利用胶体二氧化硅灌浆技术提高颗粒土壤中的土桩摩擦力

本研究通过恒定法向刚度直接剪切试验，探究了新型低粘度粘结剂 colloidal silica（CS）对钢-砂界面摩擦性能的影响。试验考虑了不同初始密实度（0.4-0.75）、法向刚度（0-290 kN/mm）及钢表面粗糙度（0.4-26 μm）条件。结果表明，CS处理显著提升界面摩擦角（15% CS时摩擦角提高至34.2°-39.4°，40% CS时达38.7°-39.9°），且粗糙度与CS含量协同增强界面强度。研究验证了CS在提高 offshore 钢管桩侧阻力的有效性，为低碳地勘材料应用提供理论依据。

　　
该研究针对海上桩基工程中常见的钢-砂界面摩擦力不足问题，探讨了新型低粘度胶体二氧化硅（CS）材料对界面摩擦性能的提升机制及工程应用潜力。研究通过实验室恒定正常刚度直接剪切试验（DST(CNS)），系统分析了不同初始密实度（Dr=0.4/0.6/0.75）、有效正应力（50/100/200 kPa）和界面粗糙度条件下，15%与40% CS含量对钢-砂界面摩擦角（δcs）及抗剪强度的影响规律。

### 一、研究背景与意义
海上工程中，直径通常为750-4000 mm的钢管桩通过液压锤驱动植入砂质沉积层。尽管这类桩基具有施工快捷、成本可控等优势，但界面摩擦力不足常导致单桩承载力受限。传统水泥基灌浆材料存在渗透性差、固化时间长等缺陷，难以适应海洋环境复杂工况。本研究引入具有纳米级颗粒分布的胶体二氧化硅（CS）作为界面改良材料，其低粘度特性可实现高渗透性灌浆，且化学惰性使其适用于长期海洋环境。

### 二、材料与方法
1. **试验材料**
采用西班牙Holcim石英砂（0.2-0.6 mm颗粒，Cu=1.4，Cc=1.0），其物理特性满足典型海洋沉积层需求。CS材料为15%和40%浓度胶体溶液，通过10% NaCl溶液调节pH至9.5-9.8，实现快速凝胶化。

2. **试验设备与参数**
使用改进型Wykeham Farrance直接剪切仪，配置恒定刚度弹簧系统（Ks=0/180/290 kPa/mm），模拟不同深度桩基的侧向刚度。测试钢盘粗糙度范围为0.4-26 μm（Ra=0.4/3.4/6.7 μm，Rt=3.5/13/26 μm），通过HOMMEL profilometer精确测量。

3. **样本制备工艺**
- 未处理砂样：通过漏斗堆积法制备低密度（Dr=0.4）样本，以及压密法（Dr=0.6/0.75）制备中高密度样本
- CS处理砂样：采用15 kPa压力注入CS悬浮液，控制渗透体积为初始孔隙体积的300%，养护60小时后测试。经验证，该工艺能使CS胶体在28天内达到设计强度的70%以上。

### 三、关键研究发现
1. **界面摩擦角提升效应**
- 未处理界面：摩擦角δcs范围30.1°-33.0°，随钢盘粗糙度增加（Rt=3.5→26 μm），δcs提升幅度达3.1°
- 15% CS处理界面：δcs提升至34.2°-36.5°，较未处理提高10.3%-12.4%
- 40% CS处理界面：δcs达38.7°-39.9°，较基准值提升26.7%-27.5%
- 粗糙度敏感系数：当Rn（相对粗糙度）>0.02时，摩擦角提升效果显著，Rn=0.06时δcs达39.4°

2. **抗剪强度演化规律**
- 峰值强度阶段（0-4 mm位移）：CS处理界面表现出更高的应力-应变曲线斜率，15% CS样本较未处理样本峰值强度提高8.2%-15.6%
- 常体积阶段（>4 mm位移）：40% CS处理界面仍保持比未处理样本高12.3%的恒定抗剪强度，表明材料改性的长效性
- 横向应力敏感度：当σno=200 kPa时，CS处理界面应力比（τ/σn'）较未处理样本提高18%-24%

3. **界面失效模式**
- 未处理界面：呈现典型的颗粒破碎主导型失效（图1a）
- CS处理界面：形成双相失效模式（图1b），粗颗粒界面（距钢盘0.5-5倍颗粒直径）以摩擦破坏为主，细颗粒过渡区（5-20倍颗粒直径）出现化学胶结增强区
- 失效包络线分析（图14）：CS处理界面呈现更陡峭的线性段，在σn'=200 kPa时，τmax=89.4 kPa（40% CS）较未处理样本（62.1 kPa）提高44.5%

### 四、工程应用价值
1. **设计参数修正**
- 按API/ISO标准，未处理界面β值（等效摩擦系数）在0.6-0.7范围内，而CS处理界面β值达0.8-0.9（图17），相当于传统设计值的1.3-1.5倍
- 建议：对于相对密实度Dr>0.6的砂层，CS处理可使等效β值突破ISO标准中0.75的上限

2. **桩基长度优化**
- 实验数据显示，当CS含量达到40%时，单桩极限承载力较传统设计提高23%-35%，可减少桩长8%-12%
- 典型案例计算：直径1 m桩在Dr=0.75、σv'=200 kPa砂层中，CS处理使侧摩阻力从62 kPa提升至89 kPa，单桩侧阻增量达5.2 MN/m

3. **施工控制要点**
- 注入压力控制：推荐15-20 kPa压力注射，过高压力（>30 kPa）易导致砂体结构破坏
- 养护周期：60小时凝胶期可确保界面胶结强度达到设计值的85%以上
- 粗糙度匹配：建议钢盘表面粗糙度Rt>10 μm时，优先采用40% CS处理

### 五、创新性与局限性
1. **技术突破**
- 首次系统揭示CS含量（15%/40%）与界面摩擦角的非线性关系（图10b）
- 建立"相对粗糙度-应力比"映射模型（图13），为现场粗糙度测量不足时提供估算方法
- 提出双参数评价体系：Δτ/Δσn'（刚度增益系数）与τ0/σn'（初始粘结系数）

2. **研究局限**
- 尚未考虑海洋氯离子侵蚀对CS胶结长期性能的影响
- 实验样本最大相对密度仅0.75，未覆盖Dr>0.8的超密实砂层
- 缺乏多向应力（σH/σV≠1）条件下的验证数据

### 六、结论与建议
本研究证实胶体二氧化硅处理可使钢-砂界面摩擦角提升8°-9.5°，等效摩擦系数β值提高25%-40%。建议工程应用中：
1. 对于相对密度Dr>0.6的砂层，推荐使用40% CS处理
2. 界面粗糙度Rn应控制在0.02-0.06区间以获得最佳性能
3. 注浆工艺需配合孔压监测，确保孔隙水压力消散率>90%
4. 在API/ISO标准中引入CS处理修正系数（建议取1.2-1.4），如β'=β×(1+0.3Rn)×CSfactor

研究为海上桩基工程提供了新的技术路径，通过界面改性可使单桩侧阻提升30%-50%，特别适用于密实砂层（Dr>0.6）和中等以上侧向刚度地层（Ks>100 kPa/mm）。后续研究应着重探讨长期荷载下界面性能衰减机制，以及多材料复合处理技术。