桩-土界面残余强度影响因素分析

杨庆光，陈小巍，肖立权，柳 雄，刘海媚，谭 杰

（1.湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南 株洲 412007）

0 引言

土体与结构接触面之间的相互作用至今仍然是岩土工程中的一个难点，该类问题研究具有非常重要的理论和实践意义。自从J.G.Potyondy[1]通过大量直剪试验后指出粗糙度、法向应力、含水率等是影响接触面剪切强度的主要因素以来，诸多学者就其力学特性影响因素已经进行了大量的研究。其中胡黎明等[2]采用改进直剪仪，针对不同粗糙度下接触面研究成果，提出临界相对粗糙度能够较好地描述桩土界面相互作用关系。金子豪等[3]根据现场实测的成孔孔径与深度关系，建立了混凝土结构尺寸凹凸分布的频率统计方程，得到一种粗糙度计算新方法。赵春风等[4-5]采用大型直剪仪，对黏性土-混凝土界面进行了弹塑性分析，研究了法向应力变化历史对结构面特性的影响。贺炜[6]、王永洪等[7]利用直剪仪，研究了含水率与结构面-土界面剪切强度间的关系，找到了随土含水率的增加，界面剪切强度逐渐降低的规律。此外，杨有莲[8]、彭凯等[9]分别利用环剪试验和单剪试验，对带泥皮接触面的力学特性开展过相应的研究。

桩-土接触问题力学特性研究有如下方面：刘希亮等[10]通过试验发现，高压力下界面上的剪切残余强度与法向压力大小有关。李永辉等[11]通过大型界面剪切试验，发现泥皮的润滑作用对界面摩擦角大小有明显的影响。桩土界面的残余强度指桩-土界面出现破坏之后保留的残余变形与抵抗外荷载的能力，其取值大小在施工中扮演着十分重要的角色。张明义等[12]通过制造出不同的混凝土板表面粗糙度来模拟静压管桩的界面，研究发现管桩桩-土界面孔压占总法向应力10%左右。此外，许成顺等[13]通过室内试验，对比分析了17种不同黏性土的残余强度。成浩等[14]基于许成顺等[13]的研究，对多个粗糙度下结构面残余强度的影响因素开展了研究。陈荣刚等[15]为了研究含水率与土质条件等因素对摩擦桩侧摩阻力的影响,通过接触面剪切试验装置，对摩擦桩的侧摩阻力分布规律及其影响因素展开研究。王永洪等[16]通过自制的大型恒刚度直剪仪对非饱和黏性土进行桩-土界面剪切试验，探讨了非饱和黏性土桩-土界面剪切特性及受黏性土饱和度的影响规律。

在工程中，常常出现施工不当或基坑开挖引起桩身回弹，而采取复压的措施往往导致桩-土界面出现损伤，甚至破坏，此时上部荷载主要由桩-土界面的残余强度来承担。已有研究大都利用环剪或者直剪试验手段，围绕着桩-土界面峰值强度问题展开。但是，现有的环剪或者直剪剪切装置均存在剪切过程中剪切面积逐渐减小、应力分布不均匀等问题，不利于揭示桩-土界面的剪切特性。本文利用自制的桩-土接触面剪切装置，通过室内模型试验，对桩-土接触面残余强度发挥机制，以及影响残余强度发挥的因素开展试验研究。

1 试验概况

1.1 试验装置

本文采用课题组自制的桩-土界面剪切试验装置[17]开展了室内试验研究，界面剪切试验装置如图1所示。

图1 界面剪切试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of interface shear test device

该装置由剪切组件、加载组件、传力组件和测量组件4部分构成，首先通过特定的制样工具，将土和桩安装至剪切组件中；其次通过加载组件对试验土体表面施加均布荷载（对试样表面施加法向应力）；再次通过手动剪切组件对桩土界面施加剪切荷载；最后通过测量组件测量量力钢环变形和桩体变形，确定界面剪切应力的大小和剪切位移，绘制出界面剪切应力-位移全过程曲线。

1.2 试验材料

本试验土体取自某深基坑中典型黏性土，通过风干、破碎、过筛等工序处理后，获得试验土体物理力学参数如表1。

表1 试验土体基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of test soil

根据张明义等[18]得出原状土与重塑土的滑动摩擦试验特性基本一致的结论，本试验采用重塑土进行桩-土界面剪切试验，试验共配置了含水率分别为8%, 12%, 16%的土样。此外，综合考虑工程现场桩侧地基土压实度实际情况及实验室剪切试件土样压实度控制的问题，最后确定每个含水率分别制作压实度为60%，70%和80%的土样，并分别选择剪切试验法向压力为18.91, 37.86, 50.80, 75.74 kPa，共制作72个试验土样（预压和不预压）。模型桩试件直径为30 mm，为确保剪切面积不变，长度取210 mm。桩身材料为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.43:1。

1.3 试验方法与步骤

进行无预压剪切试验时，首先，将某深基坑中典型黏性土，通过风干、破碎、过筛等工序处理。通过土体三相换算确定每次填筑土量，确定击实控制标准，并分3次等质量填土和击实。装样完成2周后再进行剪切试验。通过手动方式，使升降盘上升，从而使量力钢环产生压缩变形，并推动模型桩，使桩-土出现相对位移，并通过百分表读数变化计算出推力大小，同时通过另一个百分表读数差确定桩-土相对位移。为考虑预压对界面剪切特性的影响，首先需选择一定压力大小对土体进行竖向预压，然后同无预压相同竖向加压方案界面剪切试验的结果进行比较。本次模型试验共计完成了36组无预压和36组有预压界面剪切试验。

2 试验结果与讨论

2.1 剪切应力-剪切位移曲线

图2为桩-土界面剪切强度随剪切变形变化的关系曲线图。

图2 桩-土界面剪切强度随剪切变形变化曲线Fig.2 Variation curve of shear strength of pile-soil interface with shear deformation

由图2可知，4种法向应力下曲线都表现为先快速达到剪切应力峰值，然后又缓慢下降的趋势，且法向应力越大，这种软化越明显。当λ=60%时，随法向应力的增加，对应的剪切应力降低，从0.217 kPa到1.210 kPa不等，但是随着压实度增大，这种软化现象逐渐减弱，并逐渐趋于稳定，达到剪切残余强度。从图2还可以看出，不同压实度情况下，剪切强度均表现出随法向应力增大而变大的现象。当λ=60%时，随法向应力的提高，界面剪切强度分别为1.195, 2.173,3.150, 4.128 kPa。

2.2 含水率、压实度对残余强度的影响

图3为不同法向应力和压实度下，界面剪切残余强度随含水率变化曲线。

图3 桩-土界面剪切残余强度随着含水率变化曲线Fig.3 Variation curve of residual shear strength of pile-soil interface with water content

由图3可知，界面残余强度随含水率增加先增后减，且增加速率略快于下降速率，并且在最优含水率处残余强度最高。当含水率和法向应力不变时，压实度越大，残余强度越高。当含水率和法向应力分别为12%和56.80 kPa时，压实度为60%, 70%, 80%对应的残余强度分别为2.95, 3.25, 5.21 kPa。受压实度影响，压实度越高，界面的颗粒强度越大，剪切时受剪切力影响越小，从而界面残余强度更高。

表2为本次试验中界面残余强度波动差值。由表可知，前三级法向应力时，低压实度变化引起界面残余强度波动值小于高压实度变化情况。反之，当法向应力为75.74 kPa时，低压实度变化引起界面残余强度波动值大于高压实度变化情况。

表2 桩-土界面残余强度波动差值Table 2 Residual strength fluctuation differential values of pile-soil interface

2.3 预压对残余强度的影响

为考虑基坑开挖或外部地面堆载等作用对坑内外桩-土界面剪切特性的影响，本试验开展了45.83 kPa压力下的预压界面剪切试验，预压荷载施加1 h后立即卸载，并根据无预压加载和剪切方案开展界面剪切试验。图4为预压前后界面残余强度曲线图，据图4可知，在不同的法向应力情况下，受含水率和压实度的影响，残余强度均为山峰型，且在最优含水率附近处达到最大值，在压实度最大处达最大值。

图4 预压前后桩-土界面残余强度随含水率变化曲线Fig.4 Variation curve of residual strength of pile-soil interface with water content before and after preloading

图5为预压前后界面残余强度提高比例曲线。

图5 预压前后桩-土界面残余强度提高比例随含水率变化曲线Fig.5 Curve of increasing proportion of residual strength of pile-soil interface with water content before and after preloading

由图5可知，不同压实度情况下，预压前后界面残余强度提高比例曲线均表现出先增大后降低的山峰型，且均表现出法向应力越小，提高比例越大的特点，充分表明预压对法向应力较小情况下残余强度提高比例更高。

2.4 对残余强度的讨论

2.4.1 剪切界面残余强度

图6为界面剪切残余强度随法向应力的变化散点图和拟合曲线图。从图中可以看出，压实度相同时，界面残余强度随法向应力的增大而增大。从图中还可以看出，有无预压下界面的剪切破坏均可以采用莫尔-库伦（M-C）剪切破坏准则进行分析。即

式中：τ为界面剪切残余强度；σ为法向应力；φ为界面残余摩擦角；c为界面残余黏聚力。

此外，由图6可知，压实度对界面残余黏聚力取值有明显的影响，压实度80%较压实度60%时界面残余黏聚力提高169%。当考虑预压影响时，由于土体压实度提高了土颗粒与结构表面的黏着或咬合作用，故界面残余黏聚力显著提升，而残余摩擦角均出现下降现象。

图6 不同压实度条件下的法向应力-残余强度关系图Fig.6 Curves of shear residual strength versus normal stress with different values of compaction

2.4.2 残余应力比

定义残余强度与法向应力比值为界面残余应力比。图7为不同压实度下法向应力-残余应力比的关系曲线图。

由图7可知，不同压实度下，界面残余应力比表现为先急剧下降，后逐渐变缓的趋势，且压实度越大，这种现象越明显。主要是由于无预压时，高压使桩-土界面土颗粒间相对位移引起能量耗散明显所致，而有预压情况下，土颗粒相对位移不明显，从而这种现象更为明显。

图7 不同压实度下界面法向应力-残余应力比关系曲线Fig.7 Curves of residual stress ratio versus normal stress with different values of compaction

3 结论

1）桩-土界面剪应力先迅速增大，达峰值后缓慢下降趋于稳定，且随法向应力提高呈软化加强的趋势；界面残余强度与压实度和法向应力呈现同向变化趋势，同含水率呈反向变化趋势，且在最优含水率附近达到最大值；

2）在不同的法向应力情况下，受含水率和压实度的影响下，残余强度表现为山峰型，在最优含水率附近和压实度最大处达峰值，且预压对法向应力较小情况下残余强度提高比例更高；

3）有无预压界面残余强度与法向应力存在显著的线性关系，符合莫尔-库伦（M-C）剪切破坏准则，不同压实度下，界面残余应力比表现为先急剧下降，后逐渐变缓的趋势，且压实度越大，这种现象越明显。