静压桩与土体间滑动摩擦及其时效性研究

孙晓东,宋可新,张敬

(1.天津城市建设学院,天津 300384;2.天津海泰建设开发有限公司,天津 300384;3.天津市房地产经营开发集团有限公司,天津300061)

静压桩以其噪音低、不污染环境、对桩身无冲击力以及能在沉桩时显示压桩力等优点,在我国越来越受到重视。但静压桩属于挤土桩,在贯入过程中将使下部土体侧向移动。沉桩过程中,桩尖首先强力挤压土体,造成了土体的重塑和破坏。桩身在已经扰动了的土体中进行大变位运动,桩与土之间产生滑动摩擦。这种滑动摩擦不同于静摩擦,也不同于打入桩的动摩擦[1]。

关于桩侧摩阻力f的计算,Chandler在1968年提出了粘性土中的经验公式[2]。

土被扰动后强度会降低,但随着时间的增长,强度可以部分恢复或全部恢复,这种时效性称为土的触变性。相应的,滑动摩阻力也有时效性。侧摩阻力的提高是桩基承载力提高的主要因素[3],特别是在软土地区,由于软土结构性强、灵敏度高、渗透性低等特点,受沉桩的挤土作用,桩周土承载力的时效性会更加明显[4],因而很有必要研究摩阻力的时效性。

1 试验研究

1.1 研究对象

以天津滨海地区土体为研究对象,鉴于扰动土与原状土的滑动摩擦试验曲线差别不大,由于条件所限只取扰动土作定性研究,土样部分参数见表1、表2。

1.2 试验仪器及试验方法

改造直剪仪,将原来仪器的下透水石换成混凝土试块,在试块周围的剪切盒表面涂一层凡士林,以减小剪切盒边缘与土体摩擦引起的误差。对于静压桩,桩土界面特征往往取决于桩表面的粗糙程度[5]。自制混凝土试块,尽量使试块表面粗糙度与桩身表面相同,尺寸与下剪切盒大小相同。

取4组土样(见表1),每组切4个,分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 垂直荷载作用下放置混凝土试块进行剪切。水平剪切推进速度为0.02mm/s,记录摩擦力f和滑动位移s。装样时尽量不要扰动土样,剪切时注意速度的稳定性。一般滑动位移变形达到4 mm时认为土样破坏,若读数一直增加,则待滑动位移变形达到6 mm为止。试验中发现在剪切完成后,淤泥质土、粘土和粉质粘土均有少量土颗粒粘附在混凝土试块表面,粉质砂土无此现象。

表1 动摩擦试验土样参数Tab.1 Soil parameters of sliding friction test

表2 时效性试验土样参数Tab.2 Soil parameters of time effect test

另取4组土样(见表2),进行摩阻力时效性试验。用以上相同的方法安装试样,试样静置一定时间(0d、1d、7d、14d)后再进行剪切,记录刚开始起动时的最大阻力fmax。试验需要的时间较长,为了保持土样含水量等的一致性,将土样一次性切割,放于养护箱中保存,分批使用。试样静置过程中,为防止土样水分蒸发需在剪切盒周围盖上湿布,定期洒水养护。

2 试验结果与分析

1)滑动摩擦试验结果:按横坐标为位移,纵坐标为滑动摩阻力,作混凝土试块与土的滑动摩擦曲线,见图1。滑动摩阻力f与法向应力σ关系见图2。

图1中,土样1最大摩阻力不到40 kPa,并且在不同的法向应力下摩阻力变化不大;而土样4在法向应力为100 kPa时就已达到52.5 kPa,法向应力为400 kPa时最大摩阻力可以达到133.8 kPa。可见滑动摩阻力与土的类型、法向应力有关,即土的强度越高产生的摩阻力越大,法向应力越大摩阻力越大,不同的土在不同法向应力下的滑动摩阻力差别明显。

如图2所示,极限滑动摩阻力f与σ近似成直线关系,并由此进一步求出各土样的外摩擦角φ,见表3。表4为相应各土样的内摩擦角,可以看到土样的外摩擦角要小于其内摩擦角,土质越软差值越大。

由图3、图4知,经过一定时间的静置,砂土摩阻力提高幅度很小,粉土摩阻力提高也不到30%,不是很明显;而粉质粘土强度可以达到原来的140%,淤泥质土强度甚至可以3倍的增长。分析得知,由于砂土无触变性,且产生的孔隙水压力消散很快,所以强度没有变化或变化很小;淤泥质土和粉质粘土的触变作用使其损失的强度随时间逐步恢复,且在开始增长较快,后期变缓,最终接近于极限值。

表3 土样外摩擦角Tab.3 Angles of external friction

表4 土样内摩擦角Tab.4 Angles of inside friction

李雄等[6]对重塑饱和软土进行不同休止时间的UU三轴试验,得到重塑土内聚力随休止时间的恢复情况为:土的内聚力开始增长较快,后期减缓,最终趋于极限值。这与本文摩擦力的时效性规律是一致的。

3 结论

1)利用混凝土试块模拟现场桩来研究桩与土间的滑动摩擦试验是可行的。试验得到的各土体外摩擦角可作为沉桩数值模拟的参数。

2)试验表明滑动摩阻力与土的类型、法向应力有关,随着土体强度和法向应力的增长,滑动摩阻力也相应增长,且增长近似呈线性。

3)土的外摩擦角要小于其内摩擦角,土质越软差值越大。

4)试验发现砂土和粉土与桩的摩阻力时效性不明显;粘土、淤泥质土具有显著的时效性,前期增长幅度较大,后期减缓,最终趋于极限值。

[1] 张明义,邓安福.桩-土滑动摩擦的试验研究[J] .岩土力学,2002,4(23):246-249.

[2] 张明义.静力压入桩的研究与应用[M] .北京:中国建材出版社,2004.

[3] 张明义.层状地基上静力压入桩的沉桩过程及承载力的试验研究[D] .重庆:重庆大学,2001.

[4] 夏建中,罗占友,张矢舟.软黏土中压桩承载力的时效性分析与预测[J] .岩土力学,2006,10(增27):793-796.

[5] 张忠苗.桩基工程[M] .北京:中国建筑工业出版社,2007.

[6] 李雄,刘金砺.饱和软土中预制桩承载力时效的研究[J] .岩土工程学报,1992,14(4):9-16.