯著，在本次試驗設置的含水率范圍內，隨著含水率的加大摩擦系數呈降低趨勢。相關學者的研究表明，土體的樁土摩擦系數存在一個最優含水率，而本次試驗結果并未出現峰值，認為試驗土體的最優含水量不存在于土體實際工況中，故在此不多做討論。

4.2抗剪強度分析

通過分析豎向壓力與摩擦力的關系曲線，可得各試樣的抗剪強度（摩擦角φ和粘聚力c）及其相互關系，如圖5所示。

圖5　各試樣的抗剪強度關系

圖6　界面摩擦角隨含水率的變化

圖7　界面粘聚力隨含水率的變化

由圖5～圖7可知：

（1）摩擦角：當含水量由18%升至22%，界面摩擦角減小了2.1%；當含水量由22%增加至26%時，界面摩擦角降低了5.2%；當含水量由26%增加至30%，摩擦角降低了7.5%。由此可知，在所設含水率試樣中，界面摩擦角隨含水量增加而降低。

（2）粘聚力：當含水量由18%升至22%，界面粘聚力減小了15.4%；當含水量由22%增加至26%時，界面粘聚力降低了8.3%；當含水量由26%增加至30%，粘聚力降低了9.1%。由此可知，與摩擦角變化規律相同，粘聚力也將隨含水量升高而逐步降低。

總體而言，試驗土樣與混凝土板間的界面摩擦角、粘聚力受含水率隨升高逐步減小，但界面摩擦角的變化幅度小于界面粘聚力。

5　結　語

本文針對某湖區高速樁基工程現場典型土質粉質黏土，結合該區域內土體含水率變化情況，使用應變式樁土界面摩擦試驗儀，通過室內樁土界面剪切模擬試驗，研究了樁土界面摩擦系數、粘聚力及摩擦角隨含水率改變的變化規律，并對整個試驗流程進行總結，得到了該儀器的操作規程，可為同類工程提供一定參考。

[1]葉祖強,曾勝,胡甜.樁土界面剪切試驗設備的研制及應用[J].中外公路,2013,33(2):265-268.

[2]葉為民,萬敏,陳寶，等.深基坑承壓含水層降水對地面沉降的影響[J].地下空間與工程學報,2009,5(z2):1799-1805.

[3]黃廣龍,方乾,蘇榮臻.軟土地基微型樁抗拔試驗研究[J].巖土工程學報,2010,32(11):1788-1793.

[4]趙星.水位變化對高鐵路基動力特性及累積變形特性的影響研究[D].杭州：浙江大學,2014.

[5]劉建峰.樁土界面摩擦特性試驗研究[D].天津：天津大學,2008.

[6]嚴志偉.水位升降對路基邊坡穩定性影響的理論與試驗研究[D].長沙：長沙理工大學,2012.

U416.1

A

1009-7716（2016）10-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.044

2016-07-04

段杰（1990-），男，湖南郴州人，碩士，助理工程師，從事道路工程設計與研究工作。