粗糙度对砂土-混凝土接触面力学特性影响的试验研究

2016-12-30王涛

铁道勘察 2016年6期

关键词：孔壁砂土粗糙度

王涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

粗糙度对砂土-混凝土接触面力学特性影响的试验研究

王涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

桩的粗糙度对桩侧阻力的发挥有重要影响。统计钻孔灌注桩的孔壁粗糙程度，建立孔壁粗糙度与直剪试验所用混凝土板粗糙度I的关系；借助TJW-800大型直接剪切仪进行砂土与不同粗糙度混凝土板的直剪试验，并对其力学特性进行分析。结果表明：存在临界粗糙度Icr，IIcr时，接触面峰值强度随着粗糙度的增大而减小；粗糙度对接触面剪切应力-切向位移曲线的形态有影响。

接触面粗糙度直剪试验力学特性

桩作为承载结构，本质上为桩与土体的相互作用。从桩的承载机理来看，桩土相对位移是桩侧阻力发挥的必要条件，而影响因素之一为桩表面的粗糙度。桩土接触面在不同的粗糙度下表现出明显不同的力学特性。因此，研究粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响有重大意义。

国内外学者进行了一些粗糙度对接触面力学特性影响的试验，并对接触面粗糙度进行了定义，大致分为四类：第一类以粗糙几何形状参数定义粗糙度[1]；第二类采用分形几何学描述粗糙度[2]；第三类通过引入D50参数以相对粗糙度的概念定量描述粗糙程度，考虑了颗粒粒径对相同粗糙几何形状下土-结构物接触面力学特性的影响[3]；第四类是通过统计学以概率的概念对粗糙度进行定义[4]。

已有文献中试验粗糙度很小(大多为毫米级)[1-4]，无法与工程实际中钻孔灌注桩桩侧表面粗糙度相结合。同时，钻孔灌注桩孔壁粗糙度受地质、成孔工艺的影响，且难以检测，故鲜有根据钻孔灌注桩孔壁粗糙程度定义直剪试验粗糙度的文献。统计已有钻孔灌注桩孔径检测曲线，获得了孔壁粗糙情况，定义了符合工程实际的粗糙度。通过大型直接剪切仪进行不同粗糙度下砂土-混凝土板直剪试验，初步研究了粗糙度对砂土-混凝土接触面力学特性的影响规律。

1 接触面试验

1.1 试验设备

利用TJW-800大型直接剪切系统进行试验，见图1。该系统可进行较大尺寸的土与土的直剪试验、土与结构物接触面的直剪试验。

图1 TJW-800大型直接剪切系统

1.2 试验参数确定

(1)土性参数

试验用土为湘江河砂。该砂最大孔隙比emax=0.73，最小孔隙比emin=0.43，比重Gs=2.55。天然状态下砂土达不到最大或者最小孔隙比，为确保砂土密实度具有代表性，本次试验初始孔隙比e0为0.51、0.59。

(2)加载参数

实际工程中，大部分桩长为30～70 m。为模拟实际桩侧土压力，本次试验法向应力为50 kPa、150 kPa、250 kPa和350 kPa，按位移控制进行加载，当切向位移达到50 mm时试验终止，剪切速率为1 mm/min。

(3)粗糙度

通过孔径检测系统[5-10]可以获得孔壁沿桩深度变化曲线，孔径检测曲线表明了钻孔灌注桩的实际粗糙情况。基于现场实测桩侧孔壁粗糙度确定的试验粗糙度更符合工程实际，能更好地模拟室内结构物接触面粗糙度对接触面力学特性的影响规律。本试验以上海地区钻孔灌注桩孔径检测曲线[6]为基础，如图2所示。

图2 上海地区某处孔径检测曲线及数据采集结果

采集图2(a)的数据后绘制图2(b)，采点时，将孔径曲线n等分，以每段中点值作为代表值。对比两图可知，采集的数据能够反映实际结果。

常用的粗糙度测定方法有灌砂法、触针法、硅粉堆落法和分形分维法。灌砂法是最原始、简单、实用的方法；触针法以触针测出粗糙度表面的凹凸曲线，由此测量粗糙度，原理与灌砂法类似；硅粉堆落法仅定性判定粗糙程度；分形分维法在岩石节理粗糙度测量中较为常用。鉴于此，本文采用灌砂法。

图3 混凝土桩展开后示意

根据灌砂平均高度的定义，粗糙度为

式中，V为立方体体积。根据图3(a)，灌砂表面积为

将式(2)～式(6)代入式(1)可得

式中，rmax为最大桩径。由式(7)可计算得到孔径沿深度变化曲线所对应的粗糙度I，并得到粗糙度I分布频率直方图，如图4所示。

图4 粗糙度I统计

分析图4可知，粗糙度I在0～40 mm范围内的分布频率为73.5%，大于50 mm范围内的分布频率仅为6.1%。故本次试验粗糙度取出现频率较高的I=10 mm、20 mm、30 mm。

试验过程中砂土剪切会破坏混凝土板上端，锯齿状粗糙形式底部会限制底部砂土滚动，故本文选用如图5所示梯形凹槽形式。

图5 试验所用混凝土板设计

混凝土板长

混凝土板灌砂体积

由式(1)、式(8)和式(9)可得到混凝土板粗糙度

式中，h为梯形凹槽高度，dc为混凝土板宽度。由式(10)及试验粗糙度取值，混凝土板取梯形凹槽高度h=20 mm、40 mm、60 mm，以及无凹槽(光滑)形式板。

2 试验结果分析

2.1 剪切应力-切向位移曲线

整理试验数据，得到砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移(τ-u)关系曲线，如图6所示。

分析图6可知：

(1)在同初始孔隙比和法向应力条件下，接触面剪切应力τ呈现τI=1 cm>τI=2 cm>τI=3 cm>τI=0 cm规律。

(2)在同初始孔隙比和法向应力条件下，接触面的τ-u曲线具有硬化型和软化型两种形态，表明粗糙度对τ-u曲线的形态有影响。

2.2 接触面峰值强度

整理试验数据，可以获得同法向应力和初始孔隙比条件下接触面的剪切峰值强度与混凝土板粗糙度的关系，如图7所示。

分析图7可知，接触面的峰值强度随粗糙度的变化规律如下：先随粗糙度增加(0 cm→1 cm)而增大，后随粗糙度增加(1 cm→2 cm→3 cm)而减小，可认为存在一个临界粗糙度Icr，当接触面粗糙度I小于临界粗糙度Icr时，接触面的峰值强度随着粗糙度的增大而增大；当接触面粗糙度I大于临界粗糙度Icr时，接触面的峰值强度随着粗糙度的增大而减小。本试验砂土-混凝土板接触面的临界粗糙度Icr=1 cm。

3 结论

在查阅大量文献的基础上，对钻孔灌注桩的孔壁粗糙度进行统计并得到孔壁粗糙度与直剪试验所用混凝土板粗糙度I的关系，选取了适用于直剪试验的合理粗糙度值。利用TJW-800大型直剪仪系统地进行砂土-混凝土板直剪试验，得到不同粗糙度、法向应力和初始孔隙比下的接触面剪切应力-切向位移关系曲线及峰值强度，最终得到以下结论：