摘要
填芯复合固化土预制桩由芯桩和固化土挤压形成的预制桩组成，为了探究芯桩-预制桩界面的摩擦特性对固化土预制桩承载能力的影响,以环形剪切试件模拟芯桩-预制桩界面的接触情况，研究了芯桩-预制桩接触面的摩擦特性。试验结果表明：芯桩-预制桩界面极限摩阻力随芯桩直径的增加而增大;芯桩-预制桩界面黏结系数随填芯材料抗压强度的增加而增大，黏结系数建议取值范围为0.02~0.10;芯桩-预制桩界面存在初始摩阻力，剪切过程中界面摩阻力变化存在弹性阶段、脆性破坏阶段和黏结滑移阶段，界面破坏模式为类脆性破坏。采用指数模型和反双曲线模型对界面摩阻力和相对位移的散点图进行拟合，获得了考虑初始摩阻力τc的黏结滑移荷载传递模型，可用于填芯复合固化土预制桩受荷的荷载传递规律分析。
Abstract
To investigate the influence of core-pile interface friction characteristics on the bearing capacity of filled-core composite solidified soil precast piles, this study simulated the core-pile-precast-pile interfacial contact using annular shear specimens and systematically examined the frictional behavior at their interface. The experimental results demonstrated that: The ultimate interfacial frictional resistance increases with core pile diameter enlargement; The bonding coefficient between core pile and precast pile shows a positive correlation with the compressive strength of core-filling materials, with recommended values ranging from 0.02 to 0.10; An initial frictional resistance exists at the interface, and the shear-induced friction evolution exhibits three distinct phases-elastic deformation phase, brittle failure phase, and bond-slip phase, presenting a quasi-brittle failure mode. Through curve fitting of the interfacial shear stress versus relative displacement scatter plots using exponential and inverse hyperbolic models, a bond-slip load transfer model incorporating initial frictional resistance (τc) was established. This model effectively characterizes the load transfer mechanism in filled-core composite solidified soil precast piles under loading conditions. The proposed methodology provides theoretical support for analyzing the bearing behavior and interfacial interaction mechanisms of this novel pile foundation system.
不同结构接触面的摩擦特性是岩土工程领域研究的热点问题[1-3]，对接触特性的研究多采用室内试验的方式，通过复现与实际工程相近的接触面，实现摩擦特性的精细化研究[4-5]。在桩基工程领域，桩-土界面的接触特性与桩基承载特性分析和桩基沉降计算息息相关[6-7]。随着设计和施工水平的提高，越来越多的新桩型出现，如：混凝土芯水泥土复合桩[8]、高喷插芯组合桩[9]、劲钻根植桩[10]和劲芯水泥搅拌桩[11]。新型桩多由水泥土包裹高强度芯桩复合而成，养护完成后芯桩与外围水泥土紧密接触，有利于侧摩阻力发挥，提高桩基承载力。
国内外学者采用多种研究方法对该类复合桩的界面摩擦特性进行了分析。如：Li等[12]通过直剪试验分析了砂浆-混凝土界面的黏结强度；周佳锦等[10，13]通过室内模型试验、现场试验等方法，对静钻根植桩的界面摩擦特性和承载性能进行了分析；还有学者[8，11]通过室内试验和现场试验对混凝土桩-水泥土界面的抗剪强度进行了分析，并系统研究了黏结系数与水泥掺量、养护龄期的关系。复合桩用于软弱地基加固时，一般存在混凝土-水泥砂浆和水泥砂浆-土两个接触界面，混凝土-水泥砂浆界面的接触特性会对复合桩的沉降特性和破坏模式产生影响。张振等[14]对复合桩地基的桩土应力比和桩体破坏模式进行了研究。
本文的研究对象为填芯复合固化土预制桩[15]（图1），作为一种“内刚外柔”的新型复合桩，预制桩和芯桩接触面的摩擦特性与传统桩基不同。目前关于芯桩-预制桩接触面摩擦特性的研究有限，且现有研究多通过直剪试验获得界面的摩擦特性，无法考虑实际工程中接触面受力形式和边界条件，也无法满足试验多样化的需要。当填芯复合固化土预制桩用于地基加固时，预制桩-芯桩界面的黏结特性不易在实际工程中进行监测。因此需要开展室内三维界面条件下的环形剪切试验，对接触面的摩擦特性进行研究。
图1填芯复合固化土预制桩生产工艺示意
Fig.1Production process of solidified soil precast pile
基于上述分析，本文将开展一系列室内环形芯桩-预制桩接触面剪切试验，对具有黏结特性的界面摩擦特性进行研究。通过控制试验过程中接触面受力形式和边界条件的一致性，实现对接触面摩擦特性的复现。同时，通过改变芯桩材料、直径和养护龄期等条件，研究不同因素对界面摩擦特性的影响。在试验结果基础上，建立考虑界面黏结强度的黏结滑移模型，为填芯复合固化土预制桩沉降计算方法的建立提供依据。
1 环形界面剪切试验
1.1 试验准备
1.1.1 试验装置
本试验采用自主改进的试验装置进行，如图2所示。设备配套位移传感器最大量程为20 mm，精为度0.1 mm，压力机最大荷载为40 kN，采用位移控制方式加载。
图2剪切试验装置
Fig.2Diagram of shear test device
1.1.2 试验材料
试验所用土样取自某高速路段挖方弃土，土样的主要物理力学参数：重度为18.9 kN/m3，初始含水率为14.8%，泊松比为0.3，黏聚力为15 kPa，内摩擦角为30°，压缩模量为20 MPa，塑性指数为16.6，液性指数为0.45，试验用土样为粉质黏土。试验所用的剪切试件如图3所示。由图3可知，环形剪切试件由芯桩和改性固化土桩两部分组成。芯桩居中，模拟填芯复合固化土预制桩的桩身结构。填芯复合固化土预制桩的外直径为20 cm。试件的制作采用改性土击实成桩，水泥砂浆灌注自然凝固的成桩方式。试验所用水泥为Po 42.5，所用砂为细砂，平均粒径为0.25~0.35 mm。灌注的水泥砂浆是按照水泥、砂、水的质量比为1∶5.27∶1.13制成。
图3剪切试验装置
Fig.3Diagram of shear specimen schematic
使用制样模具（图4）对改性土进行击实，击实后脱模，在试件中心孔内灌注流态材料，灌注过程中使用玻璃棒进行引流、振捣，提高芯桩密实度。灌注完成后振捣密实，在标准养护箱内养护。同时，将流态材料制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm[16]的标准立方体试块，在标准养护箱内与剪切试件养护相同时间。根据试验设计养护龄期不同，选择养护完成的剪切试件和相应的立方体试块，分别进行剪切试验和无侧限抗压强度试验，测定芯桩-预制桩界面的摩擦特性和受压试块的无侧限抗压强度。
图4剪切试件模具
Fig.4Shear specimen mold
由图4可知，环形剪切试件的模具主要由三部分组成：模具筒、芯柱和上下承压板，其中模具筒的作用是作为改性固化土的容器，内壁光滑，高度为40 cm，内径为20 cm；芯柱的作用是在击实成桩过程中为流态材料的灌注预留空间，包含4、7、10 cm 3个不同尺寸；上下承压板的作用是对改性土进行加压，形成预制桩。
1.1.3 试件制作过程
试验所需材料和设备准备完成后，开始试件制作工作。主要流程（图5）为：1）将现场挖方土进行过2 cm筛处理，除去其中的草筋、碎石等杂质，并对土中的大颗粒进行粉碎处理，确保土颗粒能够与外加剂混合均匀；2）每个试件所需原状土质量为17 kg，外加剂质量为1.7 kg，搅拌均匀后，采用喷淋方式加入水，调整混合土样的含水率为16%；3）在模具筒内壁均匀涂抹脱模剂，方便后期脱模，向试样筒内分层加入混合改性土，并逐层进行击实，控制试件密度差异；4）每个试件的质量相同，保证密实度满足试验要求。填筑完成后，进行脱模工作；5）固化土试样脱模后，使用薄膜包裹。灌注流态材料，灌注高度设计为15 cm。灌注结束后，放入标准养护箱内进行养护。
图5剪切试件模具流程
Fig.5Process of shear specimen production
本试验共制作27个剪切试件，包含9组，每组3个剪切试件，将芯桩材料（固化土、M10砂浆、M15砂浆）、养护龄期（3、7、28 d）和芯桩直径（4、7、10 cm）作为变量，研究上述因素对界面摩擦特性的影响。
1.2 剪切试验过程
采用位移控制方式对试件进行加载，设置加载速率为0.5 mm/min。监测试验过程中芯桩顶部力-位移的变化，得到固化土桩-芯桩界面摩阻力变化曲线。界面的摩阻力计算公式为
(1)
式中：τ为预制桩-芯桩界面的摩阻力，F为芯桩顶部荷载，d为芯桩直径，lc为芯桩高度
剪切试验完成后，部分预制桩的外表面出现了沿桩长方向的竖向裂缝，且裂缝宽度随荷载的增加而增大，如图6所示。
在试验过程中，由于预制桩-芯桩界面摩擦产生界面黏聚势能和摩擦势能释放会产生外抵力[5，17]，接触面出现剪胀现象，导致固化土桩膨胀而产生竖向裂缝破坏。试验过程中，加载初期固化土桩基本完好。随着顶部荷载增大，裂缝宽度增大，在荷载达到极值后，基本保持不变。当填芯材料为流态固化土时，竖向裂缝宽度小于相同直径的水泥砂浆（图6（b）），这表明预制桩-芯桩（流态固化土）界面的外抵力小于预制桩-芯桩（水泥砂浆）界面的外抵力。
图6剪切试件破坏形态
Fig.6Failure mode of shear specimen
图7为试验后固化土桩-芯桩界面的破坏面。由图7可知，剪切试件的破坏主要发生在固化土桩-芯桩的交界面，且界面破坏面平整，固化土桩内部未发生剪切破坏。观察破坏面仍有填芯材料（水泥砂浆、流态固化土）残留，这与王伟[17]的研究结果基本一致。固化土桩为预制挤压成型，内表面光滑，固化土桩-芯桩界面的抗剪强度小于固化土的抗剪强度，导致破坏面均为预制桩-芯桩界面。对比图7（a）、7（b）可知，破坏后水泥砂浆芯桩上仍残留有固化土痕迹，流态固化土芯桩的表面光滑。因此，水泥砂浆填芯与固化土桩的界面结合更紧密，表明两界面在养护后产生了充分的黏结，有利于界面摩阻力的发挥。
图7预制桩-芯桩界面破坏
Fig.7Interface failure of precast pile-core pile
2 试验结果分析
2.1 界面摩阻力-相对位移曲线
不同养护龄期、填芯材料和接触面尺寸的试件试验，所得界面摩阻力-相对位移曲线如图8所示。
表1所示为剪切试件的极限摩阻力。表2所示为界面达到极限摩阻力后，残余摩阻力的变化情况。将界面达到极限摩阻力时对应的位移定义为极限弹性位移，界面残余摩阻力基本不变时对应的位移定义为极限塑性位移，相关试验结果见表3。
由图8和表2可知，芯桩直径越小，固化土预制桩厚度越大，残余摩阻力越大。这表明芯桩直径越小，接触面塑性和延性越高，预制桩的承载力越高。残余摩阻力受含芯率的影响较小，不同填芯材料的界面残余摩阻力相差较大，水泥砂浆材料的残余摩阻力在18.5~95.8 kPa之间，流态固化土材料的残余摩阻力在12.1~47.1 kPa之间，水泥砂浆材料的残余摩阻力与极限摩阻力的比值在0.1~0.26之间，流态固化土材料的残余摩阻力与极限摩阻力的比值在0.1~0.21之间。试验结果呈现明显的材料异性，水泥砂浆材料的残余摩阻力高于流态固化土。由表2、3可知，固化土预制桩-芯桩界面的残余摩阻力受材料养护龄期的影响较小，受芯桩直径影响较大。
图8摩阻力-相对位移曲线
Fig.8Curve of shaft resistance-relative displacement
表1不同芯桩直径试件的界面极限摩阻力
Tab.1Ultimate interface frictional resistance of core piles with varying diameters
表2不同芯桩直径试件的界面残余摩阻力
Tab.2Residual shaft resistance of core piles with varying diameters
表3不同芯桩直径试件的界面极限弹性位移
Tab.3Limit elastic displacement of core piles with varying diameters
2.2 芯桩直径对摩擦特性的影响
填芯复合固化土预制桩作为复合桩的一种，含芯率是影响桩承载特性发挥的关键因素，其定义为
(2)
式中：α为含芯率，Ac为芯桩的截面面积，As为固化土桩的截面面积。
本研究开展的三维剪切试验，能够考虑接触面受力和边界条件影响，并进一步考虑含芯率对接触面摩擦特性的影响。不同直径4、7、10 cm试件的含芯率分别为0.04、0.122 5、0.25。
不同试件的极限摩阻力如图9所示。由图9可知，剪切试件的外径相同，随着芯桩直径的增大，含芯率的提高，预制桩-芯桩界面的极限摩阻力呈减小趋势。养护龄期对极限摩阻力的发挥有积极作用，养护龄期越长界面极限摩阻力越大。
图9极限摩阻力-含芯率的散点图
Fig.9Scatter plot of ultimate frictional resistance-core content
以M10水泥砂浆试件为例，养护时间从3 d到7 d和从7 d到28 d，界面的极限摩阻力分别增加了44.5、104.5 kPa，后者是前者的2.35倍。以养护龄期28 d的剪切试件试验结果为例，当芯桩直径由4 cm增加至10 cm时，流态固化土、M10水泥砂浆和M15水泥砂浆的界面极限摩阻力降幅分别为53.0、45.9、39.7 kPa，含芯率的增加导致界面极限摩阻力减小。
产生这一现象的原因可能是：随着含芯率的增加，固化土预制桩的厚度减小，在试验过程中，其自身更易产生破坏，对芯桩的握裹力减小，预制桩-芯桩界面出现应力松弛，导致界面极限摩阻力降低。
图10为固化土桩-芯桩界面达到极限摩阻力时对应的极限弹性位移与含芯率的关系曲线。
图10极限弹性位移-含芯率的散点图
Fig.10Scatter plot of ultimate elastic displacement and core content
由图10可知，固化土桩-芯桩界面极限弹性位移随含芯率的增加而减小，变化幅度较小，其值主要在1.18~2.61 mm之间。
2.3 养护龄期对摩擦特性的影响
将填芯材料的养护时间设置为3、7、28 d。达到养护龄期后，将试块从模具内取出，使用锉刀对试块的表面进行修整，保证受压面的平整，并满足100 mm的尺寸要求，进行抗压强度试验。养护完成的试块如图11所示，表4所示为不同养护龄期下试块和流态固化土试块的平均无侧限抗压强度。
图11填芯材料试块
Fig.11Photo of test block
表4无侧限抗压强度与养护龄期的关系
Tab.4Relationship between unconfined compressive strength and curing age
图12为不同直径芯桩与养护时间的关系曲线。由图12可知，预制桩-芯桩接触面的极限摩阻力与试块抗压强度的关系密切，两者呈现正相关关系。对界面极限摩阻力和试块抗压强度进行拟合发现，界面极限摩阻力与试块抗压强度的关系可使用线性关系表征。以M10水泥砂浆试件为例，养护龄期从3 d到7 d，抗压强度增长率为91.1%；不同直径试件（4、7、10 cm）极限摩阻力的增长幅度分别为19.9%、35.4%、48.7%。养护龄期从7 d到28 d时，试块抗压强度增长率为159.3%，不同直径试件（4、7、10 cm）极限摩阻力的增长幅度分别为39.0%、41.3%、43.2%。试验表明养护龄期对预制桩-芯桩界面的摩擦特性有显著影响，养护龄期越长，界面摩阻力越大。
图13为试件极限位移-养护龄期关系曲线。由图13可知，界面极限位移受试块养护龄期的影响较小，不同填芯材料、不同芯桩直径试件的极限位移在1.34~2.62 mm之间。
图12极限摩阻力-试块抗压强度关系曲线
Fig.12Ultimate shaft resistance-compressive strength curve of test block
图13界面极限位移-试件养护龄期的散点图
Fig.13Scatter plot of ultimate displacement and curing age
2.4 填芯材料对摩擦特性的影响
填芯材料的性质对接触面摩擦特性的影响显著。通过试验分析填芯材料对接触面性质的影响，能够为工程应用提供指导。室内剪切试验得到填芯材料与摩擦特性的关系，见表5（以芯桩直径为7 cm的试件为例）。
表5界面摩阻力与养护龄期的关系
Tab.5The relationship between interface friction resistance and curing age
由表5可知，填芯材料的抗压强度越大，固化土预制桩-芯桩界面的极限摩阻力越大，不同填芯材料在界面达到极限摩阻力后均产生破坏，残余摩阻力在15~80 kPa之间，受填芯材料的影响较小。
3 分析与讨论
3.1 极限摩阻力与抗压强度分析
室内剪切试验结果表明，预制桩-芯桩的界面极限摩阻力与材料的无侧限抗压强度有关，这与Dai等[18-19]的研究成果相似。根据Nam等[20]提出的黏结系数概念，将预制桩-芯桩界面的极限摩阻力与材料的无侧限抗压强度建立联系。根据前文研究，本节引入黏结系数的概念对预制桩-芯桩界面具有黏结滑移特性的荷载传递进行表征。定义界面极限摩阻力与材料无侧限抗压强度的比值为β，即
(3)
式中：τu为界面的极限摩阻力，fcu为填芯材料试块的无侧限抗压强度。
根据前文试验结果，界面黏结系数与材料、养护龄期和试件尺寸的关系见表6。
表6界面黏结系数
Tab.6Interface bond coefficient
由表6可知，不同材料剪切试件的黏结系数均呈现随养护龄期、芯桩直径的增加而减小的趋势，其值在0.02~0.1之间变化。
图14为不同养护龄期和芯桩直径的界面黏结系数和含芯率的关系曲线。由图14可知，界面黏结系数与含芯率呈负相关关系，且变化趋势与极限摩阻力的变化基本一致。
图14界面黏结系数-含芯率的散点图
Fig.14Scatter plot of interfacial bond coefficient-core content
图15为界面黏结系数和芯桩材料无侧限抗压强度的关系。由图15可知，界面黏结系数的变化与材料无侧限抗压强度的相关性显著。当材料无侧限抗压强度较低时，黏结系数较大，这表明试件养护初期，界面的黏结特性表现显著，能够快速提供界面所需的摩阻力。随着养护龄期增加，试块的无侧限抗压强度增大，界面黏结系数减小，且试块抗压强度大于8 MPa后，黏结系数基本保持不变。这表明界面摩阻力已基本达到最大值。
图15界面黏结系数和材料无侧限抗压强度的散点图
Fig.15Scatter plot of interfacial bonding coefficient and unconfined compressive strength of material
3.2 考虑初始黏聚力的荷载传递模型
荷载传递模型能够反映预制桩-芯桩界面的应力应变关系，对桩基荷载沉降的计算具有重要意义。土与混凝土界面的剪切试验[21-24]表明，在试验的初始阶段，界面剪应力增大，而相对位移变化极小，几乎为零。殷宗泽等[23]通过大尺寸直剪试验证明，当界面剪应力小于某一临界值时，只有紧靠剪切盒边缘的测点产生了位移，而剪切面内无相对位移的产生。因此，对剪切面上任一而言，当τ＜τc（界面初始摩阻力）时，该点无相对位移产生。这表明两接触面间存在初始临界摩阻力，而预制桩-芯桩界面的初始临界摩阻力是填芯材料灌注后，在养护过程中两界面产生的黏聚力。以往的荷载传递模型曲线模型和折线模型[24-26]均未考虑初始黏聚力的存在，因此本节将建立考虑初始黏聚力的荷载传递模型，对预制桩-芯桩界面的荷载传递行为进行准确刻画。
图16为本文剪切试验预制桩-芯桩界面的摩阻力-相对位移实测值归一化后所得拟合曲线。
由图16可知，拟合曲线可以对芯桩-预制桩界面的摩擦行为进行模拟。根据剪切位移的变化可将剪切过程分解为弹性阶段（拟合曲线1）、脆性破坏阶段（拟合曲线2）和黏结滑移阶段（拟合曲线3）。界面的本构关系为
图16摩阻力和相对位移的归一化关系曲线
Fig.16Normalized relationship between shaft resistance and displacement
(4)
式中：τ为界面摩阻力，s为界面相对位移，τc为界面初始摩阻力，本文试验结果为10~45 kPa；τu为界面极限摩阻力，本文试验结果为86.3~434.7 kPa；τr为剪切界面的残余摩阻力，本文试验结果为12.1~95.8 kPa；su为弹性极限相对位移，本文试验结果为1.34~2.62 mm；sr为残余摩阻力临界相对位移，本文试验结果为达到弹性极限位移后的0.5~1.0 mm。
4 结论
本文采用室内试验的方法对预制桩-芯桩的界面摩擦特性进行了研究，制作了环形剪切试件，消除二维剪切边界效应的影响。考虑了不同材料、养护龄期和芯桩直径等因素对界面摩擦特性的影响，主要结论如下：
1）试验表明，减小芯桩直径对预制桩-芯桩界面的剪切力学行为具有积极影响：极限摩阻力与芯桩直径呈明显负相关性（即直径减小，摩阻力增大）。预制桩壁厚的增加，显著增强了界面剪切受荷过程中的塑性和延性表现，从而更有利于界面极限摩阻力的高效发挥。
2）养护龄期是影响界面极限摩阻力的关键因素，其增长能显著提升摩阻力。此外，材料的无侧限抗压强度与极限摩阻力呈现稳定的线性正相关关系。界面黏结系数与材料存在相关性，建议取值为0.02~0.10。
3）预制桩-芯桩界面的主要剪切破坏模式具有类脆性特征，包含弹性、峰值后脆性破坏及滑移摩擦3个阶段。指数与反双曲线本构模型被证实适用于描述此界面的摩阻力-位移响应特性。剪切初始阶段即存在初始摩阻力τc，建议取值为10~45 kPa。
4）以地基承载力为设计指标，填芯复合固化土预制桩的设计宜提高芯桩材料的抗压强度、增大预制桩的直径。浇筑完成后，复合桩养护龄期不应小于7 d。
