王玉萍, 張紅興, 王玉峰

(1.青海民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，青海西寧 810007； 2.中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司， 北京 102300；

3.西安驪通公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，陜西西安 710600)

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不同樁土界面負(fù)溫直剪試驗研究

王玉萍1, 張紅興2, 王玉峰3

(1.青海民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，青海西寧 810007； 2.中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司， 北京 102300；

3.西安驪通公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，陜西西安 710600)

多年凍土地基中樁-土界面特性對樁基礎(chǔ)的安全性和長期穩(wěn)定性有重要的影響。文章采取室內(nèi)負(fù)溫直剪模型試驗的方法研究多年凍土地區(qū)樁-土界面的剪切特性。試驗中考慮了樁體材料、土體含水量、溫度及法向應(yīng)力等影響因素，采用輪換因子法進(jìn)行試驗方案設(shè)計，共完成144組室內(nèi)負(fù)溫直剪試驗。試驗結(jié)果表明-5 ℃是各種樁體材料(混凝土材質(zhì)、鋁材質(zhì)、有機(jī)玻璃材質(zhì)、木材質(zhì))的樁-粉土界面直剪試驗的臨界溫度。相關(guān)試驗結(jié)論將對多年凍土地區(qū)樁基礎(chǔ)的理論研究起到補(bǔ)充豐富作用，對樁基礎(chǔ)施工起到一定的指導(dǎo)作用。

凍土； 樁土界面； 直剪試驗

1 模型試驗

1.1 試驗方案

試驗選取混凝土塊-粉土界面、鋁塊-粉土界面、有機(jī)玻璃塊-粉土界面及木塊-粉土界面4種不同樁體材料的樁-土界面，在3種土體含水量(20 %、23 %、26 %)、3種試驗溫度(-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃)條件下，分別對試樣施加4個法向應(yīng)力(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，采用輪換因子法進(jìn)行試驗方案設(shè)計，共需完成144組室內(nèi)負(fù)溫直剪試驗。

1.2 試驗設(shè)備

本次試驗主要使用凍融循環(huán)試驗箱的恒溫功能來冷凍試樣，可以設(shè)置試驗所需要的各個溫度。負(fù)溫環(huán)境箱是進(jìn)行本次直剪試驗的場所，主要作用是為試驗提供與試塊溫度幾乎相同的負(fù)溫環(huán)境。應(yīng)變控制式直剪儀主要用來測定土體的抗剪強(qiáng)度。此標(biāo)準(zhǔn)直剪儀經(jīng)過改裝，可以電動控制速率，最小速率為0.002 mm/mim，符合試驗需要。

2 試驗數(shù)據(jù)

2.1 混凝土塊與粉土直剪試驗

根據(jù)試驗過程中讀取的試驗數(shù)據(jù)，由百分表讀數(shù)計算得到界面剪應(yīng)力，剪切速率乘以剪切時間得到剪切位移。以剪切位移為橫坐標(biāo)的數(shù)值，以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)的數(shù)值，繪制試驗曲線見圖1。由于論文篇幅所限，文中所有試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的法向應(yīng)力均為300 kPa。

2.2 試驗分析

根據(jù)上述不同溫度、不同含水量的混凝土塊與粉土界面的剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線，經(jīng)分析得到下面的初步結(jié)論：

(1)混凝土塊與粉土界面的平均剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而增大，二者呈明顯的非線性關(guān)系。

(2)土體含水量ω=20 %，試驗溫度T=-1 ℃、T=-3 ℃、T=-5 ℃時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應(yīng)力及相應(yīng)的剪切位移分別為677.16 kPa、906.3 kPa、915 kPa和0.18 mm、0.24 mm、0.3 mm。從這些數(shù)據(jù)可以看出：隨著試驗溫度降低，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應(yīng)力在逐漸增大，達(dá)到峰值剪應(yīng)力所需的剪切位移也呈增大趨勢。這說明負(fù)溫環(huán)境下混凝土塊與粉土的界面剪切特性發(fā)生了很大的改變，這主要是由于負(fù)溫下土體中冰晶的存在，隨著溫度的降低，土中未凍水逐漸轉(zhuǎn)化為冰晶，冰晶含量增多，尤其在混凝土塊與粉土的界面處冰晶能有效的將土體與樁體材料粘結(jié)在一起,進(jìn)而增大了混凝土塊與粉土界面的剪應(yīng)力，相應(yīng)的剪切位移隨之增大。

(3)試驗溫度T=-1 ℃ ，土體含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應(yīng)力分別為677.16 kPa、744.876 kPa、834.2 611 kPa。試驗溫度T=-3 ℃ ，土體含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應(yīng)力分別為906.3 kPa、1 043.442 kPa、1 168.655 kPa。試驗溫度T=-5 ℃ ，土體含水量ω=20 %、ω=23 %、ω=26 %時，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應(yīng)力分別為915 kPa、1 009.157 kPa、1 120.164 kPa。此3組數(shù)據(jù)都具有統(tǒng)一的規(guī)律：相同試驗溫度下，土體含水量越大，混凝土塊與粉土界面的峰值剪應(yīng)力越大。

2.3 不同樁體材料的樁-土界面直剪試驗對比分析

2.3.1 剪應(yīng)力—剪切位移曲線

為了研究樁體材料對樁-土界面剪切特性的影響，將直剪試驗得到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類整理，土體含水量ω=26 %，試驗溫度T=-1 ℃、-3 ℃、-5 ℃時，不同樁-土界面剪應(yīng)力—剪切位移曲線見圖2。

圖2 不同材料樁-土界面剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系

2.3.2 對比試驗分析

將上述不同試驗溫度、不同土體含水量條件下，不同樁-土界面剪應(yīng)力—剪切位移曲線進(jìn)行對比研究，得到以下結(jié)論：

試驗溫度T=-1 ℃，相同土體含水量條件下，不同樁-土界面抗剪強(qiáng)度大小關(guān)系為混凝土塊-粉土界面 >鋁塊-粉土界面>木塊-粉土界面>有機(jī)玻璃塊-粉土界面；試驗溫度T=-3 ℃及T=-5 ℃，相同土體含水量條件下，不同樁-土界面抗剪強(qiáng)度大小關(guān)系為鋁塊-粉土界面>混凝土塊-粉土界面>有機(jī)玻璃塊-粉土界面>木塊-粉土界面。溫度越低，鋁塊與土體的界面抗剪強(qiáng)度越大，而木塊與土體的界面抗剪強(qiáng)度越小。總體而言，試驗溫度對不同材料的樁-土界面剪切特性是有影響的。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)負(fù)溫直剪試驗及對試驗結(jié)果的整理研究，得到了以下主要結(jié)論：

(1)不同試驗溫度及不同土體含水量條件下，不同樁體材料的樁-粉土界面的平均剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而增大，二者呈明顯的非線性關(guān)系，當(dāng)剪切應(yīng)力增加到某一個數(shù)值后將基本保持穩(wěn)定。

(2)相同土體含水量條件下，隨著試驗溫度的降低，各種樁體材料(混凝土材質(zhì)、鋁材質(zhì)、有機(jī)玻璃材質(zhì)、木材質(zhì))的樁 -粉土界面的剪切應(yīng)力均呈增大趨勢。且負(fù)溫條件對樁-粉土界面的的剪切特性有非常大的影響，通過試驗分析，筆者認(rèn)為試驗溫度-5℃是各種樁體材料(混凝土材質(zhì)、鋁材質(zhì)、有機(jī)玻璃材質(zhì)、木材質(zhì))的樁-粉土界面直剪試驗的臨界溫度，并預(yù)測當(dāng)試驗溫度比-5℃更低時，在相同剪切位移下，各種樁體材料(混凝土材質(zhì)、鋁材質(zhì)、有機(jī)玻璃材質(zhì)、木材質(zhì))的樁-粉土界面的剪切應(yīng)力數(shù)值將會比-5℃時的界面剪切應(yīng)力數(shù)值小。

(3)試驗溫度T=-1 ℃，相同土體含水量條件下，混凝土塊-粉土界面的抗剪強(qiáng)度最大；試驗溫度T=-3 ℃及T=-5 ℃，相同土體含水量條件下，鋁塊-粉土界面界面抗剪強(qiáng)度最大，即樁體材料確實對樁-粉土界面的剪切特性有影響。筆者認(rèn)為，這種試驗溫度導(dǎo)致的不同樁體材料(混凝土材質(zhì)、鋁材質(zhì)、有機(jī)玻璃材質(zhì)、木材質(zhì))的樁-粉土界面的抗剪強(qiáng)度的差異，根本的原因在于樁體材料的性質(zhì)、表面粗糙度及材料自身的剛度等因素。

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王玉萍(1988～)，女，碩士，助理實驗師，主要從事地基及基礎(chǔ)工程方向的教學(xué)和科研工作。

王玉峰(1980～)，男，研究生，助理工程師。

TU445

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[定稿日期]2016-07-04

[基金簡介]青海民族大學(xué)校級理工科項目《青藏高原多年凍土地基樁土界面剪切特性試驗研究》(項目編號：2015XJZ20)