广州地区土体与混凝土表面摩擦特性的试验研究

毛济民，吴颖怡，杨雪强，张 敏，段文杰

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

对于顶管工程中的工作井，下沉过程与顶进力施加后周围土体与井壁会产生较大摩擦力，现有规范对该部分摩擦力进行了一定求解[1]，龚慈等[2]提出使用位移求解土体反力，并考虑了沉井底部和侧壁摩阻力；黄章君等[3]对黏土地区的大型沉井进行建模，并对摩擦系数取近似值为0.3；但是也有一些学者认为该摩擦力对于沉井顶管顶进影响较小，可不进行计算[4-6]。实际上，该部分摩擦力不仅决定了沉井下沉是否顺利，也影响着顶管顶进过程中沉井是否稳定，设计过程中应该对摩擦力进行考虑。对于设计和数值模型建立，一般将该部分力用地区经验值代替，若单纯将其设为定值或用经验值代替，容易造成设计施工误差，可能会引起工程质量问题，对于具体实际沉井顶管工程，有必要进行室内试验测定。

本文基于广东省佛山市顺德区一处电力顶管工程为依托进行沉井界面摩擦试验，试验中的几种土体：(1) 花岗岩残积土，是覆盖于花岗岩表面的一种高度风化的残积土，是常见的工程建设原材料。花岗岩残积土以松散的砂粒为主，还有部分的细粒土成分，具有孔隙率较大和吸水率较小、遇水易散、结构松散、保水性及团粒结构差、抗蚀性和抗冲性小、水稳性较差等特点[7]；在山坡花岗岩残积土分布地区，常因修筑建筑物导致边坡产生滑坡现象[8]。(2) 广州淤泥质土，具有天然含水量高、孔隙比高、透水性低、中高压缩性、高灵敏性、强度低等一系列特点，在天然状态下呈现可塑或流塑状态，工程性质较差，一般需要进行加固处理。花岗岩残积土、淤泥质土和含砂层在广州地区作为表层土广泛分布。(3) 福建标准砂，是SiO2大于96%的天然石英质平潭海砂，一般具有孔隙率高、强度高等特点[9]。国内常用福建标准砂研究砂土的力学性能，本文借用福建标准砂来研究砂与沉井壁之间的摩擦特性。

对于土体与混凝土表面的摩擦系数，已有学者进行了一些研究：郭聚坤等[10-11]利用改装的室内直剪仪开展了不同粗糙界面的木板、钢板、混凝土板与北京标准砂间的直剪试验，认为木、钢和混凝土与标准砂的界面摩擦角分别集中在11°～23°，14°～23°和22°～27°范围内，表观黏聚力集中在0～1 kPa范围内，并进行了数值模型建立，硬化阶段使用对数模型，软化阶段使用双曲线模型。程全新[12]使用ABAQUS软件进行建模求解沉井模型时，同样也考虑了沉井与周围土体的摩擦，并进行了土体、触变泥浆混合物与混凝土表面的摩擦参数测量。李天亮[13]等利用改进的大型加载直剪仪，设计了6种不同的浆土配比，对浆土混合体和混凝土接触面的剪切力学特性进行试验研究。李天降[14]等采用直剪试验研究了五种砂土在不同法向压力、剪切速率和润滑状态下的管土接触面摩擦特性。触变泥浆在顶管工程中具有减阻、填补和支撑作用，在不同的浆土质量比混合下测定顶管壁与浆土混合体间的摩擦特性，便于顶管顶进设计，是本文另一项重要的研究工作。

因此本文将对直剪试验装置进行介绍，主要包括四联直剪仪的使用、试样的制作养护、测定方法与数据统计等方面，并进行混凝土壁与不同土体、浆土混合体的摩擦特性进行测定，为沉井顶管工程设计与数值模型的参数选取提供可靠依据。

1 试验试样制备与设备介绍

试验采用四联自动直剪仪，如图1所示。

图1 四联自动直剪仪俯视图Fig.1 Top view of quadruple automatic direct shear device

下盒经过改造后嵌入C35或C50混凝土块作为混凝土表面，上盒放入不同土体进行直剪。下盒经过改造，内部尺寸为90 mm×90 mm×12 mm。使用定制的3D打印模具，如图2所示；据沉井C35混凝土的配比制作C35试样块，据顶管C50混凝土的配比在实验室制作C50试样块，两者均养护21 d，期间保护好混凝土块的表面，如图2(c)所示。

图2 3D打印模型图及混凝土试件Fig.2 Diagram of 3D printed model and concrete specimen

对分别取自小谷围岛广东工业大学大学城校区的花岗岩残积重塑土、广州白云机场的花岗岩残积原状土、广州南沙地铁线路的淤泥质土、福建标准砂等4种不同土体进行测定。土体重度等参数经由前期工作得到：广工花岗岩残积重塑土为干土，塑性指数15.5，经烘干磨细过筛得到，筛网网格大小为0.6 mm，干土重度为16.59 kN/m3；花岗岩残积原状土的含水率为22.95%，饱和度Sr=81.01%，重度为18.99 kN/m3；淤泥质土以粉粒为主，同时含有砂粒与黏粒，含少量有机质，渗透性小，根据地勘报告取重度为17 kN/m3，含水率达到饱和状态，液性指数处于流塑至软塑之间，塑性指数为21.2；福建标准砂干重度为14.25 kN/m3，不均匀系数为3.57，其颗粒级配曲线如图3所示。

图3 福建标准砂颗粒级配曲线Fig.3 Grain distribution curve of Fujian standard sand

2 试验方法与步骤

2.1 安装试样方法

对养护好的混凝土试样侧面进行加工，同时保护好试样的上表面，保证上表面与施工中所用沉井、顶管的表面光滑度一致。加工完毕后，将试样嵌入下半剪切盒，然后放在四联自动直剪仪上，同时布置上盒与上盒中所需土样，按照顺序加滤纸、透水石、加压盖板，如图4所示。监测系统使用千分表与量力环，由千分表记录数据，依据量力环系数C=1.835 N/0.01 mm，将剪切位移转化为剪切力。

图4 直剪试验示意图Fig.4 Schematic diagram of direct shear test

2.2 加载与分组

完成试件的安装后调试直剪仪，保证测力计处于正确位置，调平仪器下方天平，施加法向荷载后，启动仪器开关，剪切速度设定为0.8 mm/min进行剪切，由位移控制剪切变形，位移最大值取60 mm。当水平位移量表的百分表读数达到稳定，指针维持定值或在1 min内指针值几乎无改变，关闭四联剪切仪，并记录此刻百分表的读数，该读数经过处理就是沉井、顶管与土样在该级法向荷载下的剪切摩阻力。

模拟混凝土表面与土体、浆土混合体的摩擦特性，在相同法向荷载作用下进行3次同一土体的剪切摩阻力特性的平行试验；对顶管壁与浆土体间的摩擦特性，在相同法向荷载作用下进行2次同一土体的剪切摩阻力特性的平行试验。直剪结束后卸除法向荷载，取出土样与混凝土试块，混凝土试块表面清理干净，随后重新制样，施加下一级荷载；重复以上的试验步骤，完成各级法向荷载下的摩阻力直剪特性试验。

3 试验结果与分析

3.1 沉井壁与土体间剪切特性的测定

在剪切盒上盒分别加入广东工业大学大学城校区花岗岩残积重塑干土、广州白云机场花岗岩残积原状土、广州南沙地铁线路的淤泥质土、福建标准砂，分批次进行快剪的直剪试验，读取水平位移量表的百分表后，将剪切破坏试验结果整理后，使用origin2021作图得到剪切摩阻力与法向压力的关系曲线，并线性拟合得到斜率，即摩擦系数。

图5所示为花岗岩残积重塑干土与C35试验试块表面剪破时的剪切力与法向压力的关系曲线，对3次试验的描点进行线性拟合，得到花岗岩残积重塑土的拟合曲线方程为

图5 花岗岩残积重塑土与混凝土表面剪应力关系曲线Fig.5 Shear stress relation curve between residual remolded granite soil and concrete surface

如式(1) 所示，斜率即为花岗岩残积重塑土与C35试块表面摩擦系数为0.471，黏聚力为2.24 kPa，摩擦角为25.2°。

图6所示为花岗岩残积原状土与C35试块表面剪破时的抗剪强度与法向应力关系曲线，对3次试验的描点进行线性拟合，得到花岗岩残积原状土的拟合曲线方程为

图6 花岗岩残积原状土与混凝土表面的剪应力关系曲线Fig.6 Shear stress relation curve between granite residual undisturbed soil and concrete surface

如式(2) 所示，斜率即为花岗岩残积原状土与C35试块表面摩擦系数为0.448，黏聚力为10.4 kPa，摩擦角为24.1°。

图7所示为淤泥质土与C35试块表面剪破时的抗剪强度与法向应力关系曲线，对3次试验的描点进行线性拟合，得到淤泥质土的拟合曲线方程为

图7 淤泥质土与混凝土表面的剪应力关系曲线Fig.7 Shear stress relation curve between silty soil and concrete surface

如式(3) 所示，斜率即为淤泥质土与C35试块表面摩擦系数为0.309，黏聚力为5.74 kPa，摩擦角为17.2°。

图8所示为福建标准砂与C35试块表面剪破时的抗剪强度与法向应力关系曲线，对3次试验的描点进行线性拟合，得到标准砂的拟合曲线方程为

图8 标准砂与混凝土表面的剪应力关系曲线Fig.8 Shear stress relation curve between standard sand and concrete surface

如式(4) 所示，斜率即为标准砂与C35试块表面摩擦系数为0.617，黏聚力为16.35 kPa，摩擦角为31.7°。

如图2(c)所示，C35试块表面放大看也是凸凹不平的，尽管凸凹尺度级别要小些。依据以上试验结果，讨论如下。

(1) 淤泥质土与C35试块表面剪切的黏聚力为5.74 kPa、摩擦角为17.2°，这与淤泥质土以粉粒为主，同时含有砂粒、黏粒和有机质有关，胶结作用不强，该试验结果与文献[15]试验结果基本一致。

(2) 福建标准干砂与C35试块表面的剪切黏聚力表现为16.35 kPa、摩擦角为31.7°。文献[16]指出饱和石英的滑动摩擦角φµ=23°，黏聚力16.35 kPa、摩擦角增量8.7°是标准砂咬合摩擦及与混凝土表面共同作用的结果。

(3) 广东工业大学大学城校区花岗岩残积重塑干土与C35试块表面的剪切黏聚力为2.24 kPa、摩擦角为25.2°。王坤[17]研究指出广州白云区花岗岩残积土主要以石英、云母和高岭土为主，d＞0.05 mm的砂粒质量占比为50%以上，d＜0.005 mm的黏粒质量占比为15.25%，塑性指数Ip=15.5，与小谷围岛广东工业大学大学城校区花岗岩残积土的塑性指数相同。由于云母与高岭土的摩擦角小且涂抹、充填砂粒周围，导致界面剪切摩擦角降低为25.2°；剪切黏聚力2.24 kPa是由于砂粒互锁、残积土与混凝土表面共同作用的结果。

(4) 白云机场花岗岩残积原状土与C35试块表面剪切黏聚力为10.4 kPa、摩擦角为24.1°。该残积原状土的含水率为22.95%，含水量增加的润滑作用导致了界面剪切摩擦角进一步降低至24.1°；该土饱和度Sr=81.01%，混凝土面板也有一定的吸湿效果导致了界面土体饱和度的适当降低，在该非饱和状态下存在基质吸力，从而提升了混凝土表面的剪切黏聚力至10.4 kPa。

3.2 顶管壁与浆土混合体间剪切特性的测定

为了满足顶管施工顶进要求，在顶管与土体之间灌注泥浆来降低顶管顶进时的摩擦阻力。通过试验确定泥浆最佳配合比为[18]膨润土 : CMC(羟甲基纤维素) : 纯碱 : 水=8% : 0.10% : 0.05% : 91.85%。

浆土中的土来自广东工业大学大学城校区基坑处的花岗岩残积干土。如1 : 1浆土混合物为泥浆与土体的质量比，其他类同。

图9为1 : 1浆土混合物与C50混凝土板1号和2号的剪切力和竖向荷载关系曲线，得到拟合方程(5)，最终得出浆土混合物与混凝土管片间摩擦系数为0.27，黏聚力表现为4.2 kPa，摩擦角为15.1°。

图9 1 : 1浆土混合物与C50混凝土表面的直剪试验Fig.9 Direct shear test results between 1 : 1 slurry-soil mixture and C50 concrete surface

图10为1.5 : 1浆土混合物与C50混凝土板1号和2号的剪切力和竖向荷载关系曲线，得到拟合方程(6)，最终得出浆土混合物与混凝土管片间的摩擦系数0.15，黏聚力表现为2.6 kPa，摩擦角为8.53°。

图10 1.5 : 1浆土混合物与C50混凝土表面的直剪试验Fig.10 Direct shear test results between 1.5 : 1 slurry-soil mixture and C50 concrete surface

图11为2 : 1浆土混合物与C50混凝土板1号和2号的剪切力和竖向荷载关系曲线，得到拟合方程(7)，最终得出浆土混合物与混凝土管片间的摩擦系数0.12，黏聚力表现为1.2 kPa，摩擦角为6.84°。

图11 2 : 1浆土混合物与C50混凝土表面的直剪试验Fig.11 Direct shear test results between 2 : 1 slurry-soil mixture and C50 concrete surface

由试验结果可知，表明随着混合体中触变泥浆质量比例的提高，管片与浆土混合体的摩擦阻力减小，浆土混合体的整体黏聚力也同时减小，这有利于顶管的顶进。当泥浆与土体以1 : 1混合时，管土摩擦系数为0.27，摩擦角为15.1°；当泥浆与土体以1.5 : 1混合时，管土摩擦系数为0.15，摩擦角为8.53°；当泥浆与土层以2 : 1混合时，管土摩擦系数为0.12，摩擦角为6.84°，此时泥浆与土的混合体减阻效果最好。试验结果表明，当泥浆与土体质量比例大于1.5 : 1时，混合体与顶管表面的摩擦角与黏聚力逐步趋于稳定。

4 结论

本文对不同土体与模拟沉井壁的C35混凝土试件表面的摩擦系数进行测定，得到不同土体与混凝土试件表面的摩擦角，花岗岩残积重塑干土与混凝土试块表面摩擦角为25.2°；花岗岩残积原状土与混凝土试块表面摩擦角为24.1°；南沙淤泥质土与混凝土试块表面摩擦角为17.2°；福建标准干砂与混凝土试块表面摩擦角为31.7°。混凝土表面的凸凹程度、砂粒的含量及级配曲线等引起的颗粒互锁、高岭土及云母含量、花岗岩残积原状土的非饱和状态、土体法向应力大小等因素，共同决定了混凝土剪切表面的黏聚力大小。如由于基质吸力的贡献，使花岗岩残积原状土与混凝土剪切表面的黏聚力由2.24 kPa提升至10.4 kPa。

对不同浆土混合体与顶管壁C50混凝土试件表面的摩擦特性进行测定，表明随着混合体中触变泥浆质量比例的提高，管片与浆土混合体的摩擦阻力减小，浆土混合体的整体黏聚力也同时减小。当泥浆与土体质量比例大于1.5 : 1时，混合体与顶管表面的摩擦角与黏聚力逐步趋于稳定。

实际上，进一步探讨沉井、顶管周边界面与土体的剪切特性，有利于研究沉井下沉与沉管顶进过程沉井的稳定及周边环境的沉降，具有重要的理论与工程参考价值。