不同桩土界面负温直剪试验研究

王玉萍, 张红兴, 王玉峰

(1.青海民族大学建筑工程学院，青海西宁 810007； 2.中铁三局集团第四工程有限公司， 北京 102300；

3.西安骊通公路工程养护有限公司，陕西西安 710600)



不同桩土界面负温直剪试验研究

王玉萍1, 张红兴2, 王玉峰3

(1.青海民族大学建筑工程学院，青海西宁 810007； 2.中铁三局集团第四工程有限公司， 北京 102300；

3.西安骊通公路工程养护有限公司，陕西西安 710600)

多年冻土地基中桩-土界面特性对桩基础的安全性和长期稳定性有重要的影响。文章采取室内负温直剪模型试验的方法研究多年冻土地区桩-土界面的剪切特性。试验中考虑了桩体材料、土体含水量、温度及法向应力等影响因素，采用轮换因子法进行试验方案设计，共完成144组室内负温直剪试验。试验结果表明-5 ℃是各种桩体材料(混凝土材质、铝材质、有机玻璃材质、木材质)的桩-粉土界面直剪试验的临界温度。相关试验结论将对多年冻土地区桩基础的理论研究起到补充丰富作用，对桩基础施工起到一定的指导作用。

冻土； 桩土界面； 直剪试验

1 模型试验

1.1 试验方案

试验选取混凝土块-粉土界面、铝块-粉土界面、有机玻璃块-粉土界面及木块-粉土界面4种不同桩体材料的桩-土界面，在3种土体含水量(20 %、23 %、26 %)、3种试验温度(-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃)条件下，分别对试样施加4个法向应力(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，采用轮换因子法进行试验方案设计，共需完成144组室内负温直剪试验。

1.2 试验设备

本次试验主要使用冻融循环试验箱的恒温功能来冷冻试样，可以设置试验所需要的各个温度。负温环境箱是进行本次直剪试验的场所，主要作用是为试验提供与试块温度几乎相同的负温环境。应变控制式直剪仪主要用来测定土体的抗剪强度。此标准直剪仪经过改装，可以电动控制速率，最小速率为0.002 mm/mim，符合试验需要。

2 试验数据

2.1 混凝土块与粉土直剪试验

根据试验过程中读取的试验数据，由百分表读数计算得到界面剪应力，剪切速率乘以剪切时间得到剪切位移。以剪切位移为横坐标的数值，以剪应力为纵坐标的数值，绘制试验曲线见图1。由于论文篇幅所限，文中所有试验数据对应的法向应力均为300 kPa。

2.2 试验分析

根据上述不同温度、不同含水量的混凝土块与粉土界面的剪应力—剪切位移关系曲线，经分析得到下面的初步结论：

(1)混凝土块与粉土界面的平均剪应力随剪切位移的增大而增大，二者呈明显的非线性关系。

(2)土体含水量ω=20 %，试验温度T=-1 ℃、T=-3 ℃、T=-5 ℃时，混凝土块与粉土界面的峰值剪应力及相应的剪切位移分别为677.16 kPa、906.3 kPa、915 kPa和0.18 mm、0.24 mm、0.3 mm。从这些数据可以看出：随着试验温度降低，混凝土块与粉土界面的峰值剪应力在逐渐增大，达到峰值剪应力所需的剪切位移也呈增大趋势。这说明负温环境下混凝土块与粉土的界面剪切特性发生了很大的改变，这主要是由于负温下土体中冰晶的存在，随着温度的降低，土中未冻水逐渐转化为冰晶，冰晶含量增多，尤其在混凝土块与粉土的界面处冰晶能有效的将土体与桩体材料粘结在一起,进而增大了混凝土块与粉土界面的剪应力，相应的剪切位移随之增大。

(3)试验温度T=-1 ℃ ，土体含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %时，混凝土块与粉土界面的峰值剪应力分别为677.16 kPa、744.876 kPa、834.2 611 kPa。试验温度T=-3 ℃ ，土体含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %时，混凝土块与粉土界面的峰值剪应力分别为906.3 kPa、1 043.442 kPa、1 168.655 kPa。试验温度T=-5 ℃ ，土体含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %时，混凝土块与粉土界面的峰值剪应力分别为915 kPa、1 009.157 kPa、1 120.164 kPa。此3组数据都具有统一的规律：相同试验温度下，土体含水量越大，混凝土块与粉土界面的峰值剪应力越大。

2.3 不同桩体材料的桩-土界面直剪试验对比分析

2.3.1 剪应力—剪切位移曲线

为了研究桩体材料对桩-土界面剪切特性的影响，将直剪试验得到的试验数据进行了分类整理，土体含水量ω=26 %，试验温度T=-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃时，不同桩-土界面剪应力—剪切位移曲线见图2。

图2 不同材料桩-土界面剪应力-剪切位移的关系

2.3.2 对比试验分析

将上述不同试验温度、不同土体含水量条件下，不同桩-土界面剪应力—剪切位移曲线进行对比研究，得到以下结论：

试验温度T=-1 ℃，相同土体含水量条件下，不同桩-土界面抗剪强度大小关系为混凝土块-粉土界面 >铝块-粉土界面>木块-粉土界面>有机玻璃块-粉土界面；试验温度T=-3 ℃及T=-5 ℃，相同土体含水量条件下，不同桩-土界面抗剪强度大小关系为铝块-粉土界面>混凝土块-粉土界面>有机玻璃块-粉土界面>木块-粉土界面。温度越低，铝块与土体的界面抗剪强度越大，而木块与土体的界面抗剪强度越小。总体而言，试验温度对不同材料的桩-土界面剪切特性是有影响的。

3 结论

通过室内负温直剪试验及对试验结果的整理研究，得到了以下主要结论：

(1)不同试验温度及不同土体含水量条件下，不同桩体材料的桩-粉土界面的平均剪应力随剪切位移的增大而增大，二者呈明显的非线性关系，当剪切应力增加到某一个数值后将基本保持稳定。

(2)相同土体含水量条件下，随着试验温度的降低，各种桩体材料(混凝土材质、铝材质、有机玻璃材质、木材质)的桩 -粉土界面的剪切应力均呈增大趋势。且负温条件对桩-粉土界面的的剪切特性有非常大的影响，通过试验分析，笔者认为试验温度-5℃是各种桩体材料(混凝土材质、铝材质、有机玻璃材质、木材质)的桩-粉土界面直剪试验的临界温度，并预测当试验温度比-5℃更低时，在相同剪切位移下，各种桩体材料(混凝土材质、铝材质、有机玻璃材质、木材质)的桩-粉土界面的剪切应力数值将会比-5℃时的界面剪切应力数值小。

(3)试验温度T=-1 ℃，相同土体含水量条件下，混凝土块-粉土界面的抗剪强度最大；试验温度T=-3 ℃及T=-5 ℃，相同土体含水量条件下，铝块-粉土界面界面抗剪强度最大，即桩体材料确实对桩-粉土界面的剪切特性有影响。笔者认为，这种试验温度导致的不同桩体材料(混凝土材质、铝材质、有机玻璃材质、木材质)的桩-粉土界面的抗剪强度的差异，根本的原因在于桩体材料的性质、表面粗糙度及材料自身的刚度等因素。

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王玉萍(1988～)，女，硕士，助理实验师，主要从事地基及基础工程方向的教学和科研工作。

王玉峰(1980～)，男，研究生，助理工程师。

TU445

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[定稿日期]2016-07-04

[基金简介]青海民族大学校级理工科项目《青藏高原多年冻土地基桩土界面剪切特性试验研究》(项目编号：2015XJZ20)