考慮含水率的不同砼－土界面粗糙度的剪切試驗研究

姬雪竹 張鈞堂

(重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

靜壓樁是在實際工程中較常采用的工程形式，它有著無污染、對樁身沒有沖擊力等優點。在對其沉樁過程進行計算時，需要考慮樁與結構接觸面的問題，這里即砼土界面。

對于土與結構接觸面很多學者已進行了研究，取得了許多重要的成果:張明義［1］對樁土滑動摩擦及其時效性進行了研究;張嘎等［2］研究了一系列粗粒土與結構接觸面的力學特性;Uesugi［3］用矩形單剪儀對土與結構接觸面進行了動力學和靜力學研究;Potyondy［4］指出影響接觸面剪切特性的主要因素為:土的性質、含水率、界面粗糙度、法向應力等;梁越等［5］鋼－土界面剪切過程的三個階段。本文選取重慶地區較為普遍的砂泥巖為研究對象，研究界面粗糙度對于砼－土接觸界面剪切特性的影響。

1.實驗材料和方法

本試驗主要考慮結構面粗糙度對鋼土界面剪切特性的影響，根據已有數據，選取固定干密度為1.8g/cm3，含水率分別為6%，8%，10%，12%制樣，法向應 力分別 為50KPa，100 KPa，150 KPa，200 KPa，共計32組試驗。制樣完成后，像一般剪切試驗一樣用環刀裝入砂泥巖混合料，將直剪儀下部裝入不同粗糙度的砼塊，砼土接觸進行剪切試驗，記錄數據。

2.結果分析

通過試驗所得數據，做出含水率分別為6%，8%，10%，12%，干密度均為1.8g/cm3的試樣在法向應力分別為50KPa，100 KPa，150 KPa，200 KPa下的τ－μ的關系，擬合出τ－σ曲線。

比較不同含水率情況下，極限剪切強度的變化關系:同一含水率下，切向應力和法向應力存在良好的線性關系，引用摩爾庫倫準則:

式中:c為砼土接觸界面之間的粘聚力 (kPa);σ為施加的法向應力 (kPa);φ為砼土界面的內摩擦角。

含水率由6%增至10%過程中，光滑界面的粘聚力由4.34kPa增至7.075kPa，含水率12%時則又減小至6.212kPa，即在一定范圍內，隨著含水率增大，粘聚力增大，而過高的含水率則會使粘聚力減小，粗糙界面的粘聚力由10.75kPa增至14.4kPa，含水率12%時則又減小至12.5kPa，可見，粗糙界面相對于光滑界面粘聚力有了明顯的提升，而且含水率對粗糙界面和光滑界面有著相同的影響趨勢;通過摩爾庫倫準則，反算出內摩擦角，可看出隨著含水率的增加，在一定范圍內，內摩擦角隨著含水率增大，當含水率過高時內摩擦角會變小。

表1 含水率與粘聚力和內摩擦角的關系

由表得知:對于光滑界面，在含水率由6%增至10%的過程中，粘聚力分別增加16.9%和39.4%，內摩擦角分別增加1.2%和2.1%，含水率繼續增至12%時，呈減小的趨勢，粘聚力減小12%，內摩擦角減小1.6%;對于粗糙界面，在含水率由6%增至10%的過程中，粘聚力分別增加4.1%和28.6%，內摩擦角分別增加1.4%和3.8%，含水率繼續增至12%時，呈減小的趨勢，粘聚力減小13.2%，內摩擦角減小3.3%。分別擬合粘聚力c和內摩擦角φ關于含水率的曲線，并給出公式。為檢驗公式合理性，進行補充試驗，即做含水率9%和11%、干密度為1.8g/cm3的剪切試驗，反算出光滑界面內摩擦角為29.03°和29.33°，粘聚力為5.97kPa和6.73kPa，粗糙界面的內摩擦角為31.58°和32.46°，粘聚力為12.77 kPa和14.63 kPa，同時由擬合公式計算得出含水率為9%和11%時，光滑界面內摩擦角為29.20°和29.54°，粘聚力為6.20 kPa和7.29kPa，粗糙界面的內摩擦角為31.85°和32.65°，粘聚力為13.31 kPa和15.25 kPa。對于光滑界面，粘聚力的實驗值與擬合計算值分別相差3.82%和8.26%，內摩擦角分別相差0.58%和0.72%;對于粗糙界面，粘聚力的實驗值與擬合計算值分別相差4.23%和4.20%，內摩擦角分別相差0.86%和0.59%。

3.結論

1)在砼－土界面剪切特性試驗中，可以明顯看到，粗糙界面的粘聚力和內摩擦角遠大于光滑界面。可見，對于粗糙界面的樁 (混凝土)可以明顯的提升樁基承載力。

2)在砼－土界面剪切特性試驗中，砼－土接觸界面的抗剪強度與其所受法向應力滿足摩爾庫倫準則，且在一定范圍內隨含水率的增加，土的粘聚力和內摩擦角均增大，呈線性增長，而當含水率高于一定范圍時，隨含水率的增加，土的粘聚力和內摩擦角均減小。含水率超過了12%的范圍，粘聚力和內摩擦角是否還能符合關系式;隨著含水率的增加，土體自重也相應地隨著含水率的增加而增加，這種變化對試驗結果是否產生影響，值得繼續研究。

［1］張明義，鄧安福.樁－土滑動摩擦得試驗研究 ［J］.巖土力學，2002(2):246－249.

［2］張嘎，張建民.粗粒土與結構接觸面單調力學特性的試驗研究［J］.巖土工程學報，2004(1):21－25.

［3］ Potyondy JG.Skin friction between various soils and construction materials［J］.Geotechnique，1961，11(4):339－353.

［4］ Uesugi M.Frictional resistance at yeild between dry sand and mild［J］.steel［J］.Soils＆ Foundations，Journ Japanese Society of Soil Mech＆ Found Engrg，1986，26(4):139－149.

［5］梁越，盧孝志等.考慮土體密實度的鋼－土界面剪切特性研究 ［J］.2014(4):168－172.