夯實水泥土樁—土接觸面室內直剪試驗研究

摘 要：本文通過夯實水泥土與土接觸面的直剪試驗模擬夯實水泥土樁–土接觸界面摩擦性狀，探討了養護齡期、法向應力、水泥摻量等因素對夯實水泥土-土接觸界面摩擦性狀的影響。試驗結果表明：在一定條件下，接觸面的抗剪強度隨著養護齡期的增長而增強；增加水泥摻量能提高樁-土接觸面抗剪強度。試驗結果可對夯實水泥土樁承載力的計算分析提供參考。

關鍵詞：直剪試驗 抗剪強度 接觸面 養護齡期 含水率

樁土界面摩擦特性一直是巖土工程研究的重要課題。夯實水泥土樁屬于典型的摩擦型樁，其承載力主要依靠樁土間的相互作用。當有豎向荷載作用時，樁體受壓下沉，與樁周土體存在發生相對位移的趨勢或發生相對位移，從而產生樁側摩阻力。因此，正確的分析樁土之間的界面摩擦特性對研究夯實水泥土樁側摩阻力、樁基承載力和沉降規律具有重要意義。樁土接觸面根據結樁身剛度不同，可以分為剛性結構物接觸面和柔性結構物接觸面。一般研究樁土接觸面的試驗方法有直剪試驗和拉拔試驗。近年來，國內外很多學者對土與不同結構物的接觸界面摩擦特性進行了大量研究，并建立、驗證了適用于剛性樁-土接觸面的雙曲線關系模型。改進并自制大型直剪儀，用于研究不同因素土與結構接觸特性的影響規律。其中鐘聞華通過室內混凝土與粉土接觸面的模型剪切試驗。發現含水量對樁土界面的力學特性影響很大。楊有蓮等利用環剪儀研究了土與混凝土接觸面的力學特性，發現剪切破壞面的位置與泥皮有關。趙明華等（2012）通過對混凝土樁-土界面變形特性的研究，發現了樁土界面存在初始臨界摩阻力，荷載傳遞符合雙曲線模型，基于目前樁土的接觸面特性的研究主要集中在剛性結構與土的接觸方面。本文目的是，在總結前人研究成果的基礎上，通過夯實水泥土與土接觸面的直剪試驗模擬夯實水泥土樁-土接觸界面摩擦性狀，研究了養護齡期、法向應力、水泥摻量等因素對夯實水泥土-土接觸界面摩擦性狀的影響。

一、試驗概況

試驗用土來自株洲市天元區某建筑基坑。土質為粉質粘土，取回土樣，土樣基本參數見表1。經7天自然風干，過0.5mm篩。24小時烘干，保證含水率均勻且一致，做為試驗用土。試驗水泥為標號32.5的復合硅酸鹽水泥。

試驗儀器采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型四聯直剪儀。試驗剪切速度設定為0.8mm/min（4r/min），施加的法向應力分別為50kPa、100kPa、200kPa、400kPa。為模擬夯實水泥土樁與土的接觸界面剪切過程，將水泥土樣置于剪切盒下盒，土樣置于剪切盒上盒，如圖1所示。

試樣制備時，將環刀作為制樣容器，在環刀內部制備試樣。試樣分為上下兩層，上部為純黏土，下部為水泥土。環刀直徑61.8mm、高20mm，半樣尺寸在為直徑61.8mm，高度10mm。

試驗分三個齡期階段進行。第一階段試驗中水泥土齡期為0天，按含水率20%、25%、30%配制粘土土樣，按水泥摻量12%、15%、20%配制水泥土，每一階段試樣一共分9組。第二階段、第三階段試驗中水泥土齡期分別為7天、28天。試樣制備完成后，將做好的試樣用塑料薄膜分類包好，保水養護，分別養護7天、28天。

試驗過程參照《土工試驗方法標準》GB/T 50123-1999進行。

二、試驗結果與分析

養護齡期對夯實水泥土-土接觸界面摩擦性狀的影響。由于試驗工況具有相似的規律特點，這里以水泥摻量為15%的試驗結果作分析。圖2為不同齡期、不同法向應力下水泥土-土接觸面的剪切應力-位移曲線。圖3（a）、圖3（b）分別為養護齡期0天摩擦阻力增量的曲線變化和養護齡期7天至養護齡期28天摩擦阻力增量的曲線變化。

由圖2、圖3可知：1）對于任何齡期，當樁土接觸面未破壞時，剪應力都隨著剪切位移的增大而增大，先快后慢；當樁土接觸面破壞后，最剪應力都隨著剪切位移的增大后變化緩慢，且趨向于某一常數，變化趨勢表現為線性變化。2）當齡期相同時，對于同一配比的試樣，其剪切峰值應力隨法向應力的增大而增大，且在法向應力較小時（50kPa、100kPa），當接觸面的剪力應力達到峰值后會產生衰減軟化現象。3）當法向應力相同時，對于同一配比的試樣，其剪切峰值應力隨齡期的增大而增大。

以上現象表明：1）當樁土接觸面未破壞時，接觸面強度主要由粘結力構成；當樁土接觸面破壞后，接觸面強度主要由摩擦阻力構成。2）隨著水泥土養護齡期的增長，在接觸面位置水泥土與土相互滲透，形成了具有較高的抗剪性能的泥皮。因此當法向應力較小（50kPa、100kPa）時，泥皮受剪所時產生的阻力能夠較大幅度提高接觸面的抗剪強度，但隨著剪切位移的增長，泥皮也隨之破壞，接觸面因抗剪強度的急劇下降而出現了軟化現象；但當法向應力較大（200kPa、400kPa）時，泥皮受剪所時所產生的阻力在接觸面的抗剪強度中所占的比重很小，軟化現象也就表現得不明顯甚至消失了。1）養護齡期對夯實水泥土-土接觸面抗剪強度影響主要與水泥和土水化反應的程度有關，水泥土養護齡期越長，夯實水泥土中的水泥與接觸土體的物理化學反應越充分，接觸面的抗剪強度也越強。

2.2水泥摻量對夯實水泥土-土接觸界面摩擦性狀的影響。

圖4為養護齡期為7天、土體含水率為25%時，不同法向應力下，夯實水泥土樁–土接觸面抗剪強度與水泥摻量的關系曲線。

從圖4中可以看出：1）在相同法向應力作用下，夯實水泥土-土接觸面上的抗剪強度隨著水泥摻量的增加而不斷增大，但增長速率有減緩趨勢；2）在相同水泥參量條件下，夯實水泥土-土接觸面上的抗剪強度隨著法向應力的增加也不斷增大。

以上現象表明：水泥摻量也是影響夯實水泥土-土接觸面抗剪強度的一個重要指標。在一定范圍內，水泥摻量的增加可以提高樁-土接觸面的抗剪強度。從變化趨勢上看，水泥摻量對夯實水泥土樁樁側摩阻力的影響是有限的，有限于試驗樣本的取值范圍不夠寬泛，是否存在最佳的水泥摻合比有待進一步研究。

四、結語

本文通過設計直剪試驗模擬夯實水泥土-土接觸面工作性狀，經過一系列數據分析，可以得出以下結論：1）養護齡期主要通過控制水泥與土物理化學反應的程度，對夯實水泥土樁-土接觸面強度影響。夯實水泥土中的水泥與接觸土的物理化學反應越充分，接觸面的抗剪強度也越強。2）法向應力對夯實水泥土樁-土接觸面強度影響，主要是通過影響接觸面位置水泥土與土相互滲透形成的具有較高的抗剪性能泥皮摩擦，在全部接觸面抗剪強度中所占的比例實現的。3）在一定范圍內，水泥摻量的增加可以提高樁–土接觸面抗剪強度。但隨著水泥摻量的增加，夯實水泥土樁樁側摩阻力的提高幅度有減緩的趨勢，是否存在的最佳水泥摻量需進一步研究。

參考文獻：

[1]Potyondy，J.G.Skin friction between various soils and construction material，Geotechnique，Vol.11，No.4，1961，339-353.

[2]Clough G W， Duncan J M1Finite element analysis of retaining wall behavior[J]1Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE， 1971， 97（SM12）：1657-1672.

[3]Peterson M S， Kulhawy F H， Nucci L R， Wasil B A.Stress-deformation behavior of soil-concrete interface[R] . Contract Report B-49 to Niagara Mohawk Power Corporation.Syracuse， NY.

[4]Brandt J R T.Behavior of soil-concrete interface [D]Edmonton：University of Alberta，1985.

[5]Desai C S， Drumm E C， ZamanMM1Cyclic testing and modeling of interfaces[J]1Journal of Geotechnical Engineering， 1985， 111（6）：793-815.

[6]殷宗澤，朱泓，許國華.土與結構材料接觸面的變形及其數學模擬[J]1巖土工程學報， 1994， 16（3）：14-22.

[7]胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面物理力學特性試驗研究[J].巖土工程學報， 2001， 23（4）：431-435.

[8]胡黎明，濮家騮.土與結構物接觸面損傷本構模型[J].巖土力學，2002，23（1）：6-11.

[9]鐘聞華.深長樁荷載傳遞特性與相互作用理論及應用研究：[D]，南京，東南大學，2005.

[10]楊有蓮，朱俊高，余挺，吳曉銘. 土與結構接觸面力學特性環剪試驗研究[J]. 巖土力學，2009，30（11）：3256～3260.

[11]趙明華，劉蘇，尹平保，劉猛.考慮樁土界面初始臨界摩阻力影響的基樁沉降計算方法[J]. 中南大學學報（自然科學版），2013，44（8）：3425～3431.

作者簡介：王忍（1991—），男，江蘇海安縣人，湖南工業大學碩士生，研究方向為樁-土共同作用理論。