剛性樁復(fù)合地基離心試驗(yàn)插樁制模研究

姜彥彬 ，丁元芳，錢亞俊, ，倪 政，王艷芳

(1.金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.水利部水庫(kù)大壩安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林 長(zhǎng)春 130021；4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

剛性樁復(fù)合地基具有總沉降小、穩(wěn)定性好、工期短等優(yōu)點(diǎn)，在土性差、工后沉降要求高的交通及工民建軟基處理工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。土工離心模型試驗(yàn)是研究剛性樁復(fù)合地基的前沿手段[3]。復(fù)合地基模型制作是離心試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及飽和軟土地基制樣及群樁布設(shè)操作，影響因素眾多，制樣流程復(fù)雜。部分報(bào)道采用相關(guān)設(shè)備或材料替代地基土[4-6]，包括使用合成海綿或EPS 等材料代替地基土，使用排水控制柔性水囊或可升降支架模擬地基沉降過(guò)程。上述替代方法可人為控制地基沉降，但改變地基土材料屬性在一定程度上削弱了模型與原型的相似性，其可靠性有待商榷。

剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)應(yīng)在具備飽和黏土模型地基的工況下開(kāi)展。顧行文等[7]在常重力場(chǎng)（1g）下分層靜壓制備軟土地基后引孔插入預(yù)制模型樁，研究軟土底面傾斜及樁身存在缺陷時(shí)的山區(qū)復(fù)合地基破壞模式；黃俊杰等[8]通過(guò)離心機(jī)自重固結(jié)雙層地基土后，分別采用預(yù)制和現(xiàn)澆工藝在1g下制作復(fù)合地基模型，研究不同樁間距條件的素混凝土樁復(fù)合地基受力特征和破壞機(jī)理；劉飛成等[9]以不排水抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)，采用1g下分層填筑和預(yù)固結(jié)方式制備軟土地基，采用輕敲打入的插樁方法在1g下制備復(fù)合地基，開(kāi)展斜坡基底復(fù)合地基變形特性的離心試驗(yàn)研究。限于目前離心試驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)條件，絕大多數(shù)復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)研究報(bào)道中的插樁制模操作均在1g下完成[10]，使得復(fù)合地基模型的初始應(yīng)力狀態(tài)區(qū)別于高重力場(chǎng)。Li 等[11]指出插樁模擬是群樁基礎(chǔ)離心試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)展了1g和50g狀態(tài)下4 根樁的樁基插樁對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明1g下制模操作無(wú)法反映高重力場(chǎng)插樁操作的變形效應(yīng)和遮簾效應(yīng)?？梢?jiàn)，現(xiàn)階段1g下模型制作與高重力場(chǎng)下模型的相似模擬是復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)中仍不可回避的矛盾。探討1g下制模操作過(guò)程對(duì)離心模型自身的影響是保證試驗(yàn)可靠的重要前提，而相關(guān)研究還十分匱乏。

文獻(xiàn)[12]綜合考慮了幾何、材料及樁土接觸相似，改進(jìn)了加筋路堤下剛性樁復(fù)合地基工況的離心模型模擬技術(shù)。本文延續(xù)該研究，從模型制作的角度出發(fā)，探討1g下剛性樁復(fù)合地基模型插樁制模過(guò)程對(duì)離心模型試驗(yàn)的重要影響。

1 離心模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

土工離心試驗(yàn)平臺(tái)為南京水利科學(xué)研究院NHRI 60gt 離心機(jī)及NHRI 400gt 離心機(jī)[10]，離心機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。表2 為7 組分別在62.5g和60.0g設(shè)計(jì)離心加速度下開(kāi)展的離心模型試驗(yàn)，對(duì)比主要幾何參數(shù)，涉及3 種樁間距、3 種樁帽尺寸和4 種置換率。地基包括上層軟土和其下持力層，剛性樁穿過(guò)軟土層后嵌入持力層；根據(jù)文獻(xiàn)[12]所述路堤與復(fù)合地基的對(duì)稱性，取半幅路堤進(jìn)行建模，主要變量為平面布樁方式[12]。本文基于7 組試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽溥^(guò)程分析，探討剛性樁復(fù)合地基1g下插樁制模對(duì)離心模型地基抗剪強(qiáng)度的影響。

表1 土工離心機(jī)的主要性能參數(shù)Tab.1 Parameters of the geotechnical centrifuge

表2 離心模型試驗(yàn)工況Tab.2 Centrifuge model testing conditions

2 插樁制模方法

2.1 軟土地基制作

飽和黏性土離心模型制樣的方法主要有4 種[10]，即：1g分層填筑法、1g靜壓固結(jié)法、高重力場(chǎng)自重固結(jié)法和1g與高重力場(chǎng)聯(lián)合法。其中，1g分層填筑法忽略了飽和黏土地基初始有效應(yīng)力狀態(tài)的相似性，且很難保證軟基的飽和度，有待商榷。高重力場(chǎng)自重固結(jié)法是制備飽和黏性土地基的理想方法，但對(duì)設(shè)備可靠性要求高，制樣成本高；為減少離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，不同報(bào)道中高重力場(chǎng)固結(jié)時(shí)間的差別較大，從幾小時(shí)到數(shù)十小時(shí)不等[3,8,13-16]。

本文選用1g下靜壓固結(jié)的方法制備復(fù)合地基模型土樣。軟土層及持力層均為飽和黏性土，軟土層的液、塑限含水率分別為41%、20%，持力層液、塑限含水率分別為29%、16%。如圖1(a)所示，先將無(wú)氣水配置的均勻飽和泥漿倒入模型箱中，靜置2 d 后，將模型箱置于大型固結(jié)儀上進(jìn)行分級(jí)靜壓固結(jié)（圖1(b)），并以沉降穩(wěn)定及達(dá)到目標(biāo)不排水抗剪強(qiáng)度為靜壓固結(jié)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。先逐級(jí)靜壓制備下部持力層，待其達(dá)標(biāo)后，添加軟土泥漿，再次逐級(jí)加荷，靜壓制備上部軟土層。靜壓結(jié)束后的模型地基如圖1(c)所示。

圖1 離心模型地基制樣Fig.1 Foundation preparation of the centrifuge model

2.2 插樁方式

插樁操作是剛性樁復(fù)合地基離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯闹匾h(huán)節(jié)，高重力場(chǎng)下插樁對(duì)設(shè)備自動(dòng)化及可靠性要求非常高[17]，目前未見(jiàn)在高重力場(chǎng)下群樁復(fù)合地基插樁的相關(guān)報(bào)道。1g下軟土地基模型的插樁質(zhì)量將直接影響復(fù)合地基模型制作質(zhì)量，文獻(xiàn)[12]探討了PCC樁復(fù)合地基離心模擬方法并優(yōu)化了復(fù)合地基離心模型制作過(guò)程，所用模型樁為外徑20 mm、壁厚1 mm的6061 鋁合金管，通過(guò)表面粘砂進(jìn)行粗糙化處理（圖2(a)），并通過(guò)樁土接觸面直剪試驗(yàn)驗(yàn)證了樁土接觸相似模擬的合理性。

圖2 復(fù)合地基離心模型制作Fig.2 Centrifugal model preparation of composite foundation

表2 中7 組復(fù)合地基的插樁制模方式及表現(xiàn)有所不同，介紹如下：

（1）空樁直插法。T1 組使用該法，即不在樁位處引孔，直接將空樁插入軟土地基中，然后使用打土法將樁內(nèi)填滿軟土。操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，空樁直插法的擠土效應(yīng)明顯，地表隆起量可達(dá)6～10 mm，插樁過(guò)程中軟土模型地表隆起嚴(yán)重，對(duì)靜壓固結(jié)完成的軟土地基擾動(dòng)大。

（2）引孔插空樁法。T2、T4、T5、T6 組使用該法。使用不銹鋼薄壁引孔管，在軟土模型樁位處引孔取土，然后插入空的模型樁，再使用打土法將樁內(nèi)填滿軟土。引孔插空樁法的地表隆起不明顯，隆起量為0～2 mm，擠土效應(yīng)明顯減弱。試驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)，相較一次性將薄壁引孔管插入樁孔深度取土，兩次分層引孔取土的地表隆起量更小，對(duì)地基擾動(dòng)更小。

（3）引孔插實(shí)樁法。T3 和T7 組使用該法。試驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)，空樁插入地基后，填入空樁內(nèi)的軟土很難達(dá)到原狀固結(jié)土樣的密實(shí)程度。為此，將插樁方式進(jìn)一步改進(jìn)為引孔插實(shí)樁法，即事先按照靜壓固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)，將模型樁內(nèi)填滿飽和密實(shí)的土樣，并使用薄壁引孔管分兩次引孔取土后，使用毛細(xì)管穿過(guò)實(shí)心樁內(nèi)部土通氣，以避免將實(shí)心樁插入樁孔的過(guò)程中出現(xiàn)氣塞效應(yīng)。引孔插實(shí)樁法既能有效控制插樁時(shí)地表的隆起，又能夠保證樁內(nèi)填土的密實(shí)度。

上述插樁過(guò)程還應(yīng)配合使用圖2(b)所示的垂直導(dǎo)向及圖2(c)所示的定長(zhǎng)壓樁桿，進(jìn)行引孔取土、插入模型樁，并將模型樁精確地布置到設(shè)計(jì)高度。

3 插樁制模影響分析

3.1 1g 下插樁操作所致模型地基抗剪強(qiáng)度變化分析

在1g下插樁完畢形成復(fù)合地基，繼續(xù)制作上部路堤前，需將模型置于超重力場(chǎng)中預(yù)先固結(jié)（多數(shù)試驗(yàn)組的預(yù)固結(jié)時(shí)長(zhǎng)為1.5 h），以消除插樁可能引起的模型空隙，使樁土充分接觸。模型地基的不排水抗剪強(qiáng)度使用微型靜力觸探儀在1g下測(cè)得，測(cè)試原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。將圓錐觸探儀垂直、勻速（1 mm/s）地貫入模型地基，并實(shí)時(shí)讀取貫入阻力，根據(jù)試驗(yàn)室標(biāo)定的不排水抗剪強(qiáng)度su與百分表讀數(shù)s的關(guān)系：su=0.09s+0.29，即可獲取貫入孔處模型地基不同深度的不排水抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)分別測(cè)試了插樁前和預(yù)固結(jié)后模型地基沿深度的不排水抗剪強(qiáng)度，對(duì)比強(qiáng)度變化可評(píng)價(jià)插樁方式對(duì)模型地基的影響。

T3～T7 組試驗(yàn)分別測(cè)定了插樁前與預(yù)固結(jié)后模型地基的不排水抗剪強(qiáng)度，沿模型深度的分布規(guī)律如圖3 所示，上下兩層土的不排水強(qiáng)度均值見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，無(wú)論是上部軟土層還是下部持力層，預(yù)固結(jié)后模型地基的不排水抗剪強(qiáng)度均低于插樁前的強(qiáng)度，插樁前后軟土層、持力層的不排水強(qiáng)度減幅分別為15%～41%、7%～25%。顯然，1g下模型制作的插樁操作使試樣抗剪強(qiáng)度有不同程度的損失。

圖3 模型地基抗剪強(qiáng)度分布變化Fig.3 Variation of shear strength distribution of model foundation

表3 地基土不排水強(qiáng)度均值對(duì)比Tab.3 Comparison of mean values of undrained shear strength of foundation soil 單位：kPa

圖4 以T3、T5、T7 組試驗(yàn)為例，對(duì)比了插樁前后兩層地基土的不排水抗剪強(qiáng)度均值。顯然，相較于復(fù)合地基下部持力層，上層軟土不排水抗剪強(qiáng)度的減幅更大。T5 組預(yù)固結(jié)操作結(jié)束后第2 天再測(cè)量抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度減幅最為明顯，靜壓結(jié)束至預(yù)固結(jié)后軟土層的不排水強(qiáng)度損失達(dá)到了41%，持力層損失為25%。由此可以初步判斷，1g下制模操作時(shí)間可能是影響地基強(qiáng)度損失的另一個(gè)重要因素。

圖4 插樁前后模型地基不排水抗剪強(qiáng)度變化Fig.4 Change of undrained shear strength of foundation model before and after pile insertion

圖5 為基于4 個(gè)不排水抗剪強(qiáng)度測(cè)試孔繪制的T5 組預(yù)固結(jié)后的強(qiáng)度等值線?？梢?jiàn)，受插樁擾動(dòng)影響，位于路堤下復(fù)合地基區(qū)域的軟基部分在預(yù)固結(jié)后的不排水強(qiáng)度明顯低于坡外無(wú)樁區(qū)域。這再次證明，復(fù)合地基部分的插樁制模制作是導(dǎo)致模型地基強(qiáng)度下降的一個(gè)主要因素。

圖5 T5 組預(yù)固結(jié)后抗剪強(qiáng)度等值線（單位：kPa）Fig.5 Shear strength isoline after pre-consolidation of Group T5 (unit: kPa)

3.2 靜壓結(jié)束后1g 放置時(shí)間因素分析

多數(shù)試驗(yàn)組在模型地基靜壓結(jié)束后馬上進(jìn)行插樁制模操作，但受設(shè)備故障調(diào)試影響，T4 組試驗(yàn)卸除上部靜壓荷載放置11 d 后才進(jìn)行插樁操作。如圖3(b)所示，1g下放置階段，模型地基的不排水抗剪強(qiáng)度明顯下降，在靜壓結(jié)束、插樁前、預(yù)固結(jié)后3 個(gè)不同時(shí)刻，軟土層強(qiáng)度均值依次為10、8、6 kPa，持力層強(qiáng)度均值依次為17、15、14 kPa，即模型地基的不排水抗剪強(qiáng)度依次降低。通過(guò)上述強(qiáng)度變化可知，除模型地基插樁操作外，1g下飽和軟土地基模型放置同樣會(huì)使模型地基強(qiáng)度下降，同樣地，軟土層最大強(qiáng)度降幅比例（40%）高于持力層（18%）。結(jié)合文獻(xiàn)[19]可知，飽和軟土地基模型在1g下放置時(shí)，除地表回彈外，還伴隨著抗剪強(qiáng)度下降，上述現(xiàn)象符合土力學(xué)壓縮固結(jié)理論的基本現(xiàn)象。

3.3 插樁方式對(duì)模型地基抗剪強(qiáng)度的影響分析

由前述復(fù)合地基插樁過(guò)程描述可知，引孔插空樁法和引孔插實(shí)樁法的地表隆起較小，這表明先引孔、后插樁的制模方式能有效減小制樣擾動(dòng)。排除無(wú)對(duì)比數(shù)據(jù)的T1、T2 組，排除預(yù)固結(jié)前放置時(shí)間較長(zhǎng)的T4 組及預(yù)固結(jié)后放置時(shí)間稍長(zhǎng)的T5 組，由表3 可知，相比插樁前，預(yù)固結(jié)后T3、T6 和T7 組的軟土層平均抗剪強(qiáng)度減小2～3 kPa，減幅為15.4%～21.4%，持力層平均抗剪強(qiáng)度減小3～5 kPa，減幅為12.5%～18.5%?？梢?jiàn)，使用引孔插樁，并盡量縮短1g下模型制作時(shí)間有益于減小模型地基擾動(dòng)及強(qiáng)度損失。

3.4 預(yù)固結(jié)對(duì)模型地基抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響

復(fù)合地基插樁完成后即在離心模型的軟土層及持力層中分別埋入微型孔隙水壓力傳感器，并在預(yù)固結(jié)階段采集了部分傳感器的讀數(shù)，可得模型中兩層地基土的超靜孔隙水壓力消散情況。如表4 所示，預(yù)固結(jié)段超靜孔壓消散均不超過(guò)11 kPa，即地基有效應(yīng)力增長(zhǎng)在11 kPa 以內(nèi)。參照黏性土不排水抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力增量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[20]，取?σ′=su/0.26，其中? σ′為有效應(yīng)力增量。如圖6 所示，預(yù)固結(jié)階段不排水抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)范圍為：軟土層su=0～0.9 kPa，持力層su=0.2～2.9 kPa，多數(shù)試驗(yàn)組強(qiáng)度增幅均在1.0 kPa 以內(nèi)。上述規(guī)律表明，軟黏土滲透系數(shù)小且本次試驗(yàn)預(yù)固結(jié)時(shí)間較短（1.5 h 左右），預(yù)固結(jié)階段帶來(lái)的地基抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)可以忽略不計(jì)。

圖6 預(yù)固結(jié)前后模型地基不排水抗剪強(qiáng)度增量Fig.6 Undrained shear strength increment of foundation model before and after pre-consolidation

表4 預(yù)固結(jié)階段超靜孔壓消散Tab.4 Dissipation of excess pore water pressure in pre-consolidation stage 單位：kPa

綜上所述，本次試驗(yàn)中，在1g下剛性樁復(fù)合地基模型制作階段，飽和軟土的強(qiáng)度損失主要來(lái)自插樁操作與1g下模型靜置。

4 討論

多數(shù)復(fù)合地基離心模型的插樁操作都是在1g條件下完成，然后將其置于高重力場(chǎng)下進(jìn)行離心模型試驗(yàn)[7-9,13,21]。據(jù)報(bào)道[11]，離心機(jī)加速過(guò)程中模型的地應(yīng)力水平逐步增大，復(fù)合地基模型1g下插樁操作使其應(yīng)力分布得到調(diào)整，必將降低復(fù)合地基的承載力，并高估地基變形。由上述剛性樁復(fù)合地基離心模型制模分析可知，以1g下靜壓固結(jié)進(jìn)行飽和軟土模型地基制作，并以不排水抗剪強(qiáng)度控制靜壓結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法較為粗放。靜壓固結(jié)結(jié)束后壓力釋放、1g插樁制模、高重力場(chǎng)下再加載過(guò)程應(yīng)力路徑復(fù)雜，很難統(tǒng)一量化1g制模過(guò)程對(duì)模型試樣的影響，因此，在表3 及圖3 所示的對(duì)照試驗(yàn)中，出現(xiàn)各組初始不排水強(qiáng)度不一致的情況在所難免。

盡管1g成樁時(shí)的地基應(yīng)力狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)差別很大，使得插樁操作與現(xiàn)場(chǎng)施工不相似，但由于高重力場(chǎng)群樁布置對(duì)自動(dòng)化設(shè)備及可靠性的要求很高，目前未見(jiàn)在完全高重力場(chǎng)下完整完成群樁復(fù)合地基的報(bào)道。相關(guān)報(bào)道[16]在部分操作上滿足高重力場(chǎng)制樣的條件，但限于設(shè)備及技術(shù)條件，在試驗(yàn)過(guò)程中仍不可避免出現(xiàn)高低重力場(chǎng)切換的情況，仍很難使復(fù)合地基離心模型的初始狀態(tài)、應(yīng)力歷史保持與實(shí)際工程嚴(yán)格一致。

限于目前的設(shè)備技術(shù)條件，本文僅在概念上提出理想剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)的主要步驟：

（1）按照設(shè)計(jì)密度及模型地表高程，定量準(zhǔn)備風(fēng)干過(guò)篩的黏土樣，并使用無(wú)氣蒸餾水將其配置成2 倍液限的均勻黏土漿，全部轉(zhuǎn)移至模型箱中后抽真空靜置48 h；并在固定位置布置微型孔隙水壓力傳感器。

（2）完成所有插樁、加荷、測(cè)試等設(shè)備的調(diào)試與布置后，將模型箱置于N倍（N為模型比尺）重力場(chǎng)中進(jìn)行自重固結(jié)，直至孔隙水壓力不再變化，且模型地表不再沉降。

（3）維持Ng高重力場(chǎng)不變，借助自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備在Ng中完成復(fù)合地基所有樁的插設(shè)工作，且按照相似原理，模型插樁時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)施工持續(xù)時(shí)間相一致。

（4）繼續(xù)在Ng高重力場(chǎng)下，通過(guò)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳感器布設(shè)與附加荷載的施加操作，如使用機(jī)械手進(jìn)行路堤荷載分層堆載。

（5）維持Ng高重力場(chǎng)至監(jiān)測(cè)工作完全結(jié)束，停機(jī)結(jié)束試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以模型地基不排水抗剪強(qiáng)度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了多組剛性樁復(fù)合地基離心模型插樁制模過(guò)程，對(duì)比分析了1g下復(fù)合地基離心模型制作不同階段抗剪強(qiáng)度及其分布特點(diǎn)。主要結(jié)論如下：

（1）剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)插樁試驗(yàn)表明，引孔插實(shí)樁法能夠有效控制插樁時(shí)模型地表的隆起，并保證樁內(nèi)填土的密實(shí)度。

（2）離心模型土樣在靜壓固結(jié)結(jié)束后，1g下制模階段地基的不排水抗剪強(qiáng)度有所下降。插樁制作擾動(dòng)與1g下模型靜置是導(dǎo)致模型飽和軟土地基強(qiáng)度損失的兩個(gè)主要原因。復(fù)合地基上層軟土不排水強(qiáng)度的衰減程度大于下部持力層。

理想的復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)制模要求高，本文僅在概念上提出了理想剛性樁復(fù)合地基離心模型的試驗(yàn)步驟?，F(xiàn)階段涉及1g模型制作的復(fù)合地基離心模型試驗(yàn)應(yīng)充分考慮插樁制模操作、模型準(zhǔn)備時(shí)間等重要變量，充分考慮模型土樣的應(yīng)力歷史相似。應(yīng)在Ng高重力場(chǎng)下進(jìn)一步開(kāi)展插樁與強(qiáng)度測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，以定量評(píng)估剛性樁復(fù)合地基離心模型制模誤差，提升離心模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。