柔性長短樁組合型復合地基離心模型試驗研究

李 波，黃茂松，程 岳

(1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;2.同濟大學a.地下建筑與工程系;b.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092;3.上海港灣軟地基處理工程(集團)有限公司，上海 200092)

1 研究背景

隨著我國高速公路建設的迅速發展，不良的天然地基帶來了許多問題，尤其在東南沿海等深厚軟土地區，容易出現路面沉陷、橋頭跳車等病害［1］。采用柔性樁復合地基處理天然地基，不僅可以提高地基承載力，而且能夠控制不均勻沉降，因而是目前解決不良地基問題普遍應用的處理方法。隨著對復合地基工程實踐的經驗積累及理論研究的深入，路堤荷載下長短樁組合型復合地基作為一種新型的復合地基形式，因耗材少、效益高、沉降控制效果明顯等優勢而越來越多地應用于地基處理中。

目前，對于路堤荷載下長短樁組合型復合地基的研究非常少見，需要更多的研究來驗證其有效性。現場試驗具有許多不確定因素，試驗結果較為離散，即使是相鄰兩段路基的對比試驗都存在不一致性;數值模擬可以模擬較為復雜的邊界條件，但是其結果需要與模型試驗或現場試驗相互驗證;離心模型試驗具有良好的可重復性、可操作性及可控制性等優點［2－3］，每次試驗過程均可在相同的試驗條件下進行，使得各組試驗數據相互之間具有更好的參照性、對比性，已成為國內外學者研究手段之一［4－5］。離心模型試驗的結果還可與數值模擬結果及現場實測數據進行對比，實現規律性的研究，為理論解析解提供推導依據。

本文開展了路堤荷載下柔性長短樁組合型復合地基和傳統的柔性等長樁復合地基2組離心模型試驗，旨在研究新型長短樁組合型復合地基中樁土荷載分擔比與長樁和短樁的樁長比的關系，以及沉降和側向位移變化規律。

2 長短樁組合型復合地基離心試驗

2.1 試驗方案的確定

共設置了2組離心模型試驗，如表1所示。在離心模型試驗中，為了減小邊界效應和粒徑效應，常采用小比尺、大模型的試驗方案，既能在現有試驗條件下順利進行，又能滿足試驗要求及其研究目的。綜合考慮各種因素，本次離心模型試驗相似比選用N=80。

表1 長短樁組合型復合地基離心模型試驗方案Table 1 Centrifugal model tests of composite foundation with non-uniform piles

2.2 試驗設備

本次試驗采用同濟大學TLJ－150復合型巖土離心試驗機，離心機有效半徑3.0 m;離心機能力150 g-t，最大加速度可達200 g，可進行多相耦合模擬和動態模擬;模型箱有效容積0.9 m(長)×0.55 m(寬)×0.7 m(高)。傳感器布置圖如圖 1所示，主要包括:

(1)3個位移計，CW30型，量程50 mm，精度20 μm，分別量測路堤中心3個斷面處中心沉降:中間斷面處、路肩、坡腳。

(2)4個孔壓計，KYB3I08型，直徑8 mm，厚度2 mm，測量范圍300～500 kPa，允許過載120%量測，埋深為10，20，30 cm(3個測點)的孔壓;

(3)3個土壓力計，TYB5I08型，直徑8 mm，厚度2 mm，測量范圍500～800 kPa，允許過載120%，分別量測長樁樁帽、短樁樁帽頂部以及樁間土壓力。

圖1 長短樁布置圖及傳感器布置圖Fig.1 Arrangement of non-uniform piles and transducers

2.3 模型材料與制作

2.3.1 地基的制作

由于原狀土取樣極為困難，本次離心模型試驗用土采用人工制備重塑土［6］。采用上海地區第③1層粉土和第④層淤泥質黏土混合得到的黏質粉土。地基土的制備需經過風干、粉碎、過篩、浸泡、攪拌，配制成含水率為200%液限的泥漿，將泥漿注入模型箱，靜置48 h。然后置于離心力場中使泥漿在自重條件下固結，得到試驗所需的地基土。試驗測得固結完成后土體的滲透系數為4.23×10－9m/s，液限為32.2%，塑限為18.3%，塑限指數為13.9，彈性模量取平均值為10 MPa。

2.3.2 水泥土攪拌樁的模擬

采用先預制、后安裝的方法進行水泥土攪拌樁的模擬與制作，其步驟如下。

(1)配置水泥土:將地基土過1.25 mm篩子，并測得其含水率。水泥選用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比取0.5，水泥摻入比取 αw=15%，其中αw按下式計算，

(2)模型樁制作:制樁模具采用PVC管，其外徑為1.89 cm，內徑為1.45 cm，如圖 2所示。在模具內壁先涂一層脫模劑，將水泥土漿分3層裝入模具，每次裝料1/3。每層插搗時按螺旋方向從邊緣向中心均勻進行，同時進行振動，直至表面上沒有氣泡出現為止。蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發過快。一般在試件成型后1～2 d，進行脫模，并放入標準養護室進行養護。由于時間關系，本次試驗水泥土模型樁在養護28d后用于試驗中，如圖3所示。

圖2 PVC制樁模具Fig.2 PVC mould of precast pile

圖3 水泥土樁Fig.3 Cement-soil mixed piles

2.4 試驗過程

將制備好后的模型裝入離心機內，加速度采用80 g運行3 h進行固結;停機后，在樁頂和樁間土表面埋設土壓力計，并在側面設置分層沉降觀測點，然后鋪加筋格柵和砂質路堤，以及剛性板，最后在相應位置安裝千斤頂(包括壓力傳感器)、位移計等。共采用4級荷載，如圖4所示。其中，水泥土樁的布置最為關鍵:首先把打印好的樁位圖鋪設在模型箱內，定好各個樁位;將PVC管垂直壓入地基土中，密封上端口，慢慢提出，于是在地基中各樁位處形成鉆孔;將預制好的水泥土樁壓入至與地表平。為避免水泥土樁的損壞，在插樁過程中需要用套筒護壁，以免在下樁過程中損壞樁身。

3 試驗結果及分析

圖4 荷載施加曲線Fig.4 The loading process

圖5 中心路斷面沉降Fig.5 Curves of vertical settlement in the middle section of the road

圖5為2組離心模型試驗的中心路斷面的3個差動式位移計所測量的路基中心、路肩和坡腳處的沉降曲線。其中，補充試驗Test 3為不作地基處理情況。可以看出:采用水泥土樁等長樁復合地基和長短樁組合型復合地基作為地基處理具有明顯的控制沉降的作用，并且2種地基處理方法均可將沉降減少至所要求的沉降范圍內;路中心處沉降最大，路肩次之，坡腳處最小，這與實際相符;2組試驗的對比還表明:在擁有相同的總樁長的條件下，新型的長短組合樁基礎地基處理在3個點處的沉降(Test 1)小于傳統的等長樁復合地基處理(Test 2)。

圖6為2組離心模型試驗中不同深度的沉降曲線和側向位移曲線。可以看出:對于相同深度處的沉降值，長短組合樁基礎地基小于傳統的等長樁復合地基，并且每個層面的最大沉降均在路中心處;對于相同深度的側向位移，長短組合樁基礎地基處理亦小于傳統的等長樁復合地基處理。這表明，與傳統的等長樁復合地基處理相比，新型的長短樁組合型復合地基在控制沉降和水平位移方面均具優勢。

圖6 分層沉降和側向位移曲線Fig.6 Curves of settlement in different depths and curves of lateral displacement

圖7 樁頂面和樁間土表面壓力Fig.7 Curves of earth pressure

圖7為2組離心模型試驗中樁頂面和樁間土表面壓力隨離心機運行時間的變化曲線。可以看出:3個測點處的壓力隨著離心機加速度從0 g加速至80 g時迅速增大，并且長樁樁頂的壓力最大，其次為短樁樁頂，樁間土壓力最小;在施加荷載時，長樁和短樁樁頂的壓力均迅速增大，而土頂的壓力基本維持不變;三者在離心機運行6 000 s后基本達到一個穩定的數值。對于等長樁復合地基離心模型試驗，2個測點處的壓力隨著離心機加速度從0 g加速至80 g時迅速增大，并且長樁樁頂的壓力同樣大于樁間土壓力，但樁頂壓力小于Test 1中長樁的樁頂壓力而大于其短樁的壓力。經過分析計算，Test 1中樁土應力比為16(長樁)和10(短樁)，Test 2中樁土應力比為13。

4 結論

采用離心模型試驗對傳統的等長樁復合地基處理和新型的長短樁復合地基進行了對比分析，主要結論如下:

(1)采用水泥土樁進行地基處理具有明顯的控制沉降的作用，2種地基處理方法均可將沉降減小至所要求的沉降范圍內;對比2種地基處理方式的樁土應力比，可知新型的長短樁復合地基中樁承擔了更多的上部荷載，長樁將荷載傳遞到更深土層。

(2)在水泥土樁的總樁長相同的前提下，新型的長短樁復合地基方式比傳統的等長樁復合地基處理在地基表面沉降和不同深度的分層沉降的控制方面均更有優勢，這表明新型長短樁復合地基方式具有較好的經濟效益。

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