钻孔灌注桩浆液扩散几何特征及界面剪切特性研究

【摘要】：钻孔灌注桩在建筑工程、公路工程、铁路工程、海洋工程中应用非常广泛。由于地基土体的多样性、施工工艺及过程的复杂性,桩浇筑后存在浆液扩散等现象,因而桩土接触面形态复杂。目前,桩的承载能力设计方法尚未准确、定量化考虑桩土接触面形态的影响,以至于影响桩的安全性和经济性。为了探究混凝土浆液在砂土中的扩散效应以及扩散后桩土接触面剪切强度特性,本文将开展混凝土-砂土的浆液扩散试验,以及不同混凝土-砂土接触面几何形貌特征的直剪试验研究,主要研究工作和成果如下:(1)通过对比分析现有表面粗糙度评价方法的适用性,研究了隐蔽型桩土接触面的粗糙度评价方法,提出了一种基于灌砂法原理、依托CT扫描技术的接触面粗糙度评定方法。该方法利用桩土接触面凹凸的平均深度来反映浆液扩散的几何特征。(2)应用CT扫描技术研究了不同砂土密实度与混凝土水灰比情况下的混凝土浆液扩散特征。结果表明,砂土相对密实度对混凝土浆液扩散程度的影响较大,随着砂土相对密实度的增加,浆液扩散的平均深度明显减小。随着水灰比的增加,浆液扩散的平均深度也有一定程度的增加。(3)设计制作相同平均深度,不同几何形貌特征的混凝土试块,开展不同几何形貌特征的混凝土-砂土接触面剪切试验,分析法向应力、砂土密实度以及接触面几何形貌特征对接触面剪切特性的影响规律。结果表明,随着法向应力、砂土密实度以及接触面几何形貌特征的不同,接触面剪应力-剪切位移曲线表现出理想弹塑性、应变软化、应变硬化等多种性质。(4)通过开展平均深度相同(粗糙度相同),几何形貌特征不同时的混凝土-砂土接触面剪切试验,分析几何形貌特征对接触面剪切强度的影响规律。结果表明混凝土-砂土接触面的剪切强度相差明显。当混凝土表面形貌为三角形分布时,随着剪切方向坡度的增加(单槽深度不变),接触面抗剪强度增大;对于凹槽型形貌而言,随着凹槽个数的增加(平均深度不变,单槽深度减小),接触面剪切强度增大;单槽形状轴对称且深度相同时,矩形和梯形凹槽的接触面剪切强度最低。(5)通过开展纯砂土、原状(侵入试验得到的混凝土试块)接触面、不同几何形貌特征的接触面以及光滑接触面条件下的混凝土-砂土接触面剪切试验,分析多因素影响下接触面剪切强度变化规律。结果表明纯砂土剪切强度最大,光滑接触面剪切强度最小,原状接触面剪切强度位于锯齿角度为90°和70°的三角形接触面剪切强度之间,以及凹槽个数为13和9的半圆形接触面剪切强度之间。(6)通过开展不同砂土粒径范围与不同凹槽深度(相同粗糙度)的接触面剪切试验,分析粒径范围与凹槽深度变化对混凝土-砂土接触面剪切强度影响规律,研究接触面剪切机理。结果表明粒径越大,单个凹槽深度越浅,接触面的剪切强度越大。这是因为,砂土粒径范围越大,存在凹槽内砂土颗粒与上部砂土颗粒之间的机械咬合力越大,砂土颗粒与凹槽边缘的剪切抗力越大,剪切过程以剪切错动、爬坡翻滚为主;随粒径的减小与单槽深度的增加,接触面以砂土与接触面的滑动摩擦、剪切错动为主,机械咬合力相对较小。总之,论文通过室内模型试验研究了钻孔灌注桩浆液在砂土地基中的扩散效应,定量描述了扩散范围、水泥浆与砂土混合体几何形貌特征,据此概化为定型接触面形状并通过剪切试验研究了相应的强度差异。研究成果对钻孔灌注桩的设计、施工具有参考价值。