方樁-水泥土接觸面摩擦特性試驗研究

任建飛，周佳錦，龔曉南，俞建霖

(1.浙江大學 濱海與城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；2.浙江省城市地下空間開發工程技術研究中心，浙江 杭州 310058)

隨著城市化進程的推進，傳統鉆孔灌注樁和預應力管樁在實際工程應用中都受到一定的限制.鉆孔灌注樁施工過程中需要排放大量的泥漿[1]；錘擊或靜壓預應力管樁施工過程中產生的振動和噪音污染會對周圍環境產生不利的影響[2].為了解決傳統樁基在實際工程應用中存在的問題，龔曉南等[3]研發了靜鉆根植樁.在靜鉆根植樁施工過程中，預應力樁可以通過自重進入到樁孔內，不需要在樁頂施加荷載，因此對周圍環境的擾動較小[4].周佳錦等[5-10]通過模型試驗、現場試驗、數值模擬和理論分析，對靜鉆根植樁在軟土地基中的承載性能進行系統研究，研究結果表明，靜鉆根植樁的承載性能均優于傳統鉆孔灌注樁.靜鉆根植樁的樁側承載性能由預制樁-水泥土-土體接觸面控制.水泥土-土體接觸面的摩擦性能與傳統鉆孔灌注樁樁周不存在泥皮時的樁土接觸面摩擦性質接近[11]，可以采用傳統的樁側摩阻力計算方法，如α法、β法和靜力觸探技術[12-14]，估算水泥土-土體接觸面的極限側摩阻力.Zhou等[15]通過三維樁土接觸面剪切試驗發現，管樁-水泥土接觸面極限側摩阻力隨著水泥土強度的增大而線性增大.考慮到靜鉆根植樁中的水泥土強度與軟巖強度接近，管樁-水泥土接觸面的摩擦特性可能與嵌巖樁的樁-巖石接觸面摩擦特性相似.嵌巖樁的極限側摩阻力由無側限抗壓強度和經驗系數α、β組成[16].O’Neill等[17]總結了不同文獻給出的α和β的推薦值.

嵌巖樁屬于現場灌注樁，樁身表面較粗糙[18-19]，Seidel等[19]提出無量綱粗糙度系數，考慮樁身表面粗糙度對嵌巖樁極限側摩阻力的影響.Asem等[20]通過分析實測試驗數據發現，嵌巖樁極限側摩阻力隨著樁身直徑的增大而減小.當混凝土-巖石接觸面具有較高的黏結強度時，接觸面發生脆性破壞；當混凝土-巖石接觸面的黏結強度較低或者初始法向壓力很大（大于6 MPa）時，接觸面發生漸進破壞[21-22].

在傳統樁土接觸面直剪或環剪試驗中，樁土接觸面為平面，無法研究樁身形狀和尺寸對樁土接觸面摩擦特性的影響.筆者課題組自主設計的三維樁土接觸面剪切試驗裝置可以模擬實際樁土接觸面的受力形式和邊界條件，研究樁身形狀和尺寸對樁土接觸面摩擦特性的影響[23-25].

本文通過三維樁土接觸面剪切試驗，研究方樁-水泥土接觸面的界面摩擦特性，旨在揭示水泥土強度、方樁邊長及水泥土層厚度對方樁-水泥土接觸面摩擦特性和破壞模式的影響規律，為實際工程中靜鉆根植樁的設計提供科學依據.

1 試驗準備

方樁-水泥土接觸面剪切試驗在本課題自主設計的三維樁土接觸面剪切試驗裝置中開展.該試驗裝置包括圓形剪切箱、反應梁和伺服加載裝置，圓形剪切箱的直徑為900 mm，伺服加載裝置的加載量程為20 kN.試驗槽底部中央有圓形孔洞，可以使方樁在加載過程中從中穿過[15].剪切試驗的示意圖如圖1所示，試驗中通過填充砂層來提供樁周徑向壓力.每次試驗加載前進行砂層填充，每次填充砂層的質量是固定的，分3次進行填充，每次填充砂層厚度為100 mm，用重物對砂層進行分層壓實，將砂層厚度控制為300 mm.通過以上步驟使每次試驗的樁周砂土情況保持一致，填充砂層為靜鉆根植樁提供充分的徑向壓力，使得剪切試驗過程中方樁-水泥土接觸面試樣的受力狀態和邊界條件與實際靜鉆根植樁的樁土接觸面的受力狀態和邊界條件一致.

圖1 剪切試驗的示意圖Fig.1 Schematic of pile-soil interface shear test

試驗中水泥土配制用土取自寧波某工程現場的軟黏土，土體天然水質量分數為55.6%，天然孔隙比為1.557，塑限和液限分別為27.9%、49.5%，天然含水率大于液限.在剪切試驗中，水泥土配比參照靜鉆根植樁實際工程中的水泥土配比，水泥、土和水的質量比為1∶2.86∶2.68.在水泥土試樣的制作過程中，將土體烘干碾碎并過1 mm篩；隨后將土體顆粒與52.5波特蘭水泥混合攪拌3 min，使得土體與水泥攪拌均勻；最后加入設計所需含水量并攪拌5 min，使得水泥土試樣攪拌均勻.

在剪切試驗中，模型方樁預先制作，方樁的制作材料與實際方樁所用的材料一致，且各材料配比一致，將其充分攪拌后倒入特制的方樁模具中.用細鐵棒對水泥土漿進行插搗，使其中的氣泡排除，保證方樁表面不會存在氣泡空隙，將模型方樁靜置在標養室中養護28 d后進行脫模.該試驗方樁試模與實際方樁試模內表面的光滑程度一致，可以保證模型方樁與實際方樁表面的粗糙度相同.不同邊長模型方樁的照片如圖2所示，方樁邊長b分別為21.4、29、36、45.5、55、67、80和91 mm.

圖2 不同邊長方樁的照片Fig.2 Photograph of square piles with different side length

方樁-水泥土接觸面的試樣制作過程參見文獻[15].將模型方樁置于一塊光滑玻璃板上，將內徑為150 mm的PVC管置于玻璃板上且方樁中心與PVC管中心重合，將攪拌均勻的水泥土倒入PVC管與模型方樁之間的空間.在方樁-水泥土接觸面的試樣制作完成后，放入標養室養護，養護到設計齡期后脫模.脫模后的方樁-水泥土接觸面試樣如圖3所示，在方樁周圍均勻分布一層均勻水泥土層.

圖3 方樁-水泥土接觸面試樣的照片Fig.3 Photograph of square piles-cemented soil interface specimen

2 方樁-水泥土接觸面的剪切試驗

2.1 接觸面的荷載變化特性

方樁-水泥土接觸面試樣在標養室中分別養護3、7和14 d后進行剪切試驗，研究水泥土強度對方樁-水泥土接觸面摩擦特性的影響.養護時間為3、7和14 d時的水泥土強度分別為522、775和1 000 kPa.在剪切試驗過程中，采用伺服加載電機對方樁-水泥土接觸面試樣進行加載，加載速率為0.5 mm/min，試驗過程中的荷載、位移數據由伺服加載裝置自動讀取和存儲.當養護時間為3 d時，不同邊長方樁的荷載位移曲線如圖4所示.

圖4 荷載-位移曲線（養護時間：3 d）Fig.4 Load-displacement curve (curing time: 3 days)

圖4中，F為樁頂荷載，S為樁頂位移.可以看出，當方樁邊長從21.4 mm增加到45.5 mm時，最大樁頂荷載從2.21 kN增加到3.38 kN；當方樁邊長增加到45.5 mm時，方樁-水泥土接觸面的破壞模式發生變化.當方樁邊長為21.4～36 mm時，樁頂荷載隨著樁頂位移的增加而線性增大，在荷載達到最大值后，樁頂荷載隨著位移的增大而穩步減小，并逐漸達到穩定值.當方樁邊長增加到45.5 mm時，加載初期的樁頂荷載隨著樁頂位移的增加而線性增加，在荷載達到最大值后，隨著樁頂位移的增加，荷載突然急劇下降，發生脆性破壞.這是由于當樁頂荷載達到極限值時方樁周圍水泥土中出現裂縫，使得方樁-水泥土接觸面的徑向壓力減小，方樁-水泥土接觸面發生突然破壞.當方樁邊長為36 mm時，加載完成后的方樁-水泥土接觸面試樣如圖5所示.在加載完成后，方樁周圍水泥土層是一個整體，在樁頂荷載達到最大值后，方樁-水泥土接觸面受到徑向壓力的作用，因此方樁-水泥土接觸面發生漸進破壞.當方樁邊長增加到45.5 mm時，加載完成后的方樁-水泥土接觸面試樣如圖6所示.可以看出，在加載完成后，水泥中出現4條徑向裂縫， 4條裂縫對應方樁的4個邊角，將方樁-水泥土接觸面試樣從剪切試驗裝置中取出后發現，水泥土沿著4條裂縫分成4部分.在試驗過程中，當樁頂荷載達到最大值時，方樁邊角處發生應力集中，該位置處水泥土中出現裂縫，方樁-水泥土接觸面的法向壓力減小，方樁-水泥土接觸面發生脆性破壞.

圖5 邊長為36 mm的方樁剪切試驗后的照片Fig.5 Photograph of 36 mm square pile after shear test

圖6 邊長為45.5 mm的方樁剪切試驗后的照片Fig.6 Photograph of 45.5 mm square pile after shear test

從圖4（b）可以看出，當方樁邊長為55～91 mm時，方樁-水泥土接觸面均發生脆性破壞.當方樁邊長由55 mm增加到91 mm時，最大樁頂荷載從3.61 kN減小到2.07 kN，即最大樁頂荷載隨著方樁直徑的增加而減小，方樁-水泥土接觸面剪切試驗存在尺寸效應.

當養護時間增加到7 d時，水泥土強度為775 kPa，此時不同邊長方樁的荷載-位移曲線如圖7所示.可以看出，當方樁邊長為21.4～36 mm時，方樁-水泥土接觸面發生漸進破壞；當方樁邊長增加到45.5 mm時，方樁-水泥土接觸面發生脆性破壞，這與養護時間為3 d時的破壞規律一致.從圖7（a）可以看出，最大樁頂荷載隨著方樁邊長的增加而增大，當方樁邊長從21.4 mm增加到45.5mm時，最大樁頂荷載從3.81 kN增加到6.10 kN.從圖7（b）可以看出，當方樁邊長為55～91 mm時，方樁-水泥土接觸面均發生脆性破壞；當方樁邊長從67 mm增加到91 mm時，最大樁頂荷載從6.52 kN減小到4.83 kN.

圖7 荷載-位移曲線（養護時間：7 d）Fig.7 Load - displacement curve (curing time: 7 days)

當養護時間達到14 d時，水泥土強度增大到1 000 kPa，此時不同邊長方樁的荷載-位移曲線如圖8所示.從圖8（a）可以看出，當方樁邊長增加到45.5 mm時，方樁-水泥土接觸面發生脆性破壞，與養護時間為3 d和7 d時的變化規律一致.當方樁邊長由21.4 mm增加到45.5 mm時，最大樁頂荷載由4.43 kN增加到7.38 kN.從圖8（b）可以看出，當方樁邊長為55～91 mm時，方樁-水泥土接觸面均發生脆性破壞.當方樁邊長從55 mm增加到91 mm時，最大樁頂荷載從7.97 kN減小到5.83 kN.

圖8 荷載-位移曲線（養護時間：14 d）Fig.8 Load-displacement curve (curing time: 14 days)

當養護時間為3 d和14 d，方樁邊長為21.4～45.5 mm時，最大樁頂荷載隨著方樁邊長的增加而增大.當方樁邊長為55～91 mm時，最大樁頂荷載隨著方樁邊長的增加而減小，當養護時間為7 d時，方樁邊長大于67 mm后，最大樁頂荷載隨著方樁邊長的增加而減小，即方樁-水泥土接觸面剪切試驗存在尺寸效應.當方樁邊長相同時，最大樁頂荷載隨著養護時間的增加而增大，這是由于水泥土強度隨著養護時間的增加而增加，提高了方樁-水泥土接觸面的極限承載力.

3、7、14 d齡期下的方樁-水泥土接觸面均表現出破壞模式隨著方樁邊長的增加而發生變化的現象.出現該現象的原因是方樁周圍水泥土厚度的變化和應力集中現象.當樁周水泥土厚度足夠大時，方樁角點處的應力集中不足以產生裂縫，方樁-水泥土接觸面表現出一定的延塑性，因此出現塑性破壞.當樁周水泥土厚度小于42.8 mm時，方樁角點處的應力集中會使水泥土出現裂縫及脆性破壞的現象.

2.2 接觸面側摩阻力變化特性

為了進一步研究方樁-水泥土接觸面的摩擦特性，將試驗數據進行整理，得到不同邊長方樁的側摩阻力-相對位移的關系曲線.方樁-水泥土接觸面側摩阻力τ可以按下式計算：

式中：h為接觸面高度（本試驗中水泥土-混凝土接觸面的高度均為300 mm）.

考慮到剪切試驗過程中水泥土底部與剪切試驗裝置底板接觸，加載過程中水泥土不會發生位移，并且剪切試驗過程中方樁壓縮量很小（小于0.05 mm），可以將樁頂位移近似作為方樁與水泥土接觸面的相對位移.當養護時間為3 d時，不同邊長方樁-水泥土接觸面的側摩阻力-相對位移關系曲線如圖9所示.

圖9 側摩阻力-相對位移曲線（養護時間：3 d）Fig.9 Skin friction-relative displacement curve (curing time: 3 days)

從圖9（a）可以看出，方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力隨著方樁邊長的增大而減小.將τu表示為最大側摩阻力，當方樁邊長為21.4 mm時，最大側摩阻力為86.0 kPa.當方樁邊長增加到29 mm時，最大側摩阻力為75.6 kPa.當方樁邊長為36 mm時，最大側摩阻力減小到66.6 kPa.當方樁邊長增加到45.5 mm時，最大側摩阻力減小到62.0 kPa，且接觸面發生脆性破壞.從圖9（a）還可以看出，方樁-水泥土接觸面的殘余側摩阻力隨著方樁邊長的增大而減小.方樁邊長從21.4 mm增加到45.5 mm，相對位移達到25 mm時的殘余側摩阻力分別為42.1、37.6、31.1和8.8 kPa.當方樁邊長增加到45.5 mm時發生脆性破壞，因此此時的殘余側摩阻力遠小于發生漸進破壞時的殘余側摩阻力.

從圖9（b）可以看出，當方樁邊長為55～91 mm時，方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力隨著方樁邊長的增加而減小.當方樁邊長從55 mm增加到91 mm時，最大側摩阻力分別為54.7、44.2、35.6和19.0 kPa.從圖9（b）還可以看出，由于接觸面均發生脆性破壞，相對位移達到25 mm時的殘余側摩阻力為6.9～11.3 kPa，與邊長為45.5 mm時的殘余側摩阻力接近.

對于嵌巖樁，樁身表面比較粗糙，在樁-巖石接觸面荷載傳遞過程中會發生剪脹，使得接觸面法向壓力增加，而法向壓力的增加值隨著樁徑的增大而減小，因此嵌巖樁的最大樁側摩阻力隨著樁身直徑的增大而減小[19].本次試驗中方樁表面十分光滑，光滑樁土接觸面發生剪脹的可能性較小.Asem等[20]指出嵌巖樁側摩阻力的尺寸效應是由于樁-巖石接觸面的剪切強度和剛度會隨著樁身直徑的增大而減小.本文中方樁-水泥土接觸面最大側摩阻力隨著方樁邊長的增加而減小，可以認為方樁-水泥土接觸面的剪切強度和剛度隨著方樁邊長的增加而減小.

如圖10所示為當養護時間達到7 d時不同邊長方樁-水泥土接觸面的側摩阻力-相對位移的關系曲線，此時水泥土強度為775 kPa.從圖10（a）可以看出，當養護時間為7 d時方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力隨著方樁邊長的增加而減小；當方樁邊長從21.4 mm增加到45.5 mm時，最大側摩阻力分別為148.4、137.2、120和111.7 kPa.殘余側摩阻力隨著方樁邊長的增大而減小，當方樁邊長從21.4 mm增加到36 mm時的殘余側摩阻力分別為61.4、25.3和17.9 kPa.當方樁邊長增加到45.5 mm時發生脆性破壞，殘余側摩阻力僅為8.8 kPa.從圖10（b）可以看出，當方樁邊長從55 mm增加到91 mm時，方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力分別為96.2、81.1、60.5和44.2 kPa.由于方樁-水泥土接觸面均發生脆性破壞，相對位移達到25 mm時的殘余側摩阻力為5.0～8.5 kPa.

圖10 側摩阻力-相對位移曲線（養護時間：7 d）Fig.10 Skin friction-relative displacement curve (curing time: 7 days)

如圖11所示為當養護時間增加到14 d時，不同邊長方樁-水泥土接觸面的側摩阻力-相對位移的關系曲線，此時水泥土強度為1 000 kPa.從圖11（a）可以看出，當方樁邊長從21.4 mm增加到45.5 mm時，最大側摩阻力分別為172.5、166.5、144.7和135.2 kPa.相對位移達到25 mm時的殘余側摩阻力分別為74.2、33.6、23.2和6.6 kPa.從圖11（b）可以看出，當方樁邊長從55 mm增加到91 mm時，方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力分別為120.7、94.7、72.8和53.7 kPa，對應的殘余側摩阻力為4.8～8.8 kPa.

圖11 側摩阻力-相對位移曲線（養護時間：14 d）Fig.11 Skin friction-relative displacement curve (curing time: 14 days)

當養護時間相同時，方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力均隨著方樁邊長的增加而減小.將不同邊長的最大側摩阻力進行整理，得到最大側摩阻力τu和方樁邊長的關系曲線，如圖12所示.可以看出，當養護時間相同時，方樁-水泥土接觸面的最大側摩阻力均隨著方樁邊長的增加而線性減小.當方樁邊長從21.4 mm增加到91 mm時，養護時間為3 d時的最大側摩阻力由86.0 kPa減小到19.0 kPa，養護時間為7 d時的最大側摩阻力由148.4 kPa減小到44.2 kPa，養護時間增加到14 d時的最大側摩阻力由174.5 kPa減小到53.7 kPa.從圖12還可以看出，隨著養護時間的增加，方樁-水泥土接觸面最大側摩阻力的減小幅度逐漸增大，即方樁-水泥土接觸面最大側摩阻力的減小幅度隨著水泥土強度的增加而增大.

圖12 極限側摩阻力-邊長的關系曲線Fig.12 Relationship curve between maximum skin friction and side length of square pile

將方樁-水泥土接觸面的剪切試驗數據進行整理，得到不同邊長方樁歸一化最大側摩阻力（最大側摩阻力/水泥土強度）-水泥土強度的關系曲線，如圖13所示.圖中，fcu為水泥土強度.從圖13可以看出，水泥土強度對歸一化最大側摩阻力的影響不大，而歸一化最大側摩阻力隨著方樁邊長的增加而顯著減小.當方樁邊長為21.4 mm時，歸一化最大側摩阻力為0.165～0.191；當方樁邊長增加到91 mm時，歸一化最大側摩阻力僅為0.034～0.057.剪切試驗中所用方樁的最大尺寸為91 mm，14 d齡期下的歸一化最大側摩阻力為0.054.工程中對方樁-水泥土接觸面極限側摩阻力進行計算時，需要保證樁-水泥土接觸面不發生破壞，樁-水泥土接觸面強度大于水泥土-土接觸面強度，因此可取其設計值為0.054倍水泥土強度進行計算，保證內接觸面的強度.

圖13 歸一化最大側摩阻力-水泥土強度的關系Fig.13 Relationship between normalized maximum skin friction and cemented soil strength

3 結 論

（1）方樁-水泥土接觸面最大樁頂荷載隨著方樁邊長的增加而呈現先增大后減小的趨勢，即方樁-水泥土接觸面剪切試驗存在尺寸效應.當方樁邊長相同時，最大樁頂荷載隨著養護時間的增加而增大.

（2）方樁-水泥土接觸面最大側摩阻力隨著方樁邊長的增加而減小，隨著水泥土強度的增加而增大，而水泥土強度對歸一化最大側摩阻力的影響不大.

（3）方樁-水泥土接觸面的破壞模式隨著方樁邊長的增加而變化，即隨著水泥土層厚度的減小而變化.由于方樁存在應力集中的現象，當方樁角點處的水泥土層厚度大于49.5 mm時，應力集中不足以使水泥土產生裂縫，因此接觸面發生塑性破壞.當厚度小于42.8 mm時，角點處出現裂縫，接觸面發生脆性破壞.