孫曉東,宋可新,張敬

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院,天津 300384;2.天津海泰建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司,天津 300384;3.天津市房地產(chǎn)經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司,天津300061)

靜壓樁以其噪音低、不污染環(huán)境、對(duì)樁身無(wú)沖擊力以及能在沉樁時(shí)顯示壓樁力等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)越來(lái)越受到重視。但靜壓樁屬于擠土樁,在貫入過(guò)程中將使下部土體側(cè)向移動(dòng)。沉樁過(guò)程中,樁尖首先強(qiáng)力擠壓土體,造成了土體的重塑和破壞。樁身在已經(jīng)擾動(dòng)了的土體中進(jìn)行大變位運(yùn)動(dòng),樁與土之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。這種滑動(dòng)摩擦不同于靜摩擦,也不同于打入樁的動(dòng)摩擦[1]。

關(guān)于樁側(cè)摩阻力f的計(jì)算,Chandler在1968年提出了粘性土中的經(jīng)驗(yàn)公式[2]。

土被擾動(dòng)后強(qiáng)度會(huì)降低,但隨著時(shí)間的增長(zhǎng),強(qiáng)度可以部分恢復(fù)或全部恢復(fù),這種時(shí)效性稱為土的觸變性。相應(yīng)的,滑動(dòng)摩阻力也有時(shí)效性。側(cè)摩阻力的提高是樁基承載力提高的主要因素[3],特別是在軟土地區(qū),由于軟土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、靈敏度高、滲透性低等特點(diǎn),受沉樁的擠土作用,樁周土承載力的時(shí)效性會(huì)更加明顯[4],因而很有必要研究摩阻力的時(shí)效性。

1 試驗(yàn)研究

1.1 研究對(duì)象

以天津?yàn)I海地區(qū)土體為研究對(duì)象,鑒于擾動(dòng)土與原狀土的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)曲線差別不大,由于條件所限只取擾動(dòng)土作定性研究,土樣部分參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

1.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

改造直剪儀,將原來(lái)儀器的下透水石換成混凝土試塊,在試塊周圍的剪切盒表面涂一層凡士林,以減小剪切盒邊緣與土體摩擦引起的誤差。對(duì)于靜壓樁,樁土界面特征往往取決于樁表面的粗糙程度[5]。自制混凝土試塊,盡量使試塊表面粗糙度與樁身表面相同,尺寸與下剪切盒大小相同。

取4組土樣(見(jiàn)表1),每組切4個(gè),分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 垂直荷載作用下放置混凝土試塊進(jìn)行剪切。水平剪切推進(jìn)速度為0.02mm/s,記錄摩擦力f和滑動(dòng)位移s。裝樣時(shí)盡量不要擾動(dòng)土樣,剪切時(shí)注意速度的穩(wěn)定性。一般滑動(dòng)位移變形達(dá)到4 mm時(shí)認(rèn)為土樣破壞,若讀數(shù)一直增加,則待滑動(dòng)位移變形達(dá)到6 mm為止。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在剪切完成后,淤泥質(zhì)土、粘土和粉質(zhì)粘土均有少量土顆粒粘附在混凝土試塊表面,粉質(zhì)砂土無(wú)此現(xiàn)象。

表1 動(dòng)摩擦試驗(yàn)土樣參數(shù)Tab.1 Soil parameters of sliding friction test

表2 時(shí)效性試驗(yàn)土樣參數(shù)Tab.2 Soil parameters of time effect test

另取4組土樣(見(jiàn)表2),進(jìn)行摩阻力時(shí)效性試驗(yàn)。用以上相同的方法安裝試樣,試樣靜置一定時(shí)間(0d、1d、7d、14d)后再進(jìn)行剪切,記錄剛開(kāi)始起動(dòng)時(shí)的最大阻力fmax。試驗(yàn)需要的時(shí)間較長(zhǎng),為了保持土樣含水量等的一致性,將土樣一次性切割,放于養(yǎng)護(hù)箱中保存,分批使用。試樣靜置過(guò)程中,為防止土樣水分蒸發(fā)需在剪切盒周圍蓋上濕布,定期灑水養(yǎng)護(hù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)結(jié)果:按橫坐標(biāo)為位移,縱坐標(biāo)為滑動(dòng)摩阻力,作混凝土試塊與土的滑動(dòng)摩擦曲線,見(jiàn)圖1?；瑒?dòng)摩阻力f與法向應(yīng)力σ關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1中,土樣1最大摩阻力不到40 kPa,并且在不同的法向應(yīng)力下摩阻力變化不大;而土樣4在法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)就已達(dá)到52.5 kPa,法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)最大摩阻力可以達(dá)到133.8 kPa?？梢?jiàn)滑動(dòng)摩阻力與土的類型、法向應(yīng)力有關(guān),即土的強(qiáng)度越高產(chǎn)生的摩阻力越大,法向應(yīng)力越大摩阻力越大,不同的土在不同法向應(yīng)力下的滑動(dòng)摩阻力差別明顯。

如圖2所示,極限滑動(dòng)摩阻力f與σ近似成直線關(guān)系,并由此進(jìn)一步求出各土樣的外摩擦角φ,見(jiàn)表3。表4為相應(yīng)各土樣的內(nèi)摩擦角,可以看到土樣的外摩擦角要小于其內(nèi)摩擦角,土質(zhì)越軟差值越大。

由圖3、圖4知,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的靜置,砂土摩阻力提高幅度很小,粉土摩阻力提高也不到30%,不是很明顯;而粉質(zhì)粘土強(qiáng)度可以達(dá)到原來(lái)的140%,淤泥質(zhì)土強(qiáng)度甚至可以3倍的增長(zhǎng)。分析得知,由于砂土無(wú)觸變性,且產(chǎn)生的孔隙水壓力消散很快,所以強(qiáng)度沒(méi)有變化或變化很小;淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)粘土的觸變作用使其損失的強(qiáng)度隨時(shí)間逐步恢復(fù),且在開(kāi)始增長(zhǎng)較快,后期變緩,最終接近于極限值。

表3 土樣外摩擦角Tab.3 Angles of external friction

表4 土樣內(nèi)摩擦角Tab.4 Angles of inside friction

李雄等[6]對(duì)重塑飽和軟土進(jìn)行不同休止時(shí)間的UU三軸試驗(yàn),得到重塑土內(nèi)聚力隨休止時(shí)間的恢復(fù)情況為:土的內(nèi)聚力開(kāi)始增長(zhǎng)較快,后期減緩,最終趨于極限值。這與本文摩擦力的時(shí)效性規(guī)律是一致的。

3 結(jié)論

1)利用混凝土試塊模擬現(xiàn)場(chǎng)樁來(lái)研究樁與土間的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)是可行的。試驗(yàn)得到的各土體外摩擦角可作為沉樁數(shù)值模擬的參數(shù)。

2)試驗(yàn)表明滑動(dòng)摩阻力與土的類型、法向應(yīng)力有關(guān),隨著土體強(qiáng)度和法向應(yīng)力的增長(zhǎng),滑動(dòng)摩阻力也相應(yīng)增長(zhǎng),且增長(zhǎng)近似呈線性。

3)土的外摩擦角要小于其內(nèi)摩擦角,土質(zhì)越軟差值越大。

4)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂土和粉土與樁的摩阻力時(shí)效性不明顯;粘土、淤泥質(zhì)土具有顯著的時(shí)效性,前期增長(zhǎng)幅度較大,后期減緩,最終趨于極限值。

[1] 張明義,鄧安福.樁-土滑動(dòng)摩擦的試驗(yàn)研究[J] .巖土力學(xué),2002,4(23):246-249.

[2] 張明義.靜力壓入樁的研究與應(yīng)用[M] .北京:中國(guó)建材出版社,2004.

[3] 張明義.層狀地基上靜力壓入樁的沉樁過(guò)程及承載力的試驗(yàn)研究[D] .重慶:重慶大學(xué),2001.

[4] 夏建中,羅占友,張矢舟.軟黏土中壓樁承載力的時(shí)效性分析與預(yù)測(cè)[J] .巖土力學(xué),2006,10(增27):793-796.

[5] 張忠苗.樁基工程[M] .北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[6] 李雄,劉金礪.飽和軟土中預(yù)制樁承載力時(shí)效的研究[J] .巖土工程學(xué)報(bào),1992,14(4):9-16.