含水率变化环境下桩土界面摩擦性能研究

段杰

（南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌330038）

含水率变化环境下桩土界面摩擦性能研究

段杰

（南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌330038）

湖区水位升降将使周边土体处于周期性含水率变化环境下，对处于此种工况下的摩擦桩而言，桩土界面摩擦系数亦将随之改变。以某湖区高速公路软基路段桩基加固工程为研究对象，采用现场调研、室内外试验、理论分析等方法，展开含水率变化环境下桩土界面摩擦性能研究，针对试验土样得到了桩土界面摩擦系数、粘聚力及摩擦角随含水率改变的变化规律，可为同类工程提供一定参考。

桩土特性；含水率；摩擦系数；剪切

0　引言

近年来，我国高速公路建设正处于高速发展时期。在高速公路修建过程中，湖区软土路基沉降将导致路面开裂、沉陷等问题，严重影响道路的行驶质量及使用寿命。桩基处治是一种广泛应用于路基加固处理的方法，能够有效提高地基承载能力，减小沉降。但湖区土体处于周期性含水率变化环境下，桩土界面间的摩擦性能随之改变，桩基工作性能处于不稳定状态，其中摩擦桩尤甚[1-6]。针对这一工程问题，本文围绕含水率变化环境下桩土界面摩擦性能进行研究。

1　试验装置介绍

1.1试验装置结构组成

试验采用叶祖强等研发的应变式桩土界面摩擦试验仪[1]。该试验仪系拼装结构，主要由试样安放系统、加载系统以及量测系统组成。图1为其结构示意图。

图1　试验设备示意图

1.2试验装置特点

该桩土界面摩擦试验仪有以下特点：

（1）开展摩擦试验时，装土试验盒受到约束固定不动，装置内仅桩体模拟盒在水平加载系统作用下发生滑移，符合桩土界面剪切情况模拟要求；

（2）为降低尺寸效应对试验结果的影响，设计试验装置时将土体与混凝土接触面积设计为较大尺寸0.25 m2；

（3）经测试，该试验仪能够在保证其安全、稳定性的前提下实现较大荷载水平。可施加、测量较大的荷载（水平推力为5 t、垂直压力为10 t）以及相对位移（50 mm），能在不改变接触面大小的前提下，模拟一定大小的桩土相对位移情况。

1.3试验装置原理

该试验装置可设置不同的竖向荷载以开展摩擦试验，从而得到试样与混凝土间相应的摩擦系数和抗剪强度参数，为桩土界面摩擦特性研究提供依据。

（1）摩擦系数分析

摩擦强度的计算公式如下：

由于试验开展时需施加竖向压力，模拟桩体的混凝土板所受正应力为：

故有：

式中：μ为混凝土板与土的摩擦系数，无量纲；τ为混凝土板与土的摩擦强度，kPa；σ为混凝土板所受应力，kPa；T为水平加载系统所提供推力，kN；P为混凝土板所受到的竖向压力，kN；L为试验盒内径长度，m；B为试验盒内径宽度，m。

（2）抗剪强度分析

利用库仑定律：

式中：τf为接触面的抗剪强度；c为接触面的粘聚力；φ为接触面上的界面摩擦角；σ为接触面的法向应力。

2　试样制备

该试验所用土样取自某湖区高速公路，土质系粉质黏土，于施工现场向下开挖0.5 m左右进行取土。通过室内试验得土体物理力学参数（见表1）。

表1　土工试验成果表

试验时需将现场取土按如下步骤进行处理：

（1）晾晒、碾压土样；

（2）将土样过筛，以剔除土样中超过20 mm粒径的颗粒及杂质；

（3）根据目的含水率对土样配水，然后封闭24 h以上；

（4）因桩土试验箱体积已知，可通过控制填土质量控制试验箱内土体压实度，采用分层击实的方法，往试验盒中分层装土、击实。

3　试验方案

3.1试验设置

基于现场调研，结合土体含水率变化幅度，设置18%、22%、26%、30%四组含水率试样进行室内桩土界面剪切模拟试验。以速度0.2～0.3 mm/min的水平推力，在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa四种不同竖向压力条件下，分别对四组试样开展模拟试验。

3.2试验操作

（1）将装土试验盒平稳安放于桩体模拟盒中，避免碰撞，然后将密闭养生完毕的土样装填至试验盒内，直至距离盒口50 mm处，以便于控制土体密度，找平后盖上加载板，如图2所示。

（2）通过竖直加载系统及加载板将竖向荷载施加于试样表面，每3 min对测力环读数进行检查，压力变动时应及时补压，待垂直压力大小基本不变方可，如图3所示。

图2　装土情况图

图3　填土预压图

（3）校正好水平加载装置，在桩土模拟盒左侧安装位移传感器，调零或者记录水平推力与位移百分表的初始读数。

（4）对试验仪器工作情况进行核查，校对此前所设的竖向压力值；每隔30 s将手柄转动一圈以施加作用于桩土模拟盒的水平荷载，直至水平推力增加至极限值为止，认为此时桩土界面已发生剪切破坏，摩阻力出现极值。试验中施加水平荷载期间，在每次手柄转动后随即记录一次水平荷载及位移值。

（5）在试样界面出现剪切破坏后即停止水平加载，随即卸除水平以及竖向荷载。卸载完毕后对试验盒内土样进行清除，此时需着重对模拟桩体的混凝土板表面进行清理，至此一次试验完结。

（6）分别以50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的竖向荷载重复（1）～（5）步骤，进行对比试验。

（7）通过测试数据分析土体在不同含水率情况下的桩土摩擦特性，并绘制有关曲线，研究其相互关系及变化规律。

4　试验数据分析

对试验数据进行处理，得到试验结果（见表2）。

表2　桩土界面摩擦试验结果

4.1基坑模型的建立及分析方法

对各组含水率下试样所测的极限摩阻力值进行归纳，得各竖向荷载作用下的摩擦系数相互关系图（见图4）。

图4　各竖向荷载下摩擦系数的相互关系

土体含水率对桩土界面间摩擦系数的影响显著，在本次试验设置的含水率范围内，随着含水率的加大摩擦系数呈降低趋势。相关学者的研究表明，土体的桩土摩擦系数存在一个最优含水率，而本次试验结果并未出现峰值，认为试验土体的最优含水量不存在于土体实际工况中，故在此不多做讨论。

4.2抗剪强度分析

通过分析竖向压力与摩擦力的关系曲线，可得各试样的抗剪强度（摩擦角φ和粘聚力c）及其相互关系，如图5所示。

图5　各试样的抗剪强度关系

图6　界面摩擦角随含水率的变化

图7　界面粘聚力随含水率的变化

由图5～图7可知：

（1）摩擦角：当含水量由18%升至22%，界面摩擦角减小了2.1%；当含水量由22%增加至26%时，界面摩擦角降低了5.2%；当含水量由26%增加至30%，摩擦角降低了7.5%。由此可知，在所设含水率试样中，界面摩擦角随含水量增加而降低。

（2）粘聚力：当含水量由18%升至22%，界面粘聚力减小了15.4%；当含水量由22%增加至26%时，界面粘聚力降低了8.3%；当含水量由26%增加至30%，粘聚力降低了9.1%。由此可知，与摩擦角变化规律相同，粘聚力也将随含水量升高而逐步降低。

总体而言，试验土样与混凝土板间的界面摩擦角、粘聚力受含水率随升高逐步减小，但界面摩擦角的变化幅度小于界面粘聚力。

5　结　语

本文针对某湖区高速桩基工程现场典型土质粉质黏土，结合该区域内土体含水率变化情况，使用应变式桩土界面摩擦试验仪，通过室内桩土界面剪切模拟试验，研究了桩土界面摩擦系数、粘聚力及摩擦角随含水率改变的变化规律，并对整个试验流程进行总结，得到了该仪器的操作规程，可为同类工程提供一定参考。

[1]叶祖强,曾胜,胡甜.桩土界面剪切试验设备的研制及应用[J].中外公路,2013,33(2):265-268.

[2]叶为民,万敏,陈宝，等.深基坑承压含水层降水对地面沉降的影响[J].地下空间与工程学报,2009,5(z2):1799-1805.

[3]黄广龙,方乾,苏荣臻.软土地基微型桩抗拔试验研究[J].岩土工程学报,2010,32(11):1788-1793.

[4]赵星.水位变化对高铁路基动力特性及累积变形特性的影响研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[5]刘建峰.桩土界面摩擦特性试验研究[D].天津：天津大学,2008.

[6]严志伟.水位升降对路基边坡稳定性影响的理论与试验研究[D].长沙：长沙理工大学,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，硕士，助理工程师，从事道路工程设计与研究工作。