粘土切削时含水率对界面抗剪强度的影响

桑 伟，王保田，刘文彬，龚傲龙，黄待望

(河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京210098)

水泥搅拌桩是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在原地基将原位土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，利用固化剂和土之间产生一系列的物理化学反应，使软弱土硬结成整体，形成具有水稳定性和足够强度的水泥土圆柱体，从而提高地基土强度和增大变形模量［1］。水泥加固土与天然地基共同作用形成复合地基，共同承担上部荷载［2］。水泥搅拌桩也可做成连续的地下水泥土壁墙承受荷载或隔水［3-7］。此法，20 世纪40 年代首创于美国，70 年代从日本传入我国，现已广泛运用于建筑、油罐、堤坝等类工程的软基处理［8］。随着科学技术的进步，以及工程实践的发展，人们不断丰富了对土的特性研究及认识，从而有力地推动了这种地基处理的发展。从总体上，已发展成为一种海陆兼备、地基基坑双用的干湿两全的软土处理技术，其加固深度和加固效果随设备功能的提高而加大［9-11］。

但是水泥搅拌桩在施工过程中容易出现质量问题，水泥搅拌桩属于隐蔽工程，不易监控，施工质量控制难度较大。同时国内的水泥搅拌桩大多采用国产的轻型机施工，这些机械的质量控制装置较为简陋，施工质量的保证很大程度上取决于机组人员的素质和责任心［12］。随着施工队伍和施工技术发展，施工质量良莠不齐，大量的工程实践表明，水泥搅拌桩质量存在着不少问题，主要表现在水泥掺量过少，抽芯不成形;水泥与土搅拌不均匀，导致局部水泥含量少或无水泥;桩长达不到设计要求或者桩身出现断桩缩颈现象［13］。其中最主要的问题可归纳为水泥搅拌桩施工时，粘土会粘附在搅拌刀具上，经常形成粘土球，包裹搅拌刀具，这严重影响水泥搅拌桩的施工质量，导致搅拌桩桩身水泥含量不均匀，局部无水泥，进而导致桩身断裂，这不仅会缩短搅拌桩的使用寿命，而且可能酿成工程事故，比如基坑塌陷，造成巨大的经济财产损失，危害生命安全。不仅如此，许多农用机械和土方机械也有类似粘土粘附金属的问题存在。因此，需要对粘性土与搅拌头刀片之间的受力关系及其影响因素进行探索和研究，以求使问题向解决的方向发展。

土壤粘附于外物是一个复杂的多相系统，影响粘附的因素很多。有粘粒含量、粒径、土壤胶体表面代换阳离子、土壤有机质种类和含量、pH 值、含水量、土的容重(结合含水率)、土壤表面形态、非土壤材料的表面自由能、亲水性、几何形状、表面光洁度、正压力、加压时间、施力速度、温度等等［14-15］。本文以室内试验为手段，从土的含水率影响因素入手，探索粘土与搅拌头刀片的界面受力规律。

1 简化的二维切削

搅拌头刀片与土之间的受力状态可以说是比较复杂的三维情况。荷兰TU Delft 的Dr.ir.S.A.Miedema 将三维状态下的刀片切土情况简化到二维状态，并且建立了刀片切削土体的二维受力数学模型［16-17］如图1 所示。

α 为刀片切削角，切削泥土时作用在刀片上的力可以分为以下几种［16-17］:

①土作用在刀片上的法向力N2;

②由N2×tanδ 引起的，土与刀片之间的切向摩擦力S2;

③土和刀片之间切向的粘附力A，这个力的大小为粘性土粘聚力与刀土接触面积的乘积;

④作用在刀片上的水压力W2。

刀片与粘性土之间的切向力为(A+S2)，即切向粘附力与摩擦力之和。大量试验研究表明，土与结构物之间的接触面破坏仍遵循摩尔—库仑破坏准则［18］。假设τ 为接触面抗剪强度，C 为接触面粘聚力，φ 为接触面的摩擦角，σ为法向应力，τ=C +σtan φ。那么，根据Miedema 教授的理论，设S 为接触面面积，A=C×S;S2=N2×tan δ，即S2=σ×S×tan φ;刀片与粘性土之间的切向力A+S2=C×S+σ×S×tan φ=S×(C +σtan φ)=S×τ，即Miedema 教授所建立的二维切削模型中，刀片与粘性土之间的切向力满足摩尔—库仑强度理论。

因此研究刀片切削土体界面的受力关系，主要就是研究对比刀片与粘土接触面的粘聚力C 和摩擦角φ。本文的试验研究也是基于这一点展开。根据这一理论，本文选择使用盒式直剪仪来进行相关试验。

图1 刀片切削土体的二维受力模型Fig.1 Dimensional model of the blade cutting of the soil

2 直剪试验的准备

2.1 试验仪器

本文直剪试验使用的仪器是南京土壤仪器厂生产的DJY-4 型四联等应变直剪仪。主要部件包括剪切容器、杠杆垂直加荷机构、水平推动座和量力环等。其他辅助设备包括百分表、天平、环刀、削土刀、不透水塑料膜、透水石等。

2.2 试验用土与金属的准备

土样取回后风干，去除杂质，风干土含水率10.2%。进行基本的物理试验，其基本性质如表1，经验证该土为本文试验所需的粘土。

表1 土的基本性质Tab.1 The basic properties of soil

搅拌头刀座一般为铸钢或铸钢焊接组合，刀片及刀齿为耐磨的合金钢或者锰钢所制。由于特殊钢材不易取材或者价格昂贵，故选用与之相近且易于取材的45#钢用来模拟搅拌头的刀片。根据环刀直径61.8 mm，高度20 mm，制作钢块直径61 mm，高度10 mm，公差要求(±0.1)mm，表面粗糙度要求控制在3.2 以内，如图2。将钢块放入下土盒，必须尽可能保证钢块上表面与剪切盒的剪切面齐平，否则影响试验结果。

3 试验方案

图2 模拟刀片的45#钢(表面粗糙度2.6)Fig.2 Simulation of 45#steel blade(surface roughness is 2.6)

根据《土工试验方法标准BG/T 50123-1999》，直剪试验分为慢剪、固结快剪和快剪。慢剪的剪切速率小于0.02 mm/min，固结快剪和快剪的剪切速率为0.8 mm/min。考虑到搅拌刀头切削土体时切削速度较快以及盒式直剪仪的工作特性，本试验将进行快剪试验，并且基本剪切速率设定为2.4 mm/min。

影响土与金属之间相互关系的因素有很多，本试验拟研究含水率这个影响因素。制备具有不同含水率的土样，在直剪仪的下盒放入钢块，上盒根据试验计划放置制备好的土样进行直剪试验，进一步研究这几个影响因素对粘土与金属界面强度的影响。试验步骤同《土工试验方法标准BG/T 50123-1999》。若竖向荷载过大，导致粘土挤出，则相应改小竖向荷载进行试验。

4 不同含水率的界面强度试验

4.1 不同含水率土样的制备

选择原35.2%粘粒含量的土样，按干密度1.5 g/cm3，含水率分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%制成足够数量的环刀样，以备试验。40%及以上含水率的土样因为含水率过高而无法击实到1.5 g/cm3的干密度，且含水率过高，土体很软，试验时加较小的竖向荷载也容易挤出。制作环刀样的方法:先将风干土样敲碎、碾散，过2 mm 筛。平铺在容器内，充分搅拌。根据风干土含水率、土的质量及试验计划需要制备的含水率计算需要加水的量。均匀喷洒一定量的水，并将土与水拌匀，配置成某一试验所需含水率的土样，将土样装进塑料袋密封一昼夜，使土样尽可能充分润湿。测定润湿土样不同位置处的含水率，不应少于两点，试样的含水率与要求的含水率之差不得大于±1%。然后根据含水率、干密度以及环刀容积，计算单个环刀样所需土的质量，称取该质量的土，击实制样。

4.2 试验结果与分析

量力环测力计系数为1.27 kPa/0.01 mm。本次试验使用的都是重塑的扰动土，剪应力与剪切位移关系曲线一般无峰值，因此多取剪切位移4mm 所对应的剪应力为抗剪强度。

在粘粒含量35.2%，干密度1.5 g/cm3的前提下，含水率10%、15%、20%、25%、30%和35%的试样直剪试验结果分别见表2 ～表7，最后绘制抗剪强度直线，如图3 所示。界面抗剪强度指标见表8。

表2 含水率10%直剪试验结果Tab.2 The direct shear test results of moisture content 10%

表3 含水率15%直剪试验结果Tab.3 The direct shear test results of moisture content 15%

表4 含水率20%直剪试验结果Tab.4 The direct shear test results of moisture content 20%

表5 含水率25%直剪试验结果Tab.5 The direct shear test results of moisture content 25%

表6 含水率30%直剪试验结果Tab.6 The direct shear test results of moisture content 30%

表7 含水率35%直剪试验结果Tab.7 The direct shear test results of moisture content 35%

图3 不同含水率的界面抗剪强度直线Fig.3 linears of interfacial shear strength of different moisture content

表8 不同含水率的界面抗剪强度指标Tab.8 Interfacial shearing strength indexes of different moisture content

试验结果分析:

由图3 和表8 可见，随着含水率的增加，界面的抗剪强度是一个先增大后减小的过程。本试验用土的塑限22.7%，最优含水率20.8%，当含水率小于塑限和最优含水率的时候，随着含水率的增加，界面的摩擦角在24°左右变化不大，界面的粘聚力增大;当含水率大于塑限和最优含水率的时候，随着含水率的增加，界面的摩擦角急剧减小，界面的粘聚力也大幅减小。

试验表明含水率是影响界面相互作用的重要因素。当含水率很低的时候，土与金属之间的摩擦接近固体间的摩擦，土与金属界面上的接触面积有限，水的作用不明显;含水率增加时，土在法向压力作用下变形，接触面积增加，并且由于土中水的毛细作用，使得剪切水膜所需的力也增加;含水率继续增加，水膜厚度达到一定值后接触面完全被水隔开，水膜起润滑作用，摩擦作用反而减小。

土与结构接触面的粘聚力主要由土中水对结构表面吸附力提供，含水率较低时，土中水较少，土与结构界面的接触面积较小，且土与结构刚度相差大，结构物渗透系数小，土体与结构间的吸附不能充分发挥，使得粘聚力不大;随着含水率的增加，土塑性增强，在外力作用下土与结构接触面积增大，水的吸附作用充分发挥;含水率继续增大，界面水膜增厚，且土体自身的刚度急剧降低，使得吸附作用无法得到正常发挥，粘聚力也迅速减小。

5 结 语

本文介绍了搅拌桩刀头刀片切削粘土的过程，并阐述了简化的二维切削理论。由此使用盒式直剪仪模拟搅拌头刀片切削粘土进行试验，研究了含水率对界面剪切强度的影响，主要结论如下:

①粘粒含量35.2%，干密度1.5 g/cm3的情况下，随着含水率的增加，界面的抗剪强度是一个先增大后减小的过程。当含水率小于塑限和最优含水率的时候，随着含水率的增加，界面的摩擦角变化不大，界面的粘聚力增大;当含水率大于塑限和最优含水率的时候，随着含水率的增加，界面的摩擦角急剧减小，界面的粘聚力也大幅减小。

②试验表明含水率是影响搅拌头刀片和粘土界面相互作用的重要因素。

［1］ 杜兴华，郭军科.水泥搅拌桩在上海地区的应用和发展［J］.地基基础工程，2008，12(4):26-29.

［2］ 郑刚，姜忻良.水泥搅拌桩复合地基承载力研究［J］.岩土力学，1999，20(3):46-50.

［3］ 赵铁平.青银高速公路水泥搅拌桩复合地基承载力［D］.天津:河北工业大学建筑与土木工程学院，2006.

［4］ 李翔军.水泥搅拌桩复合地基技术研究与工程实践［D］.天津:天津大学岩土工程学院，2003.

［5］ 李昭晖.水泥搅拌桩加固桥头软基试验研究［D］.长安:长安大学土木工程学院，2007.

［6］ 牛新到.基于沉降控制的水泥搅拌桩优化设计方法［J］.西安工程大学学报，2009，23(4):154-158.

［7］ RUDENKO N I.Experience with construction of case-in-place slag-soil-cement pile foundations in zaporozhe［J］.Soil Mechanics and Foundation Engineering，1985，22(2):45-47.

［8］ 莫海鸿，杨小平.基础工程［M］.北京:中国建筑出版社，2008:216-217.

［9］ YONEKURA R，TERASHI M，SHIBAZAKI M.Deep mixing method of Japan［C］//Grouting and Deep Mixing.Rotterdam:A.A Balkema，1997.

［10］向玮，刘松玉，朱志铎，等.变径水泥土搅拌桩加固桥头软基的试验分析［J］.解放军理工大学学报，2009，10(5):478-482.

［11］BOUAZZA A，KWAN P S，CHAPMAN G.Strength properties of cement treated coode island silt by the soil mixing method［J］.Geotechnical Special Publication，2004，126(II):1421-1428.

［12］何开胜.水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方法［J］.岩土力学，2002，23(6):778-781.

［13］李琦.水泥搅拌桩施工的质量控制要点［J］.铁道建筑，2013，72(3):72-74.

［14］任露泉，刘朝宗，佟金，等.土壤粘附系统中粘土颗粒群的内聚特性［J］.农业机械学报，1997，28:l-4.

［15］刘永健，刘君平，池建军.钢管混凝土界面抗剪粘结滑移力学性能试验［J］.广西大学学报:自然科学版，2010，35(1):17-23.

［16］MIEDEMA S A.Mathematical modeling of the cutting of densely compacted sand under water［C］//Dredging equipment＆dredging process.Holland:Delft University of Technology，2000.

［17］MIEDEMA S A.New Developments of cutting theories with respect to dredging，the cutting of clay［C］//Dredging equipment＆dredging process.Holland:Delft University of Technology，2000.

［18］杨丽君，王伟，卢廷浩.桩—土接触面剪切性质室内单剪试验研究［J］.公路，2008(8):209-212.