砂性土与水泥浆体剪切特性试验研究毕业论文

学号： 09447308
常州大学
毕业设计（论文）
（2013届）
题目砂性土与水泥浆体剪切特性试验研究
学生王莹
学院怀德学院专业班级土木091
校指导教师夏雄专业技术职务副教授
校外指导老师蔡云专业技术职务总工程师
二○一三年六月
砂性土与水泥浆体剪切特性试验研究
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。

桩-土接触面力学特性的研究是解决桩-土相互作用问题的前提,尤其对于摩擦型桩而言,桩-土接触面问题直接影响到桩基的承载力。

本文针对土层特点，考虑桩体压入砂土的力学特性，开展了三种不同水灰比和密实度的砂土与混凝土桩接触面室单剪试验，每组试验考虑5个法向应力。

试验结果表明，砂土与桩接触面的力学行为随砂土的密实度和水灰比呈现明显相关性。

在砂土密实度一定时，接触面的抗剪强度，摩擦角、随混凝土试样水灰比的增大非线性单调减小，粘聚力单调减大。

在水灰比一定时，接触面的抗剪强度，摩擦角、随砂土密实度的增大非线性单调增大，粘聚力单调减小。

法向应力较小时密实度对接触面应力应变曲线的初始段影响不大。

试验结果可供相关工程数值分析参考。

关键词：接触面；剪切特性；试验研究；砂土；水泥浆
Study of shear properties of sand -cement slurry interface by shear experimental study
Abstract：The pile is all important foundation form，and it is extensively used in railways，roads，bridges，ports and high一rise buildings．The interface mechanical properties between pile and soil are the prerequisite for the pile-soil interaction problem.According to the properties of Changzhou region, considering the mechanical properties of body is pressed into the sand,experiments by using laboratory shear tests are performed on sand concrete interfaces with three kinds of sand density，where five normal stresses are taken into account in each sand density in this paper.The experimental data show that density of sand and water cement ratio play an important role in mechanism behavior of pile—soil interface．While density of sand is fixed，,with higher water cement ratio ,shearing strength, friction angle of the interface all decrease monotonously and nonlinearly,but cohesion force of the interface increase．While water cement ratio is fixed，with higher density of sand,shearing strength, friction angle of the interface all decrease monotonously and nonlinearly,but cohesion force of the interface increase．The initial piece of stress—strain curve of interfabe is not sensitive to density of sand. This experimentaI results put the good foundation for relative engineering numerical simulation．
Key words：interface, shear properties , experimental study ,
sand , cement slurry ,
摘要 (Ⅰ)
目次 (II)
1 绪论 (1)
1.1 接触面特性 (1)
1.2 剪切理论 (1)
1.3 国外研究现状 (2)
1.4研究容 (3)
2试验设计 (3)
2.1试验方案 (3)
2.2研究目标 (3)
2.3试样制备 (4)
2.4试验步骤与注意事项 (6)
3试验结果与分析 (7)
3.1水灰比变化影响规律 (7)
3.2砂土密实度影响规律 (13)
4结论 (19)
参考文献 (21)
致 (22)
附录A (23)
1绪论
随着桩基础在实际工程中的应用越来越广泛，人们对桩基础的研究和认识也在不断加深。

对于摩擦型桩而言，桩基础在承受上部荷载作用时，桩侧摩阻力的发挥是通过桩一土接触面实现的。

由于桩体的材料性质与桩周土体性质相差很大，桩体和土体的变形不一致，这就使得桩一土接触面上形成了较大的法向、切向应力以与桩土相对位移，从而导致桩一土接触面上产生错动、滑移或者开裂等非连续变形现象，由此可见，桩一土接触面问题涉与到非线性、大变形、局部不连续等前沿课题。

1.1接触面特性
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。

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模拟(模型)试验法。

由于桩侧表面并非完全光滑，而是具有一定的表面粗糙度，所以，在荷载作用下桩一土产生相对位移时，桩一土问就存在着一定的咬合力；而对于钻孔灌注桩而言，由于在施工过程中采用了泥浆护壁，成桩后桩一土间存在着一定厚度的泥皮，这些因素都对桩侧摩阻力的发挥有着重要的影响。

因此，研究接触界面的特性对桩一土接触面力学特性的研究有着重要的意义。

桩一土接触面在剪切过程中表现出了明显的体积变化，当在法向应力较低情况下表现出了剪胀性，当法向应力较高时表现出了剪缩性，这将对桩一土接触面的受力变形结果产生了重要的影响。

因此，有必要对其进行进一步的研究。

1.2剪切理论
砂土属于无粘性土,无粘性土的密实度对其工程性质有重要的影响。

当其处于密实状态时,结构较稳定,压缩性较小,强度较大可作为建筑物的良好地基;而处于疏松状态时(特别对细、粉砂来说) ,稳定性差、压缩性大、强度偏低,属于软弱土。

在对砂土进行评价时,必须说明它们所处的密实程度。

在非饱和状态下土中含水量的增加一方面将引起容重增大，从而引起压缩变形；另一方面将引起基质吸力的下降，从而引起土变形的回弹。

非饱和土的最终变形表现为膨胀还是沉降取决于上述变形的综合效应。

根据广义Hook定律，Fredfund的双应力状态变量，以与基质吸力与饱和度的关系理论，利用增量原理建立了K0状态下非饱和土的变形关系表达式，利用这一模型可以计算非饱和土含水量变化时的变形问题。

研究表明：非饱和土的变形特性取决于土的性质，土中吸力变化前后的分布，所考虑土层的厚度以与应力状态等。

1.3国外研究现状
近几十年来，桩一土接触界面问题引起了国外的广泛关注，众多学者对此问题进行。

了深入地研究。

桩一土接触面试验研究是接触面力学特性研究的基础。

通过接触面试验研究可以提出一定的接触面本构模型并且对其合理性进行验证。

目前，桩一土接触面的试验研究是对土体与模拟桩体的各种材料(包括钢板，混凝土等)进行各种接触面剪切试验。

早在1961年Potyonty 利用应力控制式和应变控制式直剪仪研究了多种土与混凝土接触面的力学特性，总结出了影响界面摩擦强度的四个主要因素：土质、含水率、界面粗糙度和正应力。

Desai和Holloway则对不同密度的砂样进行了砂与混凝土接触面的直剪试验，试验结果用于有限元分析计算，预测桩土变形。

Clough和Duncan(1971)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。

Desai(1972)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；Desai(1997)研制了多自由度循环剪切仪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。

Brandi(1985)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。

银(1998)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与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与解决问题的方法和措施。

明义和邓安福(2002)通过在改进的试验仪器上进行的室试验，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。

元宾和佴磊(2004)通过室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。

桩端承载力通过室三轴试验确定，两者之和即为单桩承载力。

钟闻华(2005)为了研究桩土接触面的物理力学特性，进行了室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(2005)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与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。

1.4研究容
市位于南中部长江三角平原与太湖冲积湖积平原区，近几年来建设工程中广泛采用空心管桩基础形式。

实际工程中，土体经常是非饱和的且饱和度随结构运行工况不断变化，主要表现为土体含水量的变化。

考虑砂土的密实度变化，进行砂土与水泥浆体接触面的单剪试验是十分必要的。

接触面强度指标概率特征参数的确定是岩土工程可靠度分析的基础，也是确定地基基础设计分项系数的主要技术参数之一，因此，掌握砂土与水泥浆体接触面剪切特性，并对其力学机理进行研究，既有理论价值，又有实际工程意义。

2试验设计
2.1试验方案
本文通过针对市典型砂土，完成3组不同密实度条件下砂土与4种水灰比变化的水泥浆体接触面室直剪试验，每组采用3个平行样，每组试验考虑5个法向应力，详细研究SMW工法桩一砂土接触面的抗剪强度、摩擦角、粘聚力变化的规律，并对其力学机理进行了讨论。

2.2研究目标
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。

接触面强度指标概率特征参数的确定是岩土工程可靠度分析的基础，也是确定地基基础设计分项系数的主要技术参数之一，因此，研究桩土接触面剪切规律，掌握砂土与水泥浆体接触面剪切特性，并对其力学机理进行研究，既有明显的工程实际意义和理论探索价值。

本试验采用应变控制式直剪仪（图2.2），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剪切特性；再由试验研究的结果，推导实际工程中提高桩基础承载力，研究桩基的承载力和沉降等做出重要的准备工作。

图2.2：应变控制式直剪仪
2.3试样的制备
土样取自大学东区新建实验楼开挖土方，经烘干，0.074mm细筛。

(图2.3.1)由于实际工程中，砂性土为砂和土混合，所以参照一定标准分别用0.25mm，0.5mm,1mm纯砂和一定量的粘土分别模拟配置细砂,中砂和粗砂，其含砂率分别为70%,70%,80%。

在制作混凝土块时，考虑到试块尺寸较小，因此试验用混凝土试块制备水泥为普通硅酸盐水泥，石子为2-5mm细石，砂为1mm粒径的砂，按照一定比例配置水灰比为0.4，0.45，0.5，0.55的细石混凝土。

(图2.3.2)为保证其表面有一定的粗糙度符合工程实际，打毛了其表面。

图2.3.1：经烘干筛的土样
图2.3.2：四种不同水灰比的细石混凝土试样
2.4试验步骤与注意事项
（1）用环刀制备体积和质量一定的砂土。

（2）将混凝土试样装入剪切盒的下盒子，使得试样与剪切盒的下盒的表面在一个水平面上，并在下盒的表面抹上一层凡士林。

（3），对准上下剪切盒，插上销钉，将土样放入盒，放上透水石。

（4）试样装好后，转动手轮，使上盒前端与测力计接触。

顺次加上加压盖、钢珠、加压架。

（5）调节好直剪仪的杠杆平衡，百分表调零。

（6）根据试验设计施加垂直压力：50kPa、100kPa、200kPa、300kpa,400 kPa
（7）施加垂直荷载后，立即拔去销钉，将百分表调零，开动秒表，以小于0.02mm/min 的速率剪切土样。

手轮每转一圈，同时测记百分表读数。

（8）.剪切结束后，退去剪切盒垂直压力，取出土样，重新安装第二个试样，进行下一级实验，直至实验结束。

（9）实验结束后，将仪器与取土工具清洗干净，放回原位。

试验时，混凝土试验块放在下面的剪切盒，其下底面通过4个销钉固定于下剪切盒，不考虑表面粗糙度的影响，整个试验中混凝土试验块不更换，但每次试验结束后都要对其表面进行清理。

试验采用应变控制式的直剪仪，平均剪切速率V=0．02mm／min，加载时间控制在2.5 h左右。

砂土与结构接触界面剪切时，分别置于上、下剪切盒，结构表面要预先凿平，严格控制接触界面水平。

装样后待土体法向变形完成后开始剪切，剪切时上盒固定不动、下盒转动，手轮每转动一圈记录百分表的读数。

直到量力环的测微表指针不再前进或有后退，即说明试样已剪损达到4mm。

如测微表指针一直缓慢前进，说明不出现峰值，则破坏以变形控制进行到剪切变形达到6mm时为止。

（图2.3.3）
图2.3.3:试样剪损
3试验结果与分析
分别对细砂，中砂，粗砂等3个不同密实度的砂土与混凝土接触面试样组进行单剪试验，每组包括法向应力为50kPa、100 kPa、200 kPa、300kPa、400 kPa共5个试样。

不同法向应力下，三种密实度不同的砂土，剪应力随时间变化关系绘于图1～图12。

不同法向应力下，三种密实度不同的砂土与桩接触面库仑定律关系绘于图13～图24 。

3.1水灰比影响,分W/C=0.4、0.45、0.5、0.55四种
图1：不同法向应力下，水灰比为0.4，密度为1.48g/cm3的细砂，剪应力随时间变化关系图2：不同法向应力下，水灰比为0.4，密度为1.56g/cm3的中砂，剪应力随时间变化关系
图3：不同法向应力下，水灰比为0.4，密度为1.68g/cm3的粗砂，剪应力随时间变化关系图4：不同法向应力下，水灰比为0.45，密度为1.48g/cm3的细砂，剪应力随时间变化关系
图5：不同法向应力下，水灰比为0.45，密度为1.56g/cm3的中砂，剪应力随时间变化关系图6：不同法向应力下，水灰比为0.45，密度为1.68g/cm3的粗砂，剪应力随时间变化关系
图7：不同法向应力下，水灰比为0.5，密度为1.48g/cm3的细砂，剪应力随时间变化关系图8：不同法向应力下，水灰比为0.5，密度为1.56g/cm3的中砂，剪应力随时间变化关系
图9：不同法向应力下，水灰比为0.5，密度为1.68g/cm3的粗砂，剪应力随时间变化关系图10：不同法向应力下，水灰比为0.55，密度为1.48g/cm3细砂，剪应力随时间变化关系
图11：不同法向应力下，水灰比为0.55，密度为1.56g/cm3中砂，剪应力随时间变化关系图12：不同法向应力下，水灰比为0.55，密度为1.68g/cm3粗砂，剪应力随时间变化关系
图1至图12表明：在50kpa,100kpa,200kpa,300kpa,400ka五个法向应力下，随着试验时间增加，大约在100min的时候，剪应力达到一个峰值，随后剪应力呈下降趋势，直到最后试样剪损，剪应力趋于一个不变值。

当法向应力为50kpa时，无论何种密实度的砂，剪应力变化趋势都不明显，且比较接近。

比较细砂，中砂，粗砂这三种密实度不一样的土样在施加一样法向应力的情况下，粗砂的剪应力变化情况最明显，中砂次之，细砂变化情况最不明显。

比较0.4,0.45.0.5,0.55这四种水灰比不同的混凝土试块，水灰比为0.4试块的接触面与土样的剪应力的峰值明显大于水灰比为0.55试块的接触面与土样的剪应力的峰值，谷值情况也一样。

因此得出结论：水灰比一定的情况下，三种砂土的抗剪强度随着法向应力的增大而非线性增大。

在在密实度，法向应力一定的情况下，随着水灰比的增大，接触面的抗剪强度非线性减小。

在水灰比，法向应力一定时，随着密实度的增大，接触面的抗剪强度非线性增大。

3.2砂土密实度影响规律
图13：不同法向应力下，密度为1.48g/cm3的细砂与水灰比为0.4桩接触面库仑定律关系
摩擦角为23.4°，粘聚力为0.531kpa
图14：不同法向应力下，密度为1.56g/cm3的中砂与水灰比为0.4桩接触面库仑定律关系
摩擦角为24.4°，粘聚力为0.561kpa
图15：不同法向应力下，密度为1.68g/cm3的粗砂与水灰比为0.4桩接触面库仑定律关系
摩擦角为30.3°，粘聚力为0.462kpa
图16：不同法向应力下，密度为1.48g/cm3细砂与水灰比为0.45的桩接触面库仑定律关系
摩擦角为22.3°，粘聚力为0.442kpa
图17：不同法向应力下，密度为1.56g/cm3中砂与水灰比为0.45的桩接触面库仑定律关系
摩擦角为23.36°，粘聚力为0.462kpa
图18：不同法向应力下，密度为1.68g/cm3粗砂与水灰比为0.45的桩接触面库仑定律关系
摩擦角为27.6°，粘聚力为0.417kpa
图19：不同法向应力下，密度为1.48g/cm3的细砂与水灰比为0.5桩接触面库仑定律关系
摩擦角为21.5°，粘聚力为0.406kpa
图20：不同法向应力下，密度为1.56g/cm3的中砂与水灰比为0.5桩接触面库仑定律关系
摩擦角为23.1°，粘聚力为0.404kpa
图21：不同法向应力下，密度为1.68g/cm3的粗砂与水灰比为0.5桩接触面库仑定律关系
摩擦角为25°，粘聚力为0.4kpa
图22：不同法向应力下，密度为1.48g/cm3细砂与水灰比为0.55的桩接触面库仑定律关系
摩擦角为21.2°，粘聚力为0.363kpa
图23：不同法向应力下，密度为1.56g/cm3中砂与水灰比为0.55的桩接触面库仑定律关系
摩擦角为21.7°，粘聚力为0.406kpa
图24：不同法向应力下，密度为1.68g/cm3粗砂与水灰比为0.55的桩接触面库仑定律关系
摩擦角为23.4°，粘聚力为0.397kpa
图13至图24是以抗剪强度为纵坐标垂直压力为横坐标绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线,直线的倾角为摩擦角直线在纵坐标上的截距为粘聚力。

由于试验仪器以与试验过程中的误差，实际测得的值与标准值有出入，但是数据都是围绕着某一曲线上下变化，因此图表中采用拟合曲线，比较能够反映出法向应力与剪应力的变化关系。

图13至图15反映出，接触面的摩擦角和粘聚力的变化呈现相反的方向。

当水灰比一定时，随着密实度的增大，接触面的摩擦角增大，粘聚力减小，当密实度不变时，随着水灰比的增大，接触面的摩擦角减小，粘聚力增大。

4结论
本问通过室剪切试验，对不同密实度和不同水灰比的桩一土接触面进行了详细研究。

试验结果表明以下几点。

（1）在单个密实度下，桩一土接触面破坏时仍遵循摩尔一库仑破坏准则。

（2）在水灰比一定的情况下，三种砂土的抗剪强度随着法向应力的增大而非线性增大。

（3）在密实度，法向应力一定的情况，随着水灰比的增大，接触面的抗剪强度非线性减小。

（4）在水灰比，法向应力一定时，随着密实度的增大，接触面的抗剪强度非线性增大。

（5）水灰比一定时，随着密实度的增大，接触面的摩擦角增大，粘聚力减小。

（6）当密实度不变时，随着水灰比的增大，接触面的摩擦角减小，粘聚力增大。

因此，以上的研究结论有利于为实际桩基础工程提供指导，提高软土地基承载力，进
而提高单桩承载力，增加抗震功效。

在实际桩基础工程中选用平均密实度大的土层作为地基基础,另外选用水灰比小的混凝土桩体可以提高接触面的粘聚力，进而提高地基的承载力。

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致
本文是在导师夏雄副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。

在论文期间，夏老师自始至终给予关键性的指导。

他严谨的治学态度、渊博的知识和忘我的敬业精神给我留下了深刻的印象，将对我今后的人生历程产生重要影响。

除了在学业上，在生活上夏老师也给予了我许多的关怀和帮助，使我能顺利完成学业。

在此，向我尊敬的导师表示深深的意!
感大学土木工程的各位老师，特别是夏雄副教授在我完成学士论文期间，对我的科研工作和论文提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感!在实验室工作与撰写论文期间，得到了老师美娟，同学郭佳佳、宜蒙，王旭、严洋，的帮助与支持，在此向他们表达我的感激之情。

此外，还要感我的父母和朋友，是他们的理解和支持、关心和鼓励，才使我在学校能够专心完成学业。

附录 A
砂性土与水泥浆体的剪切试验研究原始记录表。