不同樁土界面負溫直剪試驗研究

王玉萍, 張紅興, 王玉峰

(1.青海民族大學建筑工程學院，青海西寧 810007； 2.中鐵三局集團第四工程有限公司， 北京 102300；

3.西安驪通公路工程養護有限公司，陜西西安 710600)

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不同樁土界面負溫直剪試驗研究

王玉萍1, 張紅興2, 王玉峰3

(1.青海民族大學建筑工程學院，青海西寧 810007； 2.中鐵三局集團第四工程有限公司， 北京 102300；

3.西安驪通公路工程養護有限公司，陜西西安 710600)

多年凍土地基中樁-土界面特性對樁基礎的安全性和長期穩定性有重要的影響。文章采取室內負溫直剪模型試驗的方法研究多年凍土地區樁-土界面的剪切特性。試驗中考慮了樁體材料、土體含水量、溫度及法向應力等影響因素，采用輪換因子法進行試驗方案設計，共完成144組室內負溫直剪試驗。試驗結果表明-5 ℃是各種樁體材料(混凝土材質、鋁材質、有機玻璃材質、木材質)的樁-粉土界面直剪試驗的臨界溫度。相關試驗結論將對多年凍土地區樁基礎的理論研究起到補充豐富作用，對樁基礎施工起到一定的指導作用。

凍土； 樁土界面； 直剪試驗

1 模型試驗

1.1 試驗方案

試驗選取混凝土塊-粉土界面、鋁塊-粉土界面、有機玻璃塊-粉土界面及木塊-粉土界面4種不同樁體材料的樁-土界面，在3種土體含水量(20 %、23 %、26 %)、3種試驗溫度(-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃)條件下，分別對試樣施加4個法向應力(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，采用輪換因子法進行試驗方案設計，共需完成144組室內負溫直剪試驗。

1.2 試驗設備

本次試驗主要使用凍融循環試驗箱的恒溫功能來冷凍試樣，可以設置試驗所需要的各個溫度。負溫環境箱是進行本次直剪試驗的場所，主要作用是為試驗提供與試塊溫度幾乎相同的負溫環境。應變控制式直剪儀主要用來測定土體的抗剪強度。此標準直剪儀經過改裝，可以電動控制速率，最小速率為0.002 mm/mim，符合試驗需要。

2 試驗數據

2.1 混凝土塊與粉土直剪試驗

根據試驗過程中讀取的試驗數據，由百分表讀數計算得到界面剪應力，剪切速率乘以剪切時間得到剪切位移。以剪切位移為橫坐標的數值，以剪應力為縱坐標的數值，繪制試驗曲線見圖1。由于論文篇幅所限，文中所有試驗數據對應的法向應力均為300 kPa。

2.2 試驗分析

根據上述不同溫度、不同含水量的混凝土塊與粉土界面的剪應力—剪切位移關系曲線，經分析得到下面的初步結論：

(1)混凝土塊與粉土界面的平均剪應力隨剪切位移的增大而增大，二者呈明顯的非線性關系。

(2)土體含水量ω=20 %，試驗溫度T=-1 ℃、T=-3 ℃、T=-5 ℃時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應力及相應的剪切位移分別為677.16 kPa、906.3 kPa、915 kPa和0.18 mm、0.24 mm、0.3 mm。從這些數據可以看出：隨著試驗溫度降低，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應力在逐漸增大，達到峰值剪應力所需的剪切位移也呈增大趨勢。這說明負溫環境下混凝土塊與粉土的界面剪切特性發生了很大的改變，這主要是由于負溫下土體中冰晶的存在，隨著溫度的降低，土中未凍水逐漸轉化為冰晶，冰晶含量增多，尤其在混凝土塊與粉土的界面處冰晶能有效的將土體與樁體材料粘結在一起,進而增大了混凝土塊與粉土界面的剪應力，相應的剪切位移隨之增大。

(3)試驗溫度T=-1 ℃ ，土體含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應力分別為677.16 kPa、744.876 kPa、834.2 611 kPa。試驗溫度T=-3 ℃ ，土體含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應力分別為906.3 kPa、1 043.442 kPa、1 168.655 kPa。試驗溫度T=-5 ℃ ，土體含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應力分別為915 kPa、1 009.157 kPa、1 120.164 kPa。此3組數據都具有統一的規律：相同試驗溫度下，土體含水量越大，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應力越大。

2.3 不同樁體材料的樁-土界面直剪試驗對比分析

2.3.1 剪應力—剪切位移曲線

為了研究樁體材料對樁-土界面剪切特性的影響，將直剪試驗得到的試驗數據進行了分類整理，土體含水量ω=26 %，試驗溫度T=-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃時，不同樁-土界面剪應力—剪切位移曲線見圖2。

圖2 不同材料樁-土界面剪應力-剪切位移的關系

2.3.2 對比試驗分析

將上述不同試驗溫度、不同土體含水量條件下，不同樁-土界面剪應力—剪切位移曲線進行對比研究，得到以下結論：

試驗溫度T=-1 ℃，相同土體含水量條件下，不同樁-土界面抗剪強度大小關系為混凝土塊-粉土界面 >鋁塊-粉土界面>木塊-粉土界面>有機玻璃塊-粉土界面；試驗溫度T=-3 ℃及T=-5 ℃，相同土體含水量條件下，不同樁-土界面抗剪強度大小關系為鋁塊-粉土界面>混凝土塊-粉土界面>有機玻璃塊-粉土界面>木塊-粉土界面。溫度越低，鋁塊與土體的界面抗剪強度越大，而木塊與土體的界面抗剪強度越小。總體而言，試驗溫度對不同材料的樁-土界面剪切特性是有影響的。

3 結論

通過室內負溫直剪試驗及對試驗結果的整理研究，得到了以下主要結論：

(1)不同試驗溫度及不同土體含水量條件下，不同樁體材料的樁-粉土界面的平均剪應力隨剪切位移的增大而增大，二者呈明顯的非線性關系，當剪切應力增加到某一個數值后將基本保持穩定。

(2)相同土體含水量條件下，隨著試驗溫度的降低，各種樁體材料(混凝土材質、鋁材質、有機玻璃材質、木材質)的樁 -粉土界面的剪切應力均呈增大趨勢。且負溫條件對樁-粉土界面的的剪切特性有非常大的影響，通過試驗分析，筆者認為試驗溫度-5℃是各種樁體材料(混凝土材質、鋁材質、有機玻璃材質、木材質)的樁-粉土界面直剪試驗的臨界溫度，并預測當試驗溫度比-5℃更低時，在相同剪切位移下，各種樁體材料(混凝土材質、鋁材質、有機玻璃材質、木材質)的樁-粉土界面的剪切應力數值將會比-5℃時的界面剪切應力數值小。

(3)試驗溫度T=-1 ℃，相同土體含水量條件下，混凝土塊-粉土界面的抗剪強度最大；試驗溫度T=-3 ℃及T=-5 ℃，相同土體含水量條件下，鋁塊-粉土界面界面抗剪強度最大，即樁體材料確實對樁-粉土界面的剪切特性有影響。筆者認為，這種試驗溫度導致的不同樁體材料(混凝土材質、鋁材質、有機玻璃材質、木材質)的樁-粉土界面的抗剪強度的差異，根本的原因在于樁體材料的性質、表面粗糙度及材料自身的剛度等因素。

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王玉萍(1988～)，女，碩士，助理實驗師，主要從事地基及基礎工程方向的教學和科研工作。

王玉峰(1980～)，男，研究生，助理工程師。

TU445

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[定稿日期]2016-07-04

[基金簡介]青海民族大學校級理工科項目《青藏高原多年凍土地基樁土界面剪切特性試驗研究》(項目編號：2015XJZ20)