（岩土工程专业论文）桩土界面摩擦特性试验研究.pdf

摘要 桩基础是一种重要的基础形式，在铁路、公路、桥梁、港口码头、高层建筑 等工程中应用十分广泛。而桩土界面摩擦特性对地基和上部结构物的强度及变形 特性有着十分重要的影响，如何确定桩土之间的界面摩擦特性是桩基设计的关键 问题，是研究桩侧摩阻力、进而分析桩基承载力和沉降的重要力学问题。虽然国 内外学者在桩土界面摩擦特性的研究方面已经做了相当多的工作，但是目前的研 究只集中在对粘性土和砂土的研究上面，对粉土的研究很少，面对像胜利油田埕 岛粉土地基这样的实际工程时，几乎没有规范可查，这就为实际工程的设计、施 工、检测和安全性等带来诸多不利的影响。本文就是在此情况下，为了填补国内 外对桩与粉土相互作用特性研究的不足和空白，选用室内模拟试验，着重对钢桩 与粉土的界面摩擦特性进行初步的试验研究。 从试验的类型上分，桩土界面摩擦特性模拟试验可以分为直剪试验和拉拔试 验两种。就试验方法的优劣而言，直剪试验与拉拔试验并没有太大区别，但是经 过试验分析发现，与拉拔试验箱相比，直剪试验箱在研制方面还存在一些不足， 所以从某种意义上说，研究桩土界面摩擦特性采用拉拔试验更具有实际意义。于 是在对拉拔试验箱改进的基础上，本文选用拉拔试验的研究方法，通过研究钢板 与粉土的界面摩擦特性，模拟出钢桩与粉土的界面摩擦特性。 桩土相互作用的机理较为复杂，它既与土体的工程特性有关，也与桩体的特 性有关。试验结果表明，含水量、拉拔速度和垂直压力对桩土界面摩擦特性均有 影响，其中拉拔速度的影响不大，含水量和垂直压力的影响却十分显著。根据静 止土压力原理，本文推导出桩侧极限摩阻力沿桩体深度的分布曲线，为进一步研 究桩基的承载力和沉降做出重要的工作。 关键词：桩土界面摩擦拉拔试验含水量拉拔速度垂直压力摩擦系数 极限摩阻力 a b s t r a c t t h ep i l ei sa l li m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o r m ，a n di ti se x t e n s i v e l yu s e di nr a i l w a y s ， r o a d s ，b r i d g e s ，p o r t sa n dh i 曲一r i s eb u i l d i n g s i n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i l h a sm u c hi n f l u e n c eo nt h es t r e n g t ha n dd i s t o r t i o no ft h eg r o u n db a s ea n dt h eu p p e r s t m c m r e ，s oi ti sak e yc o n c e r ni np i l ef o u n d a t i o nd e s i g n ，a n di ti sa ni m p o r t a n t m e c h a n i c st os t u d yt h es i d ef r i c t i o nw h i c hd e t e r m i n e dt h eh o l d i n gc a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to ft h ep i l ef o u n d a t i o n a l t h o u g hm a n yr e s e a r c h e r sh a v ed o n eal o to fw o r k ， m o s to fw h i c hf o c u so nc l a ya n ds a n d ，r e s e a r c h e sa b o u ts i l ta r em u c hl e s s f a c i n gt h e p r o j e c tl i k ec h e n g d a os i l tg r o u n db a s eo fs h e n g l io i lf i e l d t h e r ei sa l m o s tn o c r i t e r i o n st ob eb a s eo n , a n dw h i c hl c a d sm a n yd e f i c i e n c i e st od e s i g n s ，c o n s t r u c t i o n s ， d e t e c t i o n sa n ds a f e t i e so ft h ep r o je c t u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，a i m i n gt of i l lu pt h e d e f i c i e n c ya n db l a n ko ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np i l ea n ds i l t ，as e r i o u so fm o d e lt e s t s a r ec a r r i e do u t t h em o d e lt e s t so fi n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i lc a nb ed i v i d e di n t o d i r e c ts h e a rt e s t sa n dp u l l o u tt e s t s t h e ya r en o to fb i gd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et e s t m e t h o d s ，b u ta c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et e s ti n s t r u m e n t s ，t h eb o xo fd i r e c ts h e a r t e s te x i s ts o m ed e f i c i e n c i e sb yb e i n gc o m p a r e dt ot h eb o xo fp u l l o u tt e s t s oi ti s b e t t e rt oc h o o s et h ep u l l o u tt e s tf o rs t u d y i n gt h ei n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e np i l ea n d s o i li nas e n s e b a s e do nt h ei m p r o v e db o xo ft h ep u l l o u tt e s t ，t h i sa r t i c l ee m p l o y st h e p u l l o u tm e t h o dt os t u d yt h ei n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e ns t e e lp l a t ea n ds o i l w h i c h i n d u c et h ei n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e ns t e e lp i l ea n ds o i l t h em e c h a n i c so fi n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i li sv e r yc o m p l e x ，a si t i sn o to n l yr e l a t e dt ot h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fs o i l ，b u ta l s oi ti sr e l a t e dt ot h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so ft h ep i l e t h em o i s t u r ec o n t e n t d r a w i n gs p e e da n dv e r t i c a l p r e s s e rh a v es o m ei n f l u e n c e so nt h ei n t e r f a c e f r i c t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i l a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t s ，a n dt h ed r a w i n gs p e e dh a so n l ys m a l li n f l u e n c e sw h i l et h e m o i s t u r ec o n t e n ta n dv e r t i c a lp r e s s u r eh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e b a s e do nt h e m e c h a n i c so fs t a t i cs o i l ，t h ed i s t r i b u t i o nc u r eo ft h eu l t i m a t es i d ef r i c t i o nr e s i s t a n c e a l o n gt h ep i l ed e p t hi sd e d u c e d ，w h i c hi su s e f u lf o rt h es t u d yo fh o l d i n gc a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to f p i l ef o u n d a t i o n s k e yw o r d s ：i n t e r f a c ef r i c t i o nb e t w e e n p i l ea n ds o i l ，p u l l o u tt e s t ，m o i s t u r e c o n t e n t ，d r a w i n gs p e e d ， v e r t i c a lp r e s s u r e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ， u l t i m a t e f r i c t i o nr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 刘童本 i 签字目期：力刃g 年汐多月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 1 学位论文作者签名： 别速眸 导师签名： 签字日期：锄叨锌夕多月移多日 签字日期：彻矿年d 月衫日 第章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 桩基础是一种重要的基础形式，在铁路、公路、桥梁、港口码头、高层建筑 等工程中应用十分广泛。一般的基础工程中，当浅基础不能满足设计要求时，都 会利用竖向承载桩基础将作用于承台的竖向荷载传递到深部土层，以满足上部结 构物对基础的承载力和变形的要求。而在桩基工程中，桩侧摩阻力是单桩承载力 中一个十分重要的方面，它是在桩和桩周土体之间存在相对位移或位移趋势时产 生，因此离开桩与桩周土体之间的相互作用，就不可能深入了解桩侧摩阻力发挥 作用的机理，也就不可能从根本上把握桩基承载能力和变形性状的实质。在荷载 传递过程中，桩侧摩阻力的发挥水平与桩周土层的性质、桩土相对位移、桩土界 面条件等因素有关。由此可见，桩土界面摩擦特性对地基和上部结构物的强度及 变形特性有着十分重要的影响，如何确定桩土之间的界面摩擦特性是设计的关键 问题，是研究桩侧摩阻力、进而分析桩基承载力和沉降的重要力学问题【l 引。 目前，确定桩土界面摩擦特性的试验方法主要有现场足尺试验法和室内模拟 ( 模型) 试验法。对于现场足尺试验来说，以传统的静载试验方法为主。虽然现 场足尺试验直观可靠，但是，其费用较高，时间较长，抽样率较低，作为评价整 体工程的依据，难免会出现以偏概全的局限；对于工程桩，现场足尺试验难以做 到极限状态，这对了解和确定极限状态下桩土的作用机制带来不便。尤其当地基 工程地质条件变化时，其很难将测试点的试验结果进行推广；当受力条件发生变 化时，桩土的作用机制将与测试时桩土的作用机制产生较大差异，因而难以用于 对不同情况进行评价。 针对以上现场足尺试验方法的缺陷，结合桩土相互作用的受力特征，有不少 研究i 调 3 - 9 ，室内模拟试验方法的确能够模拟桩基中的桩土相互作用特性，从 而为获得合适的设计参数提供了一种可靠的方法。而室内模拟试验又主要可分为 直剪试验法和拉拔试验法两种。 此外，虽然国内外有不少学者在桩土界面摩擦特性的研究方面已经做了相当 多的工作，但是总的来说，目前所做的研究只集中在对粘性土和砂土的研究上面， 对粉土的研究很少，面对像胜利油田埕岛粉土地基这样的实际工程时，几乎没有 第一章绪论 规范可查，这就为实际工程的设计、施工、检测和安全性等带来诸多不利的影响。 因此，当前急需要补充对粉土的探索研究，来填补国内外对桩与粉土相互作用特 性中众多研究的不足和空白。本文就是在此情况下，选用室内模拟试验，着重对 桩( 钢桩) 与土( 粉土) 的界面摩擦特性进行初步的探讨分析。 1 2 国内外研究动态 土与其它结构之间的相互作用特性，一直是土木工程和岩土工程研究的重要 课题，尤其是在桩土相互作用方面，国内外学者对此进行了大量研究。总的来说， 可以分为两大方面：一是桩土界面摩擦特性试验方面的研究，二是桩土相互作用 理论方面的研究。 1 2 1 桩土界面摩擦特性的研究 目前，许多学者做过桩土界面摩擦特性的研究，得到了一系列具有参考价值 的结论【3 - l 引。 p o t y o n o d y ( 1 9 6 1 ) 利用应力控制式和应变控制式直剪仪研究了多种土料与建 筑材料接触面的力学特性。通过大量的试验研究，总结出影响接触面摩擦强度的 四个主要因素：土质、含水量、粗糙度及法向应力。 c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 用直剪试验研究土与混凝土接触面的力学特性，认为 接触面剪应力和相对位移成双曲线关系。 d e s a i ( 1 9 7 2 ) 对不同密度的砂样进行砂一混凝土接触面的直剪试验研究，并将 结果用于桩土相互作用有限元分析；d e s a i ( 1 9 9 7 ) 研制了多自由度循环剪切仪 ( c y m d o f ) 来进行土与结构材料接触面的静力学和动力学的个性研究。 b r a n d i ( 1 9 8 5 ) 用大型盒式直剪仪研究了土与混凝土的接触面的力学特性，认 为接触面附近土体的逐渐破坏会对应力位移关系曲线产生影响，指出刚塑性模式 可能是最真实的接触面破坏模式。 u e s u g i ( 19 8 8 ) 用矩形断面单剪仪进行静力和循环荷载作用下砂和钢材接触面 的力学特性。 殷宗泽( 19 9 4 ) 通过埋设在混凝土试样中的微型“望远镜”装置直接观测了直 剪试样中土与结构材料相对位移沿接触面的分布，提出接触面刚塑性变形的观 点。 e v g i n 和f a k h a r i a n ( 1 9 9 6 ) 发展了一种循环三维接触面单剪仪( c 3 d s s i ) 进行了 第一章绪论 土与钢材接触面的二维和三维试验研究。 陈银( 1 9 9 8 ) 在对摩擦桩基桩土间极限摩阻力取值问题探讨中，通过对广珠 东线高速公路横沥大桥的试桩及土体的工程地质条件分析，总结出影响摩擦桩基 桩土间极限摩阻力取值的一般问题以及解决问题的方法和措施。 张明义和邓安福( 2 0 0 2 ) 通过在改进的试验仪器上进行的室内试验，研究了 桩土滑动摩阻力在粘性土中具有明显的时效性，滑动摩阻力随时问呈双曲线状 增长，与桩的承载力增长曲线相吻合。这为静压桩沉桩过程的数值模拟和承载力 分析打下了基础。 许宏发和吴华杰( 2 0 0 2 ) 在分析了1 0 组土一结构( 钢、混凝土) 剪切摩擦试 验结果后认为：摩擦系数与土的特性密切相关，其大小随着土强度的增大而增大； 摩擦系数与接触面的粗糙程度有关，一般钢的表面光滑度比混凝土高，因此土与 钢的接触摩擦系数比土与混凝土的接触摩擦系数小，随着土强度的增高，它们的 差值也越大；其中钢与粘土的摩擦系数在0 2 8 2 左右，与亚粘土的在0 2 9 9 左右， 与粉质亚粘土的在0 4 9 2 左右，与中密砂的在0 3 6 5 左右，与密实砂的在0 4 9 4 左右。 元宾和佴磊( 2 0 0 4 ) 通过室内中型剪切摩擦试验确定桩与地层间的c 、9 值， 依据莫尔一库仑准则确定桩侧摩阻力。桩侧法向应力采用桩土上部荷载引起的作 用于桩身的侧向应力。桩端承载力通过室内三轴试验确定，两者之和即为单桩承 载力。 钟闻华( 2 0 0 5 ) 为了研究桩土接触面的物理力学特性，进行了室内混凝土与 粉土接触面的模型剪切试验。不同含水量土样的剪切试验显示，含水量对桩土界 面的力学特性影响很大。随着含水量的增加，桩土接触面上摩阻力先增加，然后 又减少，即存在一个最优含水量，此时桩土界面的摩擦力为最大；小变形情况下 的剪切试验结果表明：在剪切初试阶段，桩土界面的剪切模量较大，随着剪切位 移的增大，剪切模量相应减少。 冷曦晨( 2 0 0 5 ) 通过对桩基承载力模拟试验中相似性问题的研究，重点探讨 了试验与工程桩所处环境的相似性，剪切摩擦试验与工程桩桩侧摩阻力的相似性 以及三轴试验与桩端承载力的相似性等三个主要的相似问题。研究表明对于模拟 试验中桩侧摩阻力的试验，应采用原状样，并保持应力与工程应力状态一致。对 于端承力则应采用原状样，但将围压按几何相似常数缩小，并将端承力试验结果 按该相似常数扩大以作为实际工程桩的端承力。 第一章绪论 1 2 2 桩土相互作用理论的研究 在对桩土相互作用的理论研究中，各国的学者提出了许多方法，其中主要有： 弹性理论法、荷载传递法、混合法、有限单元法、边界元法等【l 】 7 i o - 2 1 。 ( 1 ) 弹性理论法是在1 9 6 3 年由d a p p o l o n i a 和r o m u a l d i 应用m i n d l i n 公式推导 了单桩沉降计算方法后提出的。随后这一方法被许多学者进一步推广发展，其中 p o l o u sa n dd a v i s ( 1 9 8 0 ) 作为集大成者，对基于弹性力学理论桩基沉降分析方法进 行了全面、系统的总结，成为后来进一步研究的基础。 弹性理论法是比较完善的桩基础沉降计算方法，它是采用弹性半空间体内部 荷载作用下的m i n d l i n 解计算土体位移，并采用桩体位移和土体位移的相容条件 建立静力平衡方程，以此求得桩体位移和桩侧应力分布。但是，弹性理论法是把 土体看作均匀、连续、各向同性、具有弹性模量和泊松比，桩侧完全粗糙，桩端 平滑，并认为桩土之间能保持弹性接触和位移协调；在上部结构荷载作用下，认 为桩体与土体的水平方向变形很小，可以忽略不计，而只考虑桩体的竖向变形， 这些都与实际情况有些不符的。 ( 2 ) 荷载传递法首先是由s e e d 和r e e s e 在1 9 5 5 年提出的，其基本概念是把桩 体视作由许多弹性单元组成，每一单元与土体之间( 包括桩尖) 都用非线性弹簧联 系，这些非线性弹簧表示桩侧摩阻力( 或桩尖阻力) 与剪切位移( 或桩端位移) 之间 的关系，通常统称为荷载传递函数或t z 曲线。只要获得桩土之间的这种关系曲 线，就可以求得在竖向荷载作用下桩侧摩阻力和桩身轴力的分布以及桩身各截面 处的位移。 1 9 6 6 年，c o y l e 和r e e s e 首先提出了基于荷载传递原理的迭代求解的变形协调 法。随后，有许多学者运用数值方法和矩阵位移法( 杆件系统的有限单元法) 对荷 载传递法进行了广泛而深入的研究( v e s i c ，1 9 7 0 ；费勤发，1 9 8 1 ；袁建新、钟晓 雄，1 9 9 1 ；张永谋、杨敏，1 9 9 9 ；l e l a n d ，2 0 0 0 ) 。在c o y l ea n dr e e s e ( 1 9 6 6 ) 提出 这一方法时，t z 曲线是通过试验获得的，而后来有学者采用分析的方法确定t z 曲线( k r a f t ，1 9 8 1 ；陈龙珠，1 9 9 4 ) 。 荷载一位移曲线法，可以考虑桩周土体的不同性质，适用于各类土中桩体的 沉降分析。这一方法核心或难点之处在于合理确定不同土层的t z 曲线。目前常 用的t z 曲线模型主要有：线弹性模型、理想弹塑性模型、双折线模型、三折线 软化模型、双曲线模型、抛物线模型和指数模型等，其中应用较为广泛的是双折 线模型。最近，r o j a s ( 1 9 9 9 ) 己将这一弹簧的模拟，由简单的线弹性单元，扩展到 弹性单元、弹性粘性单元和塑性粘性单元三部分串联共同作用，从而有效模拟了 桩身与桩周介质边界上的弹性、塑性和粘性等特征。 4 第一章绪论 t z 曲线较好地解决了对桩周介质非线性特征的模拟。通过对桩身离散的方 法，使得迭代法适用于桩周介质的非均质性特征，即土层成层性。但是，t z 曲 线法存在的最大问题是：一方面，忽略了桩周介质的连续性基本特征；而另一方 面，由于桩身离散单元间没有任何联系，也无法直接建立桩周介质中的应力场和 应变场，因而不适用群桩的沉降分析计算。 ( 3 ) 有鉴于上述两种方法的优缺点，o n e i l ，g h a z z a l y ( 1 9 7 7 ) ，c h o w ( 1 9 8 6 ) 分 别提出采用上述两种方法综合分析的新思路，既混合法：就单桩而言，采用荷载 传递法进行分析，这样可以考虑土的分层特性和非线性问题；在进行桩一桩、桩 一土和土一土相互作用分析时，则采用弹性理论法，这样就解决了群桩的分析问 题。 ( 4 ) 。有限单元法则是一类功能比较强劲的分析方法，可以比较方便地考虑 土体的各向异性和分层特性，能够模拟土体中的真实应力应变关系、桩土滑移和 固结效应。但是，其繁琐程度是相当高的，对于计算机的容量也要求极高。目前 要解决工程应用这一问题需要走的道路还很漫长。 ( 5 ) 而边界元法则相应地要比有限元法计算量小，它只需对桩土界面进行 离散，在接触面用荷载传递函数或弹性理论模拟土体的性状，建立桩土之间的荷 载平衡和位移协调关系。但是，边界元法难以处理土体的各向异性，且需要对解 析点进行双重积分，其难度还是较大的。 1 3 目前存在的问题 目前，在研究桩土界面摩擦特性方面主要存在以下几方面的问题 2 2 2 4 】： ( 1 ) 试验仪器问题。目前还没有研制出标准的试验仪器，由于仪器的尺寸受 到限制，加之量测的误差，导致试验结果多不准确。 ( 2 ) 影响桩土界面摩擦特性的因素太多，十分复杂。目前，很多试验都是在 实验室内进行，填料也是事先设计好的，这就存在一个问题，即如何选择填料， 使试验中的桩土界面能够模拟实际工程中的桩土界面特性，否则，做出来的试验 结果适用性不大。 ， ( 3 ) 缺乏系统和全面的桩土界面摩擦特性试验。目前，虽然很多人做过这方 面的试验，但都是针对某一个具体方面的研究，没有对试验各个影响因素或试验 元素进行全面系统的试验研究，导致在实际工程中往往缺乏相关的试验数据作为 设计依据。 ( 4 ) 理论分析与试验研究相对工程实际明显滞后。到目前为止，对于桩土相 第一章绪论 互作用的机理还不十分清楚，主要是缺乏试验验证，这就导致在实际工程中缺乏 理论指导，有时候往往是凭经验或者并不可靠的数据来进行设计和施工，这也给 实际工程带来安全隐患。 ( 5 ) 由于桩周介质的复杂性，在周围介质与桩体接触面之间的作用特性还有 待于进一步的研究。但是，到目前为止，只有原位静载荷试验确定的桩土相互作 用特性，可以达到结构设计要求的精度和可靠性，并可直接应用于工程设计。而 其它的分析计算方法和试验方法所得到的桩承载力，可靠性水平相对偏低，直接 用于工程设计，可能过于保守或者又可能不够安全。 1 4 今后的发展方向 针对以上问题，可从以下几方面努力【2 2 。2 s l ： ( 1 ) 桩土界面摩擦特性试验的目的是研究桩体与土体的界面性质，必须准确 记录试验中所施加的压力、拉力以及桩体与土体的相对位移，毕竟试验仪器决定 了试验结果的可靠性，因此试验的测试系统至关重要，研制出标准化及科学化的 桩土界面摩擦特性试验仪器已迫在眉睫，它也是桩土界面摩擦特性试验研究的热 点和发展趋势。 ( 2 ) 应制定相应的试验规程。目前的试验规程过于简单化，新的试验规程应 包括仪器设备、桩体材料、填料性质、试验方法及试验结果的记录与分析等内容。 ( 3 ) 应进行多种工况下的桩土界面摩擦特性试验研究，研究不同材料桩体在 各种不同性质填料中的界面特性。弄清楚各种因素的影响范围、程度及机理，将 试验结果进行整理，使其规范化，并编制成册，供设计和施工人员参考。 ( 4 ) 应将理论研究与工程实际紧密联系起来，在条件许可情况下，可以进行 现场原位试验，从而得到更符合实际的可靠数据来有效地指导施工。 ( 5 ) 通过大量的实测研究发现，人们已经注意到桩土界面摩擦特性随着桩体 深度的不同而发生很大变化。然而，如何通过室内试验对此加以验证，是当前桩 土界面摩擦特性研究急待解决的难题。 ( 6 ) 此外，对柔性边界条件的模拟也越来越受到关注。初期研制的绝大多数 试验仪器，桩体是在试验箱刚性前壁端零位移条件下被拔出，然而在现实的桩周 围的土体并非刚性边界条件。考虑到实际工程中这种柔性边界条件，有些学者在 箱体前壁加上一个气囊作为柔性支撑，可以更好地模拟现场实际，且发现其测试 结果也与刚性边界条件有一定的差异。但是这些都是初步研究，具体影响程度和 作用机理还有待于更深入地研究。 6 第一章绪论 1 5 本文研究的思路和内容 1 5 1 本文研究的思路 由实际工程的需要出发，收集、整理和分析了大量国内外学者对本课题研究 的学术资料，在对他们所使用的试验设备调研之后，使用本实验室经过改进后的 非常先进的试验设备，通过模拟桩土界面之间的剪切摩擦过程，研究分析桩土界 面之间的摩擦特性；再由试验研究的结果，推导实际工程中桩侧极限摩阻力沿桩 身的分布规律等，为最终研究桩基的承载力和沉降等做出重要的准备工作。 1 5 2 本文研究的内容 鉴于目前对桩土界面摩擦特性研究已经取得的成果和存在的不足，尤其是在 对粉土的理论分析和试验研究相对工程实际明显滞后的情况下，考虑到实际工程 中的需要，为了能够很好地指导实际工程的设计与施工，并为今后进一步的理论 分析提供可靠的试验依据，本文进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 新型的、先进的试验设备桩土界面摩擦特性试验机的研制。在实 验室原有仪器的基础上，结合国内外其他学者的研究方法，重点是对试验方案的 选择和试验箱的研制。 ( 2 ) 探寻桩周土体的含水量对桩土界面之间的摩擦角和粘聚力的影响。通 过对试验用土在5 种不同含水量条件下的试验结果的整理，从桩土界面之间的摩 擦角和粘聚力的角度，分析了桩土界面之间的摩擦角和粘聚力随土的含水率变化 的规律性。 ( 3 ) 探寻桩周土体的含水量对桩土界面之间的摩擦系数的影响规律。通过 对试验用土在5 种不同含水量条件下的试验结果的整理，从桩土界面之间的摩擦 系数的角度，分析了桩土界面之间的摩擦系数与含水率间的变化规律。 ( 4 ) 探寻桩土界面之间摩擦力最大时所对应的含水量的变化范围。通过对 试验用土在5 种不同含水量条件下的试验结果的整理，比较了桩土界面之间的摩 擦系数在4 种不同垂直压力下随含水量的变化趋势，分析了本试验用土存在一个 特征含水量，在达到特征含水率时，桩土的摩擦系数达到最大值。根据试验结果， 本文给出了特征含水量的变化范围。 ( 5 ) 探寻桩体的拉拔速度对桩土界面之间的摩擦角和粘聚力的影响。通过 试验用土在3 种不同拉拔速度条件下的试验结果，从桩土界面之间的摩擦角和粘 第一章绪论 聚力的角度，分析了拉拔速度的变化对摩擦角和粘聚力的影响规律。 ( 6 ) 探寻桩体的拉拔速度对桩土界面之间的摩擦系数的影响规律。试验用 土在3 种不同拉拔速度条件下的试验结果的整理，从桩土界面之间的摩擦系数的 角度，分析了拉拔速度的变化对桩土界面之间的摩擦系数的影响规律。 ( 7 ) 探寻试验所施加的垂直压力对桩土界面之间的摩擦系数的影响规律。 试验用土在5 种不同含水量和3 种不同拉拔速度条件下的试验结果的整理，分析了 垂直压力的变化对桩土界面之间的摩擦系数的影响规律。 ( 8 ) 推导桩土界面之间摩擦系数与桩体计算深度的关系曲线。根据静止土 压力原理，通过桩侧土压力与桩体计算深度之间的关系，推导出桩土界面间的摩 擦系数与桩体计算深度的关系曲线。 ( 9 ) 推导桩土界面之间极限摩阻力与桩体深度的关系曲线。根据静止土压 力原理，通过桩侧土压力与桩体计算深度之间的关系，推导出桩土界面间的极限 摩阻力与桩体计算深度的关系曲线。 第二章桩土界面摩擦特性试验设备的研制 第二章桩土界面摩擦特性试验设备的研制 2 1 试验设备调研 由于桩土界面摩擦特性试验是土与结构物相互作用研究的新课题新方向，所 以这方面的试验研究和应用研究一直没有形成较为统一的国际国内规范，国内外 的科研单位设备都是根据自身的试验要求，自行设计加工的。这也就导致试验设 备的多样性，且各设备的性能也高低不等。由于没有统一的规范，所以至今国内 外没有一个土工仪器厂生产过这种类型的设备。 2 1 1 试验设备的分类 根据本次试验的要求及设备的研制计划，首先对国内各科研单位的室内试验 设备进行了调研。经过调研发现现有试验设备种类繁多形式各样，总的来说可以 有如下两种形式的分类2 5 1 ： ( 1 ) 从试验的类型上分，可以分为直剪( 摩擦) 试验和拉拔试验两种： ( 2 ) 从加荷方式上划分，有应变式控制和应力式控制两种。 2 1 2 各种试验设备的主要特点 无论是应变式控制和应力式控制，现有的试验设备都比较简陋，都存在着这 样或那样的缺点与不足 2 2 】【2 6 】。 ( 1 ) 应力式设备都比较简陋，存在以下主要缺点： 设备自身的强度不够。试验台一般为木制的，箱体材料也多为木质，强 度不能满足试验的要求，在试验过程中箱体容易发生变形破坏。 数据采集的精度不高。数据完全由人工记录，采集的频率不够，实验过 程中不能进行实时监控数据的变化，各种量测精度较小，为以后数据的处理带来 麻烦。 设备整体的自动化程度较低。设备不能自动调节上覆压力，上覆压力的 稳压装置不理想，造成试验过程中上覆压力不稳定。水平加荷也只能人工通过砝 9 第二章桩土界面摩擦特性试验设备的研制 码逐级施加，对试验过程的控制很不方便。 ( 2 ) 对于国内外大多数科研单位所采用的应变式设备而言，绝大多数单位的 设备也都比较简陋，普遍存在上面提到的应力式设备的缺点，但也有个别单位投 入了不少人力物力，制造出的设备与同类设备比还是相当先进的，不过它们多不 是纯粹的界面摩擦特性试验设备，针对性不够强，多数存在如下缺陷： 试验台制造的较简陋，首先整体框架的强度不能满足试验要求，多是用 普通角钢由螺母连接的方式，试验过程中由于加荷产生变形太大，荷载不稳定， 使试验结果不准确。 水平加荷装置，采用的是手动的液压千斤顶，前面项上一个拉压传感器。 手动液压千斤项，使水平荷载施加速率难以保持匀速。 水平加荷架采用的矩形加荷架，没有导向装置，而且加荷点还采用的是 一点施加，不符合力学稳定原理，很容易把力加偏，使所测桩体受力不均匀，将 会对试验结果的可靠性产生很大影响。 垂直加荷设备是采用液压千斤顶配传感器加压的方法，由于土体受压后 压缩量比较大，如果液压千斤顶不能自动补压，那样加的垂直压力就会很快下降， 由于液压设备不能保压，还要靠人为观察传感器值，来手动补压。造成压力波动 较大，不能满足试验要求。 设备最缺乏的也是先进设备最应具备的，就是自动化控制方面几乎没有， 一个试验最少要4 5 个人才能作，加荷及数据采集根本不能实现自动化采集。 以上是此类试验设备的主要不足，这将会使试验结果产生较大偏差。 2 2 自制试验设备的简介 目前实验室的这台界面摩擦试验机，是在充分考虑国内外各科研单位现有设 备特点的基础上，于2 0 0 4 年由导师和师兄们经过精心改进自行设计而成的。下面 是对该仪器的简单介绍 2 2 】【2 7 1 。 2 2 1 主要组成部分 界面摩擦特性试验机的整体图如4 2 1 所示： 1 0 镕= 桩界面摩捧特性试验设备的日制 1 试验平台架： 图2 1 界面摩擦试验机 本试验平台架的长为23 7 m ，高为l _ 1 3 m ，宽为0 4 4 m 试验平台架是由厚度为0 0 5 m f 拘槽型钢焊接而成，能承受1 0 吨重的垂直荷 载，5 吨重的水平荷载，能保证在极限荷载下稳定不变形。 试验台面是由厚度为01 2 m 的钢板制成，其高度为05 0 m ，方便试验箱的抬 动。 2 垂直加荷系统 垂直系统是由液压装置配传感器组成的，此系统的压力范围为0 5 吨，能自 动调节垂直压力整个试验过程中能保持恒压不变，并且能精确测量垂直荷载的 数值。 此系统包括： 液压装置，包括比例闻、液压包、变送器、控制箱、蓄能器、液压表； 高精度推力传感器( 包括数字显示仪表) 。 3 水平加荷系统； 此系统能以01 2 0 m m m i n 的速度匀速推行加荷架，推力范围0 5 吨可自 动调节，并且能自动化采集数据，精确测出水平力( 即拉拔力) 的大小。 * = 桩畀目镕撩特性试h 设备的研制 此系统包括如下装置： 液压装置，包括比例阀、液压包、液压缸： 变频调速器及变频电机、控制箱； 高精度的推力传感器( 包括数字显示仪表、带有标准通讯r s 4 8 5 接r l - - m o d b u s 协议或其它通用公控协议) ； 高精度的位移传感器( 包括数字显示仪表、带有标准通讯r s 4 8 5 接口 - - m o d b u s 协议或其它通用公控协议) 。 4 控制部分 在控制部分，为本台试验机专门设计了一个电气柜，电气柜内配有三块传感 器的数据显示、采集仪表，一个变频器，可达到水平方向加荷变速度匀速拉拔。 还有就是电源控制开关及一些显示灯。电气柜的图如图2 2 所示： 曩圜 5 数据采集系统 图2 2 电气控制柜 ( 1 ) 厦件系统 根据拉拔试验机的研制方案，此设各的采集系统是利用计算机自动采集数 据，为此，本试验配套硬件设备有： 一台性能优越的计算机，p 以上配置，w i n d o w s x p 操作系统： 雩瞢 第二章桩土界面摩擦特性试验设备的研制 三块高精度的显示采集仪表： 一块支持多串口的数据采集卡； 三个串行接口( 9 针或9 孔) ，以及三根串口采集数据线。 ( 2 ) 软件系统 本试验开始采用了共享的通用工业软件，串口调试助手之类的串口采集软 件，采集控制柜上仪表发送过来的数据。经过试用，发现这种共享的软件不能达 到我们的要求，串口调试助手有的一次只能采集一个仪表，而且多数这样的免费 软件还不能以1 0 进制显示及保存，对数据的后处理带了很大的麻烦，还有的就是 不能按照试验要求设定采集数据的时间间隔，此类软件把仪表发送过来的所有数 据都保存下来，数据采集量太大，给数据处理带来不便，还有个缺点就是不能显 示采集的曲线，对试验过程的控制比较差，试验过程中，看不了数据之间的关系 曲线，不能及时发现此试验的数据是否可靠。 由于现有的采集软件都不能达到本次试验的要求，本试验采用自主开发一个 适合本台试验机的独立的程序。本软件具备如下的特点： 能够同时采集3 块仪表的读数； 界面友好，操作方便； 可以显示每个仪表采集下来的读数，并且可以分别保存； 可以同步绘制数据曲线图。 本台试验机的采集软件使用了v i s u a lb a s i c6 0 编程调试软件和o f f i c e 2 0 0 0 办公软件进行编写。v i s u a lb a s i c6 0 是微软公司推出一种采用图形界面，操作更 方便，使用更灵活的高级编程软件，可用于各种软件的开发。v i s u a lb a s i c 利用 可视化技术进行编程，使编程工作变得轻松快捷，摆脱了面向过程语言的许多细 节，而将主要精力集中在解决实际问题和设计友好界面上。因此v i s u a lb a s i c 在国 内外各个领域中应用非常广泛，许多计算机专业和非计算机专业的人员常利用它 来编制开发应用程序和软件。 本程序中主要利用了v i s u a lb a s i c6 0 中的串口采集控件，编写了数据采集程 序，通过v i s u a lb a s i c6 0 良好的界面开发功能编写了本软件的程序运行界面，同 时运用o f f i c e 办公软件中e x c e l 的强大的绘图功能，把程序采集过来的数据绘成图 表显示出来。 本程序的流程图如图2 3 所示： 第二章桩土界面摩擦特性试验设备的研制 开始 图2 3 程序流程图 1 4 镕= 桩界摩擦特性试验t 鲁的研制 本采集软件具体功能完全满足试验的要求。下面简要的介绍一下本采集程序 的使用说明。双击打开本程序，出现友好的采集界面，如图2 _ 4 所示： 拉嚷试验机数据采集 琶! 望堕! 竺) ! i j i 叵 ! ! ! ! ! ! ! j i 竺! f! 竺：! l! ! 亦平拉力( i t 馐l 二】 兰竺竺型 一 图2 4 数据采集窗口 先点击串口设置，初始化串口设置，然后设置采样的时间间隔，点击“开始 接收”按钮，就开始采集仪表上的数据，三个对话框分别显示三块仪表的数，点 击显示曲线，就会打开e x c e l 把采集的三块仪表的数据打印到e x c e l 上，并画出关 系曲线，采集数据的关系曲线如图2 5 所示： = i # * 操# # 验* 臼勺研“ i 霉鬻登鐾登墨量茎琴二互j ! 了亘至甄j ：卷 童竺竺! ! ! ! 二 图2 5 采集数据的图形显示 试验结束时，单音关闭串口”按钮，停止采集数据，然后，先分别保存对话 框中的数据，接着保存e x c e l 文件，此文件保存时候必须改写文件名，以免覆盖 原文件。本程序保存数据分两个部分，一部分是对话框中显示的文本格式的数据， 可以分类单独保存，还有一部分就是e x c d 中的所有数据一起保存的，其实数据 内容都是一样的，只是避免出现数据丢失的意外，做了个数据备份。 此软件不光可以自动采集数据，而且，可以把采集下来的数据自动画出关系 曲线可以实现自动化处理数据，减少后处理的工作量。 2 2 2 主要特点 本界面摩擦特性试验机的主要特点是： ( 1 ) 此界面摩擦特性试验机既能用来做直剪试验，又能用来做拉拔试验， 在试验方法的选取上更具有灵活性。 ( 2 ) 结构合理，能保证在极限荷载作用下稳定不变形，而且尺寸不丈，放 在实验室内还留有足够的操作空间。 ( 3 ) 能进行实时监控数据的变化，数据采集的精度较高。 ( 4 ) 可施加和测量较大的荷载( 水平拉力为5 吨与垂直压力为1 0 吨1 和相对 i；v u 1 f；0 ；iiii嚣黜嚣。嚣鳖 皿旧懂旧一恒旧随腼脯 第二章桩土界面摩擦特性试验设各的研制 位移。 ( 5 ) 试验加载方式与测量手段均实现了自动化，整个试验由个人就能操 作完成，所以设备整体的自动化程度较高，可用于科学研究，其成果具有较强的 说服力。 2 3 试验方法的选择和试验箱的研制 2 3 1 试验方法的制订 在工程应用中，桩土界面摩擦特性般通过室内直剪试验、拉拔试验或现场 足尺试验等方法确定。就试验方法的优劣而言，直剪试验与拉拔试验并没有太大 区别。本次试验最初制定的是采用直剪试验的方案，试验箱的装置如下图2 6 所 示： 图2 - 6 直剪试验箱的装置图 但是，经试验发现，采用直剪试验存在以下缺点： ( 1 ) 当垂直压力较大时，推动下盒会使下盒与滚珠之间存在较大的摩擦力， 而且垂直压力越大这种摩擦力就会越大，这样所测得的桩土界面之间的摩擦力偏 大，从而试验结果就会存在较大的误差。 ( 2 ) 试验过程中，如果上盒与钢板接触紧密的话，会使上盒与钢板之间也 存在较大的摩擦力，这同样会使所测得的桩土界面之间的摩擦力偏大，而存在较 大的误差。 ( 3 ) 如果上盒与钢板接触不紧密的话，剪切过程中不但会使不少土颗粒沿 第二章桩土界面摩擦特性试验设备的研制 缝隙被挤出，而且也会流失大量的水，无法保证剪切过程中土体的含水量的保持 不变。 通过以上的试验分析可以看出，本次试验不能选用直剪试验，需要对初选的 试验方法加以修订。 2 3 2 试验方法的修订 由于采用直剪试验时试验箱存在以上缺点，所以本次试验方案选用拉拔试 验。参照吴景海的博士论文 2 8 】中的拉拔试验装置，本次试验拉拔试验箱最初的 设计如下图2 7 所示： 垂直压力 图2 7 拉拔试验箱的装置图 但是，经过进一步的试验发现，采用这种拉拔试验装置也存在一些不足之处： 由于试验箱是一端开口，在拉拔的过程中，随着钢板与土体之间的相对位移的增 大，钢板在土体中的埋设面积就会不断减小，这样不但作用在钢板上的摩擦力会 不断变化而且其所受的水平拉力也很难出现稳定值，不便于后面对试验数据的处 理和分析，为研究工作带来很大的麻烦，所以该拉拔试验装置需要做进一步地改 进。 2 3 3 试验箱的改进 从上面的分析中可知，拉拔试验箱如果一端开口的话