靜壓樁與土體間滑動摩擦及其時效性研究

2010-10-16 03:56:52孫曉東宋可新張敬

河北工程大學學報(自然科學版) 2010年1期

孫曉東,宋可新,張敬

(1.天津城市建設學院,天津 300384;2.天津海泰建設開發有限公司,天津 300384;3.天津市房地產經營開發集團有限公司,天津300061)

靜壓樁以其噪音低、不污染環境、對樁身無沖擊力以及能在沉樁時顯示壓樁力等優點,在我國越來越受到重視。但靜壓樁屬于擠土樁,在貫入過程中將使下部土體側向移動。沉樁過程中,樁尖首先強力擠壓土體,造成了土體的重塑和破壞。樁身在已經擾動了的土體中進行大變位運動,樁與土之間產生滑動摩擦。這種滑動摩擦不同于靜摩擦,也不同于打入樁的動摩擦[1]。

關于樁側摩阻力f的計算,Chandler在1968年提出了粘性土中的經驗公式[2]。

土被擾動后強度會降低,但隨著時間的增長,強度可以部分恢復或全部恢復,這種時效性稱為土的觸變性。相應的,滑動摩阻力也有時效性。側摩阻力的提高是樁基承載力提高的主要因素[3],特別是在軟土地區,由于軟土結構性強、靈敏度高、滲透性低等特點,受沉樁的擠土作用,樁周土承載力的時效性會更加明顯[4],因而很有必要研究摩阻力的時效性。

1 試驗研究

1.1 研究對象

以天津濱海地區土體為研究對象,鑒于擾動土與原狀土的滑動摩擦試驗曲線差別不大,由于條件所限只取擾動土作定性研究,土樣部分參數見表1、表2。

1.2 試驗儀器及試驗方法

改造直剪儀,將原來儀器的下透水石換成混凝土試塊,在試塊周圍的剪切盒表面涂一層凡士林,以減小剪切盒邊緣與土體摩擦引起的誤差。對于靜壓樁,樁土界面特征往往取決于樁表面的粗糙程度[5]。自制混凝土試塊,盡量使試塊表面粗糙度與樁身表面相同,尺寸與下剪切盒大小相同。

取4組土樣(見表1),每組切4個,分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 垂直荷載作用下放置混凝土試塊進行剪切。水平剪切推進速度為0.02mm/s,記錄摩擦力f和滑動位移s。裝樣時盡量不要擾動土樣,剪切時注意速度的穩定性。一般滑動位移變形達到4 mm時認為土樣破壞,若讀數一直增加,則待滑動位移變形達到6 mm為止。試驗中發現在剪切完成后,淤泥質土、粘土和粉質粘土均有少量土顆粒粘附在混凝土試塊表面,粉質砂土無此現象。

表1 動摩擦試驗土樣參數Tab.1 Soil parameters of sliding friction test

表2 時效性試驗土樣參數Tab.2 Soil parameters of time effect test

另取4組土樣(見表2),進行摩阻力時效性試驗。用以上相同的方法安裝試樣,試樣靜置一定時間(0d、1d、7d、14d)后再進行剪切,記錄剛開始起動時的最大阻力fmax。試驗需要的時間較長,為了保持土樣含水量等的一致性,將土樣一次性切割,放于養護箱中保存,分批使用。試樣靜置過程中,為防止土樣水分蒸發需在剪切盒周圍蓋上濕布,定期灑水養護。

2 試驗結果與分析

1)滑動摩擦試驗結果:按橫坐標為位移,縱坐標為滑動摩阻力,作混凝土試塊與土的滑動摩擦曲線,見圖1。滑動摩阻力f與法向應力σ關系見圖2。

圖1中,土樣1最大摩阻力不到40 kPa,并且在不同的法向應力下摩阻力變化不大;而土樣4在法向應力為100 kPa時就已達到52.5 kPa,法向應力為400 kPa時最大摩阻力可以達到133.8 kPa。可見滑動摩阻力與土的類型、法向應力有關,即土的強度越高產生的摩阻力越大,法向應力越大摩阻力越大,不同的土在不同法向應力下的滑動摩阻力差別明顯。

如圖2所示,極限滑動摩阻力f與σ近似成直線關系,并由此進一步求出各土樣的外摩擦角φ,見表3。表4為相應各土樣的內摩擦角,可以看到土樣的外摩擦角要小于其內摩擦角,土質越軟差值越大。

由圖3、圖4知,經過一定時間的靜置,砂土摩阻力提高幅度很小,粉土摩阻力提高也不到30%,不是很明顯;而粉質粘土強度可以達到原來的140%,淤泥質土強度甚至可以3倍的增長。分析得知,由于砂土無觸變性,且產生的孔隙水壓力消散很快,所以強度沒有變化或變化很小;淤泥質土和粉質粘土的觸變作用使其損失的強度隨時間逐步恢復,且在開始增長較快,后期變緩,最終接近于極限值。