樁-土界面殘余強度影響因素分析

楊慶光，陳小巍，肖立權，柳 雄，劉海媚，譚 杰

（1.湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊，湖南 株洲 412007）

0 引言

土體與結構接觸面之間的相互作用至今仍然是巖土工程中的一個難點，該類問題研究具有非常重要的理論和實踐意義。自從J.G.Potyondy[1]通過大量直剪試驗后指出粗糙度、法向應力、含水率等是影響接觸面剪切強度的主要因素以來，諸多學者就其力學特性影響因素已經進行了大量的研究。其中胡黎明等[2]采用改進直剪儀，針對不同粗糙度下接觸面研究成果，提出臨界相對粗糙度能夠較好地描述樁土界面相互作用關系。金子豪等[3]根據現場實測的成孔孔徑與深度關系，建立了混凝土結構尺寸凹凸分布的頻率統計方程，得到一種粗糙度計算新方法。趙春風等[4-5]采用大型直剪儀，對黏性土-混凝土界面進行了彈塑性分析，研究了法向應力變化歷史對結構面特性的影響。賀煒[6]、王永洪等[7]利用直剪儀，研究了含水率與結構面-土界面剪切強度間的關系，找到了隨土含水率的增加，界面剪切強度逐漸降低的規律。此外，楊有蓮[8]、彭凱等[9]分別利用環剪試驗和單剪試驗，對帶泥皮接觸面的力學特性開展過相應的研究。

樁-土接觸問題力學特性研究有如下方面：劉希亮等[10]通過試驗發現，高壓力下界面上的剪切殘余強度與法向壓力大小有關。李永輝等[11]通過大型界面剪切試驗，發現泥皮的潤滑作用對界面摩擦角大小有明顯的影響。樁土界面的殘余強度指樁-土界面出現破壞之后保留的殘余變形與抵抗外荷載的能力，其取值大小在施工中扮演著十分重要的角色。張明義等[12]通過制造出不同的混凝土板表面粗糙度來模擬靜壓管樁的界面，研究發現管樁樁-土界面孔壓占總法向應力10%左右。此外，許成順等[13]通過室內試驗，對比分析了17種不同黏性土的殘余強度。成浩等[14]基于許成順等[13]的研究，對多個粗糙度下結構面殘余強度的影響因素開展了研究。陳榮剛等[15]為了研究含水率與土質條件等因素對摩擦樁側摩阻力的影響,通過接觸面剪切試驗裝置，對摩擦樁的側摩阻力分布規律及其影響因素展開研究。王永洪等[16]通過自制的大型恒剛度直剪儀對非飽和黏性土進行樁-土界面剪切試驗，探討了非飽和黏性土樁-土界面剪切特性及受黏性土飽和度的影響規律。

在工程中，常常出現施工不當或基坑開挖引起樁身回彈，而采取復壓的措施往往導致樁-土界面出現損傷，甚至破壞，此時上部荷載主要由樁-土界面的殘余強度來承擔。已有研究大都利用環剪或者直剪試驗手段，圍繞著樁-土界面峰值強度問題展開。但是，現有的環剪或者直剪剪切裝置均存在剪切過程中剪切面積逐漸減小、應力分布不均勻等問題，不利于揭示樁-土界面的剪切特性。本文利用自制的樁-土接觸面剪切裝置，通過室內模型試驗，對樁-土接觸面殘余強度發揮機制，以及影響殘余強度發揮的因素開展試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

本文采用課題組自制的樁-土界面剪切試驗裝置[17]開展了室內試驗研究，界面剪切試驗裝置如圖1所示。

圖1 界面剪切試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of interface shear test device

該裝置由剪切組件、加載組件、傳力組件和測量組件4部分構成，首先通過特定的制樣工具，將土和樁安裝至剪切組件中；其次通過加載組件對試驗土體表面施加均布荷載（對試樣表面施加法向應力）；再次通過手動剪切組件對樁土界面施加剪切荷載；最后通過測量組件測量量力鋼環變形和樁體變形，確定界面剪切應力的大小和剪切位移，繪制出界面剪切應力-位移全過程曲線。

1.2 試驗材料

本試驗土體取自某深基坑中典型黏性土，通過風干、破碎、過篩等工序處理后，獲得試驗土體物理力學參數如表1。

表1 試驗土體基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of test soil

根據張明義等[18]得出原狀土與重塑土的滑動摩擦試驗特性基本一致的結論，本試驗采用重塑土進行樁-土界面剪切試驗，試驗共配置了含水率分別為8%, 12%, 16%的土樣。此外，綜合考慮工程現場樁側地基土壓實度實際情況及實驗室剪切試件土樣壓實度控制的問題，最后確定每個含水率分別制作壓實度為60%，70%和80%的土樣，并分別選擇剪切試驗法向壓力為18.91, 37.86, 50.80, 75.74 kPa，共制作72個試驗土樣（預壓和不預壓）。模型樁試件直徑為30 mm，為確保剪切面積不變，長度取210 mm。樁身材料為P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.43:1。

1.3 試驗方法與步驟

進行無預壓剪切試驗時，首先，將某深基坑中典型黏性土，通過風干、破碎、過篩等工序處理。通過土體三相換算確定每次填筑土量，確定擊實控制標準，并分3次等質量填土和擊實。裝樣完成2周后再進行剪切試驗。通過手動方式，使升降盤上升，從而使量力鋼環產生壓縮變形，并推動模型樁，使樁-土出現相對位移，并通過百分表讀數變化計算出推力大小，同時通過另一個百分表讀數差確定樁-土相對位移。為考慮預壓對界面剪切特性的影響，首先需選擇一定壓力大小對土體進行豎向預壓，然后同無預壓相同豎向加壓方案界面剪切試驗的結果進行比較。本次模型試驗共計完成了36組無預壓和36組有預壓界面剪切試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 剪切應力-剪切位移曲線

圖2為樁-土界面剪切強度隨剪切變形變化的關系曲線圖。

圖2 樁-土界面剪切強度隨剪切變形變化曲線Fig.2 Variation curve of shear strength of pile-soil interface with shear deformation

由圖2可知，4種法向應力下曲線都表現為先快速達到剪切應力峰值，然后又緩慢下降的趨勢，且法向應力越大，這種軟化越明顯。當λ=60%時，隨法向應力的增加，對應的剪切應力降低，從0.217 kPa到1.210 kPa不等，但是隨著壓實度增大，這種軟化現象逐漸減弱，并逐漸趨于穩定，達到剪切殘余強度。從圖2還可以看出，不同壓實度情況下，剪切強度均表現出隨法向應力增大而變大的現象。當λ=60%時，隨法向應力的提高，界面剪切強度分別為1.195, 2.173,3.150, 4.128 kPa。

2.2 含水率、壓實度對殘余強度的影響

圖3為不同法向應力和壓實度下，界面剪切殘余強度隨含水率變化曲線。

圖3 樁-土界面剪切殘余強度隨著含水率變化曲線Fig.3 Variation curve of residual shear strength of pile-soil interface with water content

由圖3可知，界面殘余強度隨含水率增加先增后減，且增加速率略快于下降速率，并且在最優含水率處殘余強度最高。當含水率和法向應力不變時，壓實度越大，殘余強度越高。當含水率和法向應力分別為12%和56.80 kPa時，壓實度為60%, 70%, 80%對應的殘余強度分別為2.95, 3.25, 5.21 kPa。受壓實度影響，壓實度越高，界面的顆粒強度越大，剪切時受剪切力影響越小，從而界面殘余強度更高。

表2為本次試驗中界面殘余強度波動差值。由表可知，前三級法向應力時，低壓實度變化引起界面殘余強度波動值小于高壓實度變化情況。反之，當法向應力為75.74 kPa時，低壓實度變化引起界面殘余強度波動值大于高壓實度變化情況。

表2 樁-土界面殘余強度波動差值Table 2 Residual strength fluctuation differential values of pile-soil interface

2.3 預壓對殘余強度的影響

為考慮基坑開挖或外部地面堆載等作用對坑內外樁-土界面剪切特性的影響，本試驗開展了45.83 kPa壓力下的預壓界面剪切試驗，預壓荷載施加1 h后立即卸載，并根據無預壓加載和剪切方案開展界面剪切試驗。圖4為預壓前后界面殘余強度曲線圖，據圖4可知，在不同的法向應力情況下，受含水率和壓實度的影響，殘余強度均為山峰型，且在最優含水率附近處達到最大值，在壓實度最大處達最大值。

圖4 預壓前后樁-土界面殘余強度隨含水率變化曲線Fig.4 Variation curve of residual strength of pile-soil interface with water content before and after preloading

圖5為預壓前后界面殘余強度提高比例曲線。

圖5 預壓前后樁-土界面殘余強度提高比例隨含水率變化曲線Fig.5 Curve of increasing proportion of residual strength of pile-soil interface with water content before and after preloading

由圖5可知，不同壓實度情況下，預壓前后界面殘余強度提高比例曲線均表現出先增大后降低的山峰型，且均表現出法向應力越小，提高比例越大的特點，充分表明預壓對法向應力較小情況下殘余強度提高比例更高。

2.4 對殘余強度的討論

2.4.1 剪切界面殘余強度

圖6為界面剪切殘余強度隨法向應力的變化散點圖和擬合曲線圖。從圖中可以看出，壓實度相同時，界面殘余強度隨法向應力的增大而增大。從圖中還可以看出，有無預壓下界面的剪切破壞均可以采用莫爾-庫倫（M-C）剪切破壞準則進行分析。即

式中：τ為界面剪切殘余強度；σ為法向應力；φ為界面殘余摩擦角；c為界面殘余黏聚力。

此外，由圖6可知，壓實度對界面殘余黏聚力取值有明顯的影響，壓實度80%較壓實度60%時界面殘余黏聚力提高169%。當考慮預壓影響時，由于土體壓實度提高了土顆粒與結構表面的黏著或咬合作用，故界面殘余黏聚力顯著提升，而殘余摩擦角均出現下降現象。

圖6 不同壓實度條件下的法向應力-殘余強度關系圖Fig.6 Curves of shear residual strength versus normal stress with different values of compaction

2.4.2 殘余應力比

定義殘余強度與法向應力比值為界面殘余應力比。圖7為不同壓實度下法向應力-殘余應力比的關系曲線圖。

由圖7可知，不同壓實度下，界面殘余應力比表現為先急劇下降，后逐漸變緩的趨勢，且壓實度越大，這種現象越明顯。主要是由于無預壓時，高壓使樁-土界面土顆粒間相對位移引起能量耗散明顯所致，而有預壓情況下，土顆粒相對位移不明顯，從而這種現象更為明顯。

圖7 不同壓實度下界面法向應力-殘余應力比關系曲線Fig.7 Curves of residual stress ratio versus normal stress with different values of compaction

3 結論

1）樁-土界面剪應力先迅速增大，達峰值后緩慢下降趨于穩定，且隨法向應力提高呈軟化加強的趨勢；界面殘余強度與壓實度和法向應力呈現同向變化趨勢，同含水率呈反向變化趨勢，且在最優含水率附近達到最大值；

2）在不同的法向應力情況下，受含水率和壓實度的影響下，殘余強度表現為山峰型，在最優含水率附近和壓實度最大處達峰值，且預壓對法向應力較小情況下殘余強度提高比例更高；

3）有無預壓界面殘余強度與法向應力存在顯著的線性關系，符合莫爾-庫倫（M-C）剪切破壞準則，不同壓實度下，界面殘余應力比表現為先急劇下降，后逐漸變緩的趨勢，且壓實度越大，這種現象越明顯。