桩-海洋黏土界面剪切性状试验研究

郭聚坤，寇海磊，许泓霖，雷胜友

（1.长安大学 公路学院，西安 710064；2.山东交通职业学院 公路与建筑系，山东 潍坊 261206；3.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100）

1 研究背景

跨海大桥、海上风力发电等海洋工程在近年发展迅速，大直径超长桩成为海洋工程基础的首选。海洋工程承受海洋风、浪、地质作用等各种外部荷载，桩基承载力是影响其整体稳定性的重要因素，如何合理确定桩侧摩阻力是研究桩承载力的重要课题。桩侧摩阻力的确定实质上就是确定桩-土界面的剪切强度，故对海洋桩-土界面的力学特性研究变得尤为重要。

国内外学者对结构物-土界面力学特性展开了一系列室内试验，如Fakharian等［1］进行了砂土与钢管桩的界面剪切试验，量测了界面剪切位移。张明义等［2］、殷勇等［3］将传统直剪仪中的透水石换成钢块或混凝土块进行试验。Mortara等［4］进行了砂土与钢板界面剪切试验，建立了界面本构模型。刘枫等［5］指出筋-黏土间的夹砂层可有效提高筋-土接触面的抗剪强度。梁越等［6］通过改进直剪仪研究了钢-土界面力学特性的时效性。Canakci等［7］研究了桩-有机土界面剪切性状，指出粗糙度和含水率是影响界面特性的因素。张俊峰等［8］研究了不同工况对筋-土界面强度参数和剪切刚度的影响，指出界面强度参数远小于直剪试验。

然而，上述研究主要是针对陆地工程展开的，对于海洋环境下结构物-土界面剪切性状的研究较少。如李炜等［9］采用表面效应及接触单元法模拟了风电基础桩土作用。孙希［10］结合实际海洋工程分析了桩土参数对P-y曲线的影响（P为桩反力，y为y方向桩的位移）。刘红军等［11］建立了海上风机桩土作用模型。为进一步探究海洋工程桩-土体界面剪切性状，笔者通过改进直剪仪，进行了钢、混凝土与海洋黏土的界面剪切试验，从土体含水率和固结时间2个因素出发展开研究，以期为沉桩设计、沉桩阶段阻力估算提供一定的参考，为估计桩基承载力提供借鉴。

2 界面剪切试验

2.1 试验设备改进

界面剪切试验所用直剪仪是在室内直剪仪基础上经过改进制作而成，如图1所示。上剪切盒完全由桩模拟材料取代，下剪切盒放置试验土样，土样尺寸为Φ6.18 cm×2 cm，桩模拟材料尺寸为8.2 cm×8.2 cm×1.5 cm。

图1 改进后的直剪仪示意图Fig．1 Schematic diagram of improved direct shear apparatus

2.2 试验材料

试验所用海洋黏土取自青岛沿海地区，采用重力柱状取样器取样，试验土样为重塑浅灰色粉质黏土，如图2所示。土样的基本物理力学指标按《土工试验方法标准》（GB／T 50123—1999）［12］获取，主要参数见表1。桩模拟试块包括钢块和混凝土块，其中钢块为不锈钢材料，产自青岛钢材公司，混凝土块采用C50混凝土，经切割而成。

图2 试验所用土样Fig．2 Soil samples used in the test

2.3 试验方案

（1）制备含水率为20%，40%，60%的土样各2组，闷料24 h，随即竖向一维固结1 h。在法向应力50，100，150 kPa作用下进行剪切试验，其中钢-海洋黏土界面剪切试验和混凝土-海洋黏土界面剪切试验均为3组。

（2）制备含水率为40%的土样12组，其中钢-海洋黏土界面剪切试验和混凝土-海洋黏土界面剪切试验均为6组，分别放置1，3，5，7，14，21 d进行固结，在法向应力50，100，150 kPa作用下进行剪切试验。

表1 试验土样主要物理力学性质指标Table 1 Main physical and mechanical properties of soil samples

夏春红等［13］研究指出剪切速率控制在0.02～1.2 mm／min不会影响界面力学特性，故上述试验剪切速率均设定在0.8 mm／min。

3 试验机理分析

3.1 界面剪切应力-剪切位移关系

3.1.1 不同含水率下界面剪切应力-剪切位移关系

钢-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线如图3所示，混凝土-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线如图4所示。

图3 不同含水率下钢-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线Fig．3 Curves of shear stress against shear displacement of the interface between steel and marine clay with varied water content

图4 不同含水率下混凝土-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线Fig．4 Curves of shear stress against shear displacement of the interface between concrete and marine clay with varied water content

可以看出：在初始阶段，剪切应力随着剪切位移增大而增加，剪切应力-剪切位移曲线表现出一定的线性关系；但随着剪切位移增加，剪切应力-剪切位移表现出非线性关系，剪切应力的增速逐渐变缓，直至剪切应力达到峰值剪应力之后趋向稳定，未出现应力软化。界面剪切应力-剪切位移关系可用双曲线模型较好地进行拟合，界面双曲线模型拟合公式为 τ＝ω／（a+bω），拟合参数见表2。

表2 不同含水率下双曲线模型拟合参数Table 2 Fitting parameters of hyperbolic model of interface with varied water content

由图3和图4可见，在相同含水率条件下，峰值剪切应力随法向应力增加而增大，且峰值剪切应力的增加值在法向应力从50 kPa变化到100 kPa这个阶段较大，说明法向应力增加的前期对桩基承载力贡献更大。随着法向应力增加，峰值剪切位移也在增加，与峰值剪切应力呈现正相关关系。在相同法向应力条件下，随含水率增加，峰值剪切应力和峰值剪切位移均在减小，且峰值剪切应力在含水率从20%变化到40%这个阶段减小得更多，说明含水率增加的前期阶段对桩-土界面剪切特性有较大影响。

3.1.2 不同固结时间下界面剪切应力-剪切位移关系

钢-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线如图5所示，混凝土-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线如图6所示。可知：在加载初始阶段，剪切应力增加较快；但是随剪切位移的增大，剪切应力的增速变缓，直至剪切应力达到峰值，之后不再变化，未出现应力软化阶段；整个加载阶段界面上的应力-位移关系表现出较好的弹塑性关系，界面剪切应力-剪切位移关系可用双曲线模型进行表示，界面双曲线模型拟合公式为 τ＝ω／（a+bω），拟合参数见表3。

图5 不同固结时间下钢-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线Fig．5 Curves of shear stress against shear displacement of the interface between steel and marine clay consolidated for different days

图6 不同固结时间下混凝土-海洋黏土界面剪切应力-剪切位移曲线Fig．6 Curves of shear stress against shear displacement of the interface between concrete and marine clay consolidated for different days

表3 不同固结时间下双曲线模型拟合参数Table 3 Fitting parameters of hyperbolic model of interface consolidated for different days

在相同土体固结时间条件下，峰值剪切应力随法向应力增加而增大，且峰值剪切应力从法向应力50 kPa到100 kPa的增加值要比法向应力从100 kPa到150 kPa的增加值要大，说明初始阶段的法向应力的增加对桩-土界面剪切性状影响更大，同时峰值剪切位移也呈现增加的趋势，前期位移增加量要大于后期位移增加量，钢-海洋黏土、混凝土-海洋黏土界面的峰值剪切应力和峰值剪切位移均呈现出较好的正相关关系。在相同法向应力条件下，随着固结时间增加，峰值剪切应力和剪切位移均增加，钢-海洋黏土和混凝土-海洋黏土界面的峰值剪切应力均在1～7 d内增加较多，在7～14 d内增加最多，在14～21 d内峰值剪应力增加很小，2种试验的结果表明桩基承载力在土体固结的前期阶段有较大提高，0～14 d这个时间段对桩基承载力的贡献最大，这也是桩基在沉桩后的数天内出现承载力大幅提高的原因。

3.2 界面剪切强度指标变化规律

3.2.1 不同含水率下强度指标变化

将峰值剪切应力和法向应力的关系线性拟合，如图7所示，界面破坏形式符合Mohr-Coulomb破坏准则，界面黏聚力和界面摩擦角的数值及峰值剪切应力与法向应力关系线性拟合公式如表4所示。从图7和表4可以看出：随着含水率增加，界面摩擦角一直在减小，其含水率从40%增加到60%的减小幅度比含水率从20%增加到40%的减小幅度更大，说明含水率是影响界面摩擦角变化的因素，且在含水率较大时影响更大。界面黏聚力在含水率从20%增加到40%时出现大幅度减小，在含水率从40%增加到60%时减幅很小，其中钢-海洋黏土界面在含水率达到60%时，界面黏聚力接近0，界面基本失去了黏聚力，说明含水率是影响界面黏聚力的因素。

图7 不同含水率下界面峰值剪切应力与法向应力关系Fig．7 Relationship between peak shear stress and normal stress of interface with varied water content

表4 不同含水率下的界面抗剪强度指标及拟合公式Table 4 Shear strength indexes and fitting formulae of interface with varied water content

3.2.2 不同固结时间下强度指标变化

不同固结时间下界面峰值剪切应力与法向应力关系如图8所示，可以发现结构物-土界面的破坏形式符合Mohr-Coulomb破坏准则，界面黏聚力与界面摩擦角的数值及线性拟合公式如表5所示。从图8和表5可看出：界面黏聚力随固结时间增加而增大，钢-海洋黏土和混凝土-海洋黏土界面的黏聚力均在1～14 d出现大幅度提高，之后界面黏聚力增幅很小，这与峰值剪切应力随固结时间的变化规律一致，说明固结时间是影响界面黏聚力变化的因素。界面摩擦角随着固结时间增加变化不大，其中钢-海洋黏土界面摩擦角集中在20°～22°范围内，混凝土-海洋黏土界面摩擦角集中在21°～23°范围内，说明固结时间对界面摩擦角影响不大。

4 结 论

（1）在不同含水率、不同固结时间条件下，钢、混凝土与海洋黏土界面的剪切应力-剪切位移关系均表现出较好的弹塑性关系，可用双曲线模型表示，拟合出的参数可为数值模拟提供试验参考。

（2）在相同含水率条件下，法向应力越大，界面峰值剪切应力和峰值剪切位移越大；在相同法向应力条件下，海洋黏土含水率越大，界面峰值剪切应力和峰值剪切位移越小。

（3）在相同固结时间条件下，界面峰值剪切应力、峰值剪切位移均与法向应力呈现较好的正相关关系；在相同法向应力条件下，固结时间越长，峰值剪切应力和峰值剪切位移也越大，且峰值剪切应力的增加主要集中在固结开始后的14 d内，这也验证了静压桩承载力具有时效性的特点。

（4）界面摩擦角随含水率增加而减小，且在含水率较大时摩擦角减小得更快；界面黏聚力随含水率增加而减小，且在含水率较小时黏聚力减幅较大。

（5）界面摩擦角随固结时间增加变化不大，集中在20°～23°范围内，说明固结时间对界面摩擦角影响不大；界面黏聚力随固结时间增加而增大，且其增加主要集中在固结开始后的14 d内，这与峰值剪切应力随固结时间的变化规律是一致的。