静压桩与土体间滑动摩擦及其时效性研究

2010-10-16孙晓东宋可新张敬

河北工程大学学报(自然科学版) 2010年1期

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。