方桩-水泥土接触面摩擦特性试验研究

2023-08-25任建飞周佳锦龚晓南俞建霖

浙江大学学报（工学版） 2023年7期

任建飞，周佳锦，龚晓南，俞建霖

(1.浙江大学滨海与城市岩土工程研究中心，浙江杭州 310058；2.浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江杭州 310058)

随着城市化进程的推进，传统钻孔灌注桩和预应力管桩在实际工程应用中都受到一定的限制.钻孔灌注桩施工过程中需要排放大量的泥浆[1]；锤击或静压预应力管桩施工过程中产生的振动和噪音污染会对周围环境产生不利的影响[2].为了解决传统桩基在实际工程应用中存在的问题，龚晓南等[3]研发了静钻根植桩.在静钻根植桩施工过程中，预应力桩可以通过自重进入到桩孔内，不需要在桩顶施加荷载，因此对周围环境的扰动较小[4].周佳锦等[5-10]通过模型试验、现场试验、数值模拟和理论分析，对静钻根植桩在软土地基中的承载性能进行系统研究，研究结果表明，静钻根植桩的承载性能均优于传统钻孔灌注桩.静钻根植桩的桩侧承载性能由预制桩-水泥土-土体接触面控制.水泥土-土体接触面的摩擦性能与传统钻孔灌注桩桩周不存在泥皮时的桩土接触面摩擦性质接近[11]，可以采用传统的桩侧摩阻力计算方法，如α法、β法和静力触探技术[12-14]，估算水泥土-土体接触面的极限侧摩阻力.Zhou等[15]通过三维桩土接触面剪切试验发现，管桩-水泥土接触面极限侧摩阻力随着水泥土强度的增大而线性增大.考虑到静钻根植桩中的水泥土强度与软岩强度接近，管桩-水泥土接触面的摩擦特性可能与嵌岩桩的桩-岩石接触面摩擦特性相似.嵌岩桩的极限侧摩阻力由无侧限抗压强度和经验系数α、β组成[16].O’Neill等[17]总结了不同文献给出的α和β的推荐值.

嵌岩桩属于现场灌注桩，桩身表面较粗糙[18-19]，Seidel等[19]提出无量纲粗糙度系数，考虑桩身表面粗糙度对嵌岩桩极限侧摩阻力的影响.Asem等[20]通过分析实测试验数据发现，嵌岩桩极限侧摩阻力随着桩身直径的增大而减小.当混凝土-岩石接触面具有较高的黏结强度时，接触面发生脆性破坏；当混凝土-岩石接触面的黏结强度较低或者初始法向压力很大（大于6 MPa）时，接触面发生渐进破坏[21-22].

在传统桩土接触面直剪或环剪试验中，桩土接触面为平面，无法研究桩身形状和尺寸对桩土接触面摩擦特性的影响.笔者课题组自主设计的三维桩土接触面剪切试验装置可以模拟实际桩土接触面的受力形式和边界条件，研究桩身形状和尺寸对桩土接触面摩擦特性的影响[23-25].

本文通过三维桩土接触面剪切试验，研究方桩-水泥土接触面的界面摩擦特性，旨在揭示水泥土强度、方桩边长及水泥土层厚度对方桩-水泥土接触面摩擦特性和破坏模式的影响规律，为实际工程中静钻根植桩的设计提供科学依据.

1 试验准备

方桩-水泥土接触面剪切试验在本课题自主设计的三维桩土接触面剪切试验装置中开展.该试验装置包括圆形剪切箱、反应梁和伺服加载装置，圆形剪切箱的直径为900 mm，伺服加载装置的加载量程为20 kN.试验槽底部中央有圆形孔洞，可以使方桩在加载过程中从中穿过[15].剪切试验的示意图如图1所示，试验中通过填充砂层来提供桩周径向压力.每次试验加载前进行砂层填充，每次填充砂层的质量是固定的，分3次进行填充，每次填充砂层厚度为100 mm，用重物对砂层进行分层压实，将砂层厚度控制为300 mm.通过以上步骤使每次试验的桩周砂土情况保持一致，填充砂层为静钻根植桩提供充分的径向压力，使得剪切试验过程中方桩-水泥土接触面试样的受力状态和边界条件与实际静钻根植桩的桩土接触面的受力状态和边界条件一致.

图1 剪切试验的示意图Fig.1 Schematic of pile-soil interface shear test

试验中水泥土配制用土取自宁波某工程现场的软黏土，土体天然水质量分数为55.6%，天然孔隙比为1.557，塑限和液限分别为27.9%、49.5%，天然含水率大于液限.在剪切试验中，水泥土配比参照静钻根植桩实际工程中的水泥土配比，水泥、土和水的质量比为1∶2.86∶2.68.在水泥土试样的制作过程中，将土体烘干碾碎并过1 mm筛；随后将土体颗粒与52.5波特兰水泥混合搅拌3 min，使得土体与水泥搅拌均匀；最后加入设计所需含水量并搅拌5 min，使得水泥土试样搅拌均匀.

在剪切试验中，模型方桩预先制作，方桩的制作材料与实际方桩所用的材料一致，且各材料配比一致，将其充分搅拌后倒入特制的方桩模具中.用细铁棒对水泥土浆进行插捣，使其中的气泡排除，保证方桩表面不会存在气泡空隙，将模型方桩静置在标养室中养护28 d后进行脱模.该试验方桩试模与实际方桩试模内表面的光滑程度一致，可以保证模型方桩与实际方桩表面的粗糙度相同.不同边长模型方桩的照片如图2所示，方桩边长b分别为21.4、29、36、45.5、55、67、80和91 mm.

图2 不同边长方桩的照片Fig.2 Photograph of square piles with different side length

方桩-水泥土接触面的试样制作过程参见文献[15].将模型方桩置于一块光滑玻璃板上，将内径为150 mm的PVC管置于玻璃板上且方桩中心与PVC管中心重合，将搅拌均匀的水泥土倒入PVC管与模型方桩之间的空间.在方桩-水泥土接触面的试样制作完成后，放入标养室养护，养护到设计龄期后脱模.脱模后的方桩-水泥土接触面试样如图3所示，在方桩周围均匀分布一层均匀水泥土层.

图3 方桩-水泥土接触面试样的照片Fig.3 Photograph of square piles-cemented soil interface specimen

2 方桩-水泥土接触面的剪切试验

2.1 接触面的荷载变化特性

方桩-水泥土接触面试样在标养室中分别养护3、7和14 d后进行剪切试验，研究水泥土强度对方桩-水泥土接触面摩擦特性的影响.养护时间为3、7和14 d时的水泥土强度分别为522、775和1 000 kPa.在剪切试验过程中，采用伺服加载电机对方桩-水泥土接触面试样进行加载，加载速率为0.5 mm/min，试验过程中的荷载、位移数据由伺服加载装置自动读取和存储.当养护时间为3 d时，不同边长方桩的荷载位移曲线如图4所示.

图4 荷载-位移曲线（养护时间：3 d）Fig.4 Load-displacement curve (curing time: 3 days)

图4中，F为桩顶荷载，S为桩顶位移.可以看出，当方桩边长从21.4 mm增加到45.5 mm时，最大桩顶荷载从2.21 kN增加到3.38 kN；当方桩边长增加到45.5 mm时，方桩-水泥土接触面的破坏模式发生变化.当方桩边长为21.4～36 mm时，桩顶荷载随着桩顶位移的增加而线性增大，在荷载达到最大值后，桩顶荷载随着位移的增大而稳步减小，并逐渐达到稳定值.当方桩边长增加到45.5 mm时，加载初期的桩顶荷载随着桩顶位移的增加而线性增加，在荷载达到最大值后，随着桩顶位移的增加，荷载突然急剧下降，发生脆性破坏.这是由于当桩顶荷载达到极限值时方桩周围水泥土中出现裂缝，使得方桩-水泥土接触面的径向压力减小，方桩-水泥土接触面发生突然破坏.当方桩边长为36 mm时，加载完成后的方桩-水泥土接触面试样如图5所示.在加载完成后，方桩周围水泥土层是一个整体，在桩顶荷载达到最大值后，方桩-水泥土接触面受到径向压力的作用，因此方桩-水泥土接触面发生渐进破坏.当方桩边长增加到45.5 mm时，加载完成后的方桩-水泥土接触面试样如图6所示.可以看出，在加载完成后，水泥中出现4条径向裂缝， 4条裂缝对应方桩的4个边角，将方桩-水泥土接触面试样从剪切试验装置中取出后发现，水泥土沿着4条裂缝分成4部分.在试验过程中，当桩顶荷载达到最大值时，方桩边角处发生应力集中，该位置处水泥土中出现裂缝，方桩-水泥土接触面的法向压力减小，方桩-水泥土接触面发生脆性破坏.

图5 边长为36 mm的方桩剪切试验后的照片Fig.5 Photograph of 36 mm square pile after shear test

图6 边长为45.5 mm的方桩剪切试验后的照片Fig.6 Photograph of 45.5 mm square pile after shear test

从图4（b）可以看出，当方桩边长为55～91 mm时，方桩-水泥土接触面均发生脆性破坏.当方桩边长由55 mm增加到91 mm时，最大桩顶荷载从3.61 kN减小到2.07 kN，即最大桩顶荷载随着方桩直径的增加而减小，方桩-水泥土接触面剪切试验存在尺寸效应.

当养护时间增加到7 d时，水泥土强度为775 kPa，此时不同边长方桩的荷载-位移曲线如图7所示.可以看出，当方桩边长为21.4～36 mm时，方桩-水泥土接触面发生渐进破坏；当方桩边长增加到45.5 mm时，方桩-水泥土接触面发生脆性破坏，这与养护时间为3 d时的破坏规律一致.从图7（a）可以看出，最大桩顶荷载随着方桩边长的增加而增大，当方桩边长从21.4 mm增加到45.5mm时，最大桩顶荷载从3.81 kN增加到6.10 kN.从图7（b）可以看出，当方桩边长为55～91 mm时，方桩-水泥土接触面均发生脆性破坏；当方桩边长从67 mm增加到91 mm时，最大桩顶荷载从6.52 kN减小到4.83 kN.

图7 荷载-位移曲线（养护时间：7 d）Fig.7 Load - displacement curve (curing time: 7 days)

当养护时间达到14 d时，水泥土强度增大到1 000 kPa，此时不同边长方桩的荷载-位移曲线如图8所示.从图8（a）可以看出，当方桩边长增加到45.5 mm时，方桩-水泥土接触面发生脆性破坏，与养护时间为3 d和7 d时的变化规律一致.当方桩边长由21.4 mm增加到45.5 mm时，最大桩顶荷载由4.43 kN增加到7.38 kN.从图8（b）可以看出，当方桩边长为55～91 mm时，方桩-水泥土接触面均发生脆性破坏.当方桩边长从55 mm增加到91 mm时，最大桩顶荷载从7.97 kN减小到5.83 kN.

图8 荷载-位移曲线（养护时间：14 d）Fig.8 Load-displacement curve (curing time: 14 days)

当养护时间为3 d和14 d，方桩边长为21.4～45.5 mm时，最大桩顶荷载随着方桩边长的增加而增大.当方桩边长为55～91 mm时，最大桩顶荷载随着方桩边长的增加而减小，当养护时间为7 d时，方桩边长大于67 mm后，最大桩顶荷载随着方桩边长的增加而减小，即方桩-水泥土接触面剪切试验存在尺寸效应.当方桩边长相同时，最大桩顶荷载随着养护时间的增加而增大，这是由于水泥土强度随着养护时间的增加而增加，提高了方桩-水泥土接触面的极限承载力.

3、7、14 d龄期下的方桩-水泥土接触面均表现出破坏模式随着方桩边长的增加而发生变化的现象.出现该现象的原因是方桩周围水泥土厚度的变化和应力集中现象.当桩周水泥土厚度足够大时，方桩角点处的应力集中不足以产生裂缝，方桩-水泥土接触面表现出一定的延塑性，因此出现塑性破坏.当桩周水泥土厚度小于42.8 mm时，方桩角点处的应力集中会使水泥土出现裂缝及脆性破坏的现象.

2.2 接触面侧摩阻力变化特性

为了进一步研究方桩-水泥土接触面的摩擦特性，将试验数据进行整理，得到不同边长方桩的侧摩阻力-相对位移的关系曲线.方桩-水泥土接触面侧摩阻力τ可以按下式计算：

式中：h为接触面高度（本试验中水泥土-混凝土接触面的高度均为300 mm）.

考虑到剪切试验过程中水泥土底部与剪切试验装置底板接触，加载过程中水泥土不会发生位移，并且剪切试验过程中方桩压缩量很小（小于0.05 mm），可以将桩顶位移近似作为方桩与水泥土接触面的相对位移.当养护时间为3 d时，不同边长方桩-水泥土接触面的侧摩阻力-相对位移关系曲线如图9所示.

图9 侧摩阻力-相对位移曲线（养护时间：3 d）Fig.9 Skin friction-relative displacement curve (curing time: 3 days)

从图9（a）可以看出，方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力随着方桩边长的增大而减小.将τu表示为最大侧摩阻力，当方桩边长为21.4 mm时，最大侧摩阻力为86.0 kPa.当方桩边长增加到29 mm时，最大侧摩阻力为75.6 kPa.当方桩边长为36 mm时，最大侧摩阻力减小到66.6 kPa.当方桩边长增加到45.5 mm时，最大侧摩阻力减小到62.0 kPa，且接触面发生脆性破坏.从图9（a）还可以看出，方桩-水泥土接触面的残余侧摩阻力随着方桩边长的增大而减小.方桩边长从21.4 mm增加到45.5 mm，相对位移达到25 mm时的残余侧摩阻力分别为42.1、37.6、31.1和8.8 kPa.当方桩边长增加到45.5 mm时发生脆性破坏，因此此时的残余侧摩阻力远小于发生渐进破坏时的残余侧摩阻力.

从图9（b）可以看出，当方桩边长为55～91 mm时，方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力随着方桩边长的增加而减小.当方桩边长从55 mm增加到91 mm时，最大侧摩阻力分别为54.7、44.2、35.6和19.0 kPa.从图9（b）还可以看出，由于接触面均发生脆性破坏，相对位移达到25 mm时的残余侧摩阻力为6.9～11.3 kPa，与边长为45.5 mm时的残余侧摩阻力接近.

对于嵌岩桩，桩身表面比较粗糙，在桩-岩石接触面荷载传递过程中会发生剪胀，使得接触面法向压力增加，而法向压力的增加值随着桩径的增大而减小，因此嵌岩桩的最大桩侧摩阻力随着桩身直径的增大而减小[19].本次试验中方桩表面十分光滑，光滑桩土接触面发生剪胀的可能性较小.Asem等[20]指出嵌岩桩侧摩阻力的尺寸效应是由于桩-岩石接触面的剪切强度和刚度会随着桩身直径的增大而减小.本文中方桩-水泥土接触面最大侧摩阻力随着方桩边长的增加而减小，可以认为方桩-水泥土接触面的剪切强度和刚度随着方桩边长的增加而减小.

如图10所示为当养护时间达到7 d时不同边长方桩-水泥土接触面的侧摩阻力-相对位移的关系曲线，此时水泥土强度为775 kPa.从图10（a）可以看出，当养护时间为7 d时方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力随着方桩边长的增加而减小；当方桩边长从21.4 mm增加到45.5 mm时，最大侧摩阻力分别为148.4、137.2、120和111.7 kPa.残余侧摩阻力随着方桩边长的增大而减小，当方桩边长从21.4 mm增加到36 mm时的残余侧摩阻力分别为61.4、25.3和17.9 kPa.当方桩边长增加到45.5 mm时发生脆性破坏，残余侧摩阻力仅为8.8 kPa.从图10（b）可以看出，当方桩边长从55 mm增加到91 mm时，方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力分别为96.2、81.1、60.5和44.2 kPa.由于方桩-水泥土接触面均发生脆性破坏，相对位移达到25 mm时的残余侧摩阻力为5.0～8.5 kPa.

图10 侧摩阻力-相对位移曲线（养护时间：7 d）Fig.10 Skin friction-relative displacement curve (curing time: 7 days)

如图11所示为当养护时间增加到14 d时，不同边长方桩-水泥土接触面的侧摩阻力-相对位移的关系曲线，此时水泥土强度为1 000 kPa.从图11（a）可以看出，当方桩边长从21.4 mm增加到45.5 mm时，最大侧摩阻力分别为172.5、166.5、144.7和135.2 kPa.相对位移达到25 mm时的残余侧摩阻力分别为74.2、33.6、23.2和6.6 kPa.从图11（b）可以看出，当方桩边长从55 mm增加到91 mm时，方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力分别为120.7、94.7、72.8和53.7 kPa，对应的残余侧摩阻力为4.8～8.8 kPa.

图11 侧摩阻力-相对位移曲线（养护时间：14 d）Fig.11 Skin friction-relative displacement curve (curing time: 14 days)

当养护时间相同时，方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力均随着方桩边长的增加而减小.将不同边长的最大侧摩阻力进行整理，得到最大侧摩阻力τu和方桩边长的关系曲线，如图12所示.可以看出，当养护时间相同时，方桩-水泥土接触面的最大侧摩阻力均随着方桩边长的增加而线性减小.当方桩边长从21.4 mm增加到91 mm时，养护时间为3 d时的最大侧摩阻力由86.0 kPa减小到19.0 kPa，养护时间为7 d时的最大侧摩阻力由148.4 kPa减小到44.2 kPa，养护时间增加到14 d时的最大侧摩阻力由174.5 kPa减小到53.7 kPa.从图12还可以看出，随着养护时间的增加，方桩-水泥土接触面最大侧摩阻力的减小幅度逐渐增大，即方桩-水泥土接触面最大侧摩阻力的减小幅度随着水泥土强度的增加而增大.

图12 极限侧摩阻力-边长的关系曲线Fig.12 Relationship curve between maximum skin friction and side length of square pile

将方桩-水泥土接触面的剪切试验数据进行整理，得到不同边长方桩归一化最大侧摩阻力（最大侧摩阻力/水泥土强度）-水泥土强度的关系曲线，如图13所示.图中，fcu为水泥土强度.从图13可以看出，水泥土强度对归一化最大侧摩阻力的影响不大，而归一化最大侧摩阻力随着方桩边长的增加而显著减小.当方桩边长为21.4 mm时，归一化最大侧摩阻力为0.165～0.191；当方桩边长增加到91 mm时，归一化最大侧摩阻力仅为0.034～0.057.剪切试验中所用方桩的最大尺寸为91 mm，14 d龄期下的归一化最大侧摩阻力为0.054.工程中对方桩-水泥土接触面极限侧摩阻力进行计算时，需要保证桩-水泥土接触面不发生破坏，桩-水泥土接触面强度大于水泥土-土接触面强度，因此可取其设计值为0.054倍水泥土强度进行计算，保证内接触面的强度.