不同桩侧粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响研究∗

蒋劲羽，方 琴

(贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025)

不同桩侧粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响研究∗

蒋劲羽，方 琴∗

(贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025)

从桩的承载机理来看，桩-土间的相对位移是桩侧阻力发挥的必要条件，而影响相对位移一个非常重要的因素就是桩表面的粗糙度，在不同的粗糙度下，桩-土接触面间表现出明显不同的力学特性。本文采用大型直剪试验研究了不同粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响。试验结果表明:随着剪切位移的增大，剪切应力增长速度越来越小，最后趋于平缓，且粗糙度的变化，对曲线形态的影响不大;存在一临界粗糙度，当粗糙度小于临界粗糙度时，剪切应力的峰值随粗糙度的增大而增大，反之，随粗糙度的增大而减小。

桩-土接触面;粗糙度;大型直剪试验;力学特性

随着城市高层建筑物、高速公路和高速铁路等工程项目的大力建设和发展，如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，就需要考虑以下部坚实的土层或岩层作为持力层的深基础方案，几种深基础方案中，以钻孔灌注桩的应用最为广泛。桩的承载力由两个方面组成，一个是桩端阻力，另一个则是桩侧阻力。根据实际工程中通常的设计实践，绝大多数的钻孔灌注桩是按照摩擦桩计算承载力，即钻孔灌注桩大部分的承载力是由桩侧摩阻力提供。在灌注桩的成孔检测中发现，钻孔灌注桩的孔径沿着深度方向并非为一定值，桩侧表面形成凹凸不平的粗糙度，使得桩身直径的实际值与设计值有着一定的差距。在岩土工程领域内，由粗糙度引起的桩-土接触面力学特性的研究一直是一个热点和难点问题。对于桩-土接触面间的力学特性问题，其实质上就是解决建筑物与土体两种不同材料之间相互作用的问题。目前，众多学者对此类问题进行了深入研究[1]-[7]。

本文利用预制的具有不同表面粗糙度的混凝土板与粗砂进行接触面剪切试验，根据试验所得到的数据进行处理和分析，得出不同桩侧粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响，来模拟钻孔灌注桩桩径沿桩长变化时的桩侧摩阻力对承载力的影响，这对深入研究钻孔灌注桩的承载性具有一定意义。

1 接触面剪切试验

1.1 试验仪器

本试验采用的是TYJ-800大型直接剪切仪(图1)，由中南大学岩土工程系与长春朝阳试验仪器有限公司合作研制。制作过程中加大了剪切盒的尺寸，使试样由原来的直径61.8mm改为尺寸为500mm×500mm的方形；试样高度由原来的20mm增加到300mm。试验机通过计算机、控制器、执行组件、传感组件等组成的全数字伺服循环控制系统可以进行三维静力加载及动态循环加载。在加载过程中可以釆用位移控制、应力控制及二者结合的控制方式，且在试验过程中还能实现控制方式的互相转换。试验机可实现在三个方向上的同步和相位的自定义加载；可实现如圆形或椭圆形应力路径、十字形应力路径以及如圆形或椭圆形位移轨迹和十字形位移轨迹等预定路径的复杂加载。该试验仪器主要包括液压伺服单元、测控单元、加载单元、土样制作单元。

图1 TYJ-800大型直接剪切仪

1.2 试验材料及试验方法

本试验采用的粗砂取自长沙市湘江河砂。通过测量含水率分别为8%、10%、12%、14%、16%五组试样的干密度，对所得值进行抛物线拟合，得到砂土的最优含水率在8%到12%之间，而粗砂的最大持水率为21%，所以本试验取一中间值作为试验砂土的含水率，即含水率为16%的粗砂。

分别采用漏斗法和振打法得到粗砂的最大孔隙比e为0.73，最小孔隙比e为0.43。基于试验所取数据能在最大程度上与工程实际相符且不失研究的一般性，本试验在最大孔隙比与最小孔隙比之间采用孔隙比e为0.66、0.59、0.51进行试验，探讨对于不同孔隙比的粗砂，不同粗糙度对桩-土接触面间力学特性的影响规律是否一致。

法向应力的大小对桩-土结构接触面力学特性有显著的影响，在普通的钻孔灌注桩中，随着结构物的埋深变化，土与结构物接触面的法向应力也在变化，所以本试验在不同的法向应力下，研究分析了不同粗糙度对桩-土接触面的力学特性的影响，以期探讨对于承受不同法向应力的粗砂，不同的粗糙度对桩-土接触面间力学特性的影响规律是否一致。按照土力学规范，运用静止土压力公式和基坑设计分析软件，对理想状态下的砂土的法向应力进行计算，发现两种计算方法最后得出的法向应力的取值范围相差不大，均在0 kPa～700 kPa之间，根据TYJ-800大型直剪仪的主要技术参数，本试验将法向应力的大小设置为50kPa、150kPa、250kPa、350kPa。为减小孔隙水压力对试验的影响，剪切速度确定为1mm/min。

本试验采用灌砂法定义混凝土板的粗糙度[8]，混凝土板表面采用梯形样式，如下图，通过计算可知，梯形的高是混凝土板表面粗糙度(平均灌砂深度)的2倍。本试验采用的粗糙度分别为R＝0 mm，R＝10mm，R＝20mm的三种混凝土板，相应梯形的高为0mm、20mm、40mm。

图2 粗糙度为0mm

图3 粗糙度为10mm

图4 粗糙度为20mm

2 试验结果

图5 密实度e为0.51，法向应力σ为50kPa

图6 密实度e为0.51，法向应力σ为150kPa

图5～图8给出了粗砂的孔隙比为0.51时，法向应力为50kPa、150kPa、250kPa、350kPa条件下粗砂与具有不同粗糙度混凝土板表面的剪切位移与剪切应力之间的关系曲线。其中粗糙度1、粗糙度2、粗糙度3分别为R＝0 mm，R＝10mm，R＝20mm的三种混凝土板。

图7 密实度e为0.51，法向应力σ为250kPa

图8 密实度e为0.51，法向应力σ为350kPa

图9 密实度e为0.59，法向应力σ为50kPa

图10 密实度e为0.59，法向应力σ为150kPa

图9～图12给出了粗砂的孔隙比为0.59时，法向应力为50kPa、150kPa、250kPa、350kPa条件下粗砂与具有不同粗糙度混凝土板表面的剪切位移与剪切应力之间的关系曲线。

图11 密实度e为0.59，法向应力σ为250kPa

图12 密实度e为0.59，法向应力σ为350kPa

图13～图16给出了粗砂的孔隙比为0.66时，法向应力为50kPa、150kPa、250kPa、350kPa条件下粗砂与具有不同粗糙度混凝土板表面的剪切位移与剪切应力之间的关系曲线。

图13 密实度e为0.66，法向应力σ为50kPa

图14 密实度e为0.66，法向应力σ为150kPa

图15 密实度e为0.66，法向应力σ为250kPa

图16 密实度e为0.66，法向应力σ为350kPa

3 结论

通过图5～图16得到以下结论:

(1)在法向应力和孔隙比不变的条件下，随着剪切位移的增大，剪切应力的增长速度越来越小，最后趋于平缓，且粗糙度的变化，对曲线形态的影响不大；

(2)在某一法向应力和孔隙比下，存在一临界粗糙度，当粗糙度小于临界粗糙度时，随着混凝土板粗糙度的增大，剪切应力的峰值(或者稳定值)相应增大；当粗糙度大于临界粗糙度时，随着混凝土板粗糙度的增大，剪切应力的峰值(或者稳定值)相应减小。

(3)不同的桩侧表面粗糙度对桩-土接触面间力学特性的影响规律一致，不受法向应力和孔隙比的影响。

[1]张吉顺，华斌.土与不同桩侧表面粗糙度接触面剪切试验研究[J].结构工程师，2011，27(3):114-118.

[2]杨砚宗，砂土与结构接触面粗糙度试验研究[J].建筑科学，2013，29(1):55-57.

[3]夏红春，周国庆.土结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验[J].中国矿业大学学报，2010，39(6):831-836.

[4]胡黎明，濮家骝.土与结构物接触面物理力学特性试验研究[J].岩土工程学报，2001，23(4):431-435.

[5]张嘎，张建民.粗粒土与结构接触面单调力学特性的试验研究[J].岩土工程学报，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]蔺新艳，张雷顺，郭进军.人工凿毛混凝土面粗糙度评定新方法[J].河南科学，2004，22(3):367-369.

(责任编辑: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

国家自然科学基金，岩石地基上扩展基础破坏模式及承载性能研究，项目批准号(51468008)

蒋劲羽(1992-)，男，在读硕士，研究方向:市政道路工程，Email:1652536908＠qq.com.

∗通讯作者:方琴，Email:786574543＠qq.com.