復合地基側向力學性狀離心試驗方案研究與設計

李連祥，符慶宏，張海平，扈學波

(1.山東大學 基坑與深基礎工程技術研究中心，山東 濟南 250061；2.濟南西城投資開發集團有限公司，山東 濟南 250300)

復合地基側向力學性狀離心試驗方案研究與設計

李連祥1，符慶宏1，張海平2，扈學波1

(1.山東大學 基坑與深基礎工程技術研究中心，山東 濟南 250061；2.濟南西城投資開發集團有限公司，山東 濟南 250300)

通過對復合地基側向力學性狀的離心模型試驗方案研究，克服了復合地基模型制備、結構構件模擬、數采系統布置、坑邊超載施加以及基坑開挖方式等試驗關鍵技術困難；同時利用數值軟件PLAXIS 3D模擬試驗工況，預期試驗結果，大體把握各工況下地基變形、支護和CFG樁受力變形以及墻后土壓力等的分布和變化規律；初步認為CFG樁水平變形和變形范圍均隨與基坑邊界距離的增大而減小，復合地基CFG樁處沉降遠低于樁間土沉降，表現為上刺入褥墊層。坑邊超載使得CFG樁對地基土體的加固作用、對支護結構的貢獻以及CFG樁自身變形的有效控制效果凸顯出來。

巖土工程；復合地基；側向力學性狀；基坑開挖；離心模型試驗方案；數值模擬

0 引 言

隨復合地基理論日漸成熟，大量高層建筑采用了CFG樁復合地基。近年來，城市建設的進一步加快，使大批既有復合地基建筑成為擬建或新建建筑基坑工程保護的重要目標。新的基坑開挖，引起原有建筑地基基礎側向卸荷，從而導致復合地基及既有建筑位移。因此，新建基坑支護結構必須保證原有復合地基和既有建筑的安全，克服因基坑開挖導致復合地基變形影響。目前，國內外缺乏針對側向開挖條件下既有復合地基力學性狀及其基坑支護結構理論的研究[1-4]，使工程界缺乏正確進行此類基坑工程設計的理論和方法[5]。設計人員一般忽略既有復合地基增強體，無視既有群樁能夠減少支護結構位移的有利作用[6-7]，而把復合地基看成原狀土，保守地進行基坑工程設計，造成了大量的資源浪費[8]。因此，開展側向開挖條件下復合地基力學性狀研究，掌握復合(土)體與基坑支護結構的相互作用機理，建立以保證復合地基安全為目標的基坑支護設計理論和方法，具有緊迫的工程價值和長遠的理論意義。

傳統巖土工程室內試驗是在常重力條件下進行，由于無法或很難再現現場實際尺寸條件，不能反映原型的應力狀態，必然導致模型試驗無法模擬原型所發生的現象。

離心模型試驗能夠利用土工離心機為模型提供離心力，在模型內部形成Ng加速度的超重力場，還原原型應力場，在此基礎上研究原型中構件特性等內容[9-12]，被廣大學者認為是目前進行巖土工程技術研究中最先進、最有效的試驗方法。C．F．Leung等[13-15]和D．E．L．Ong等[16]在新加坡國立大學土工離心機上開展了一系列基坑工程離心模擬試驗，分別考慮了穩定擋墻、非穩定擋墻后臨近基坑支護結構的單樁、群樁在基坑不同開挖工況下的受力變形特性；R．J．Finno等[17]通過離心機試驗研究基坑開挖引起的臨近樁基響應；W．Powrie等[18]通過離心機試驗研究超固結高嶺黏土地基上具有兩道支撐的基坑擋墻受力變形；馬險峰等[19]和徐前衛等[20]以上海某挖深38 m的超深基坑工程為背景，利用離心模型試驗研究了不同工況下超深基坑開挖引起的圍護結構受力變形、土壓力變化、地表沉降。

離心模型試驗用于基坑工程穩步發展，但匱乏研究CFG樁復合地基側向力學性狀的離心機試驗，因此設計此類試驗，研究復合地基CFG樁和支護結構特性等具有創新性。

以濟南市省會文化中心項目大劇院臺倉基坑工程為依托，設計了4組離心模型試驗，旨在研究不同置換率的CFG樁復合地基存在下，基坑開挖引起的支護結構內力變形、CFG樁內力變形、地基土體位移場、主動區土壓力分布形式及變化規律。主要從模型相似比、支護結構和CFG樁的模擬、傳感器布置、基坑開挖方法、坑邊超載施加等方面進行敘述，并以PLAXIS 3D軟件模擬分析，預期試驗結果，為后續和相關試驗提供指導和參考。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

試驗在浙江大學軟弱土與環境教育部重點實驗室的大型土工離心機ZJU-400上進行。其相關的主要技術參數如表1。

表1 土工離心機ZJU-400主要相關參數Table 1 The major relevant parameters of ZJU-400

1.2 離心加速度

本次離心機試驗以濟南省會文化藝術中心項目大劇院臺倉基坑為背景。該基坑開挖深度12.8 m，基坑周邊地基均以CFG樁進行加固，形成復合地基；上覆荷載220 kPa，基坑支護采用雙排鋼筋混凝土鉆孔灌注樁+背拉錨桿形式，樁長22 m。試驗目的是研究側向開挖條件下群樁復合(土)體與支護結構受力和變形性狀，如圖1。綜合考慮場地面積、支護樁和CFG樁樁長、地層條件、離心機參數等因素，選定此次離心模型試驗相似比尺為1∶40，即離心機設計加速度為40g。為簡化試驗，采用懸臂式支護結構，基坑開挖深度適當減小，最終確定為8 m，復合地基上覆荷載最大值150 kPa。

圖1 臨近建筑物基坑示意Fig.1 Schematic diagram of the pit near existing building

離心模型試驗遵循相似理論，根據相似第一、第二、第三定理，離心試驗中常用物理量的相似比如表2。試驗方案的設計以相關相似比尺為依據。

表2 常用物理量模型原型相似比Table 2 The scales of conventional parameters in centrifuge model test

注：相似比尺是模型與原型之比；離心加速度Ng。

1.3 地基模型設計

1.3.1 地基土制備

模型土體材料采用場地粉質黏土，土體參數如表3。地基以分層夯實法制備。制備過程采用先將原形土體進行烘干處理；后加入計算所需水量，攪拌均勻；悶土12 h后分層填筑，并夯實至目標密實度。制備中以每一層組成成分的質量和夯后土體厚度為主要控制指標。

表3 粉質黏土物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of silty clay

1.3.2 CFG樁模擬

根據相關設計資料，復合地基中的CFG樁是采用長螺旋鉆機成孔，管內泵壓混凝土成樁，混凝土強度等級C20，直徑?400 mm。CFG樁主要承受上部荷載，因此模型樁制作中考慮CFG樁抗壓剛度等效，同時以面積置換率m為目標，模擬現場布樁。采用方形布樁形式，置換率如式(1)：

(1)

式中：m為面積置換率；d為樁徑；s為樁間距。

本次試驗為保證應變片測量的準確性，選擇以鋁管樁模擬CFG樁，模型樁的尺寸及樁間距如表4。

表4 CFG模型樁相關參數Table 4 The relevant parameters of simulated CFG piles

1.3.3 支護結構樁模擬

根據相關設計資料，實際工程中基坑支護采用雙排樁+背拉錨桿的支護形式，支護樁樁距a=1 600 mm，支護樁排距b=2 100 mm，設冠梁。前后排樁相同，樁徑?600 mm，樁長22 m，為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。

離心模型試驗擬采用鋁合金板模擬基坑支護樁。工程中支護樁主要承受的是水平力，因此模型應根據抗彎剛度等效的原則進行換算，即：Ep×Ip=N4×Em×Im。鋁合金6061材料的彈性模量為EAl=68.9 GPa，泊松比νAl=0.330；C30混凝土彈性模量Ec=3.0×104MPa，泊松比νc=0.20；鋼筋的彈性模量Es=2.0×105MPa。

計算得到鋁板參數：高度550 mm，厚度9.5 mm，寬度400 mm。

1.3.4 傳感器布置

為監測支護結構內力變形、CFG樁內力變形、地表沉降、主動區土壓力等，本次試驗布置彎矩應變片、軸力應變片、激光位移傳感器、微型土壓力傳感器、GeoPIV等測量裝置，如圖2。

圖2 有、無超載試驗模型(單位：mm)Fig.2 Test models with/without the surcharge load

1) 激光位移傳感器

激光位移傳感器在無加載的試驗中布置，每組試驗布置5個，量程50 mm，布置在地基模型中間位置，距基坑邊分別為：50，150，250，350，450 mm；如圖〔2(a)〕。

2) 土壓力傳感器

土壓力傳感器在每一組試驗中都有布置，每組實驗布置6個，量程500 kPa，布置在支護結構背后20 mm位置，沿深度方向上距離地表分別為：50，140，230，320，410，500 mm；如圖〔2(a)〕。

3) 應變片

根據測試需要試驗中以全橋形式布置軸力和彎矩兩種應變片。彎矩應變片布置在支護結構和CFG樁上，軸力應變片布置在CFG樁上，具體可參考圖3。

圖3 擋墻和CFG樁應變片布置(單位：mm)Fig.3 Arrangement of strain gauges on the retaining wall and CFG piles

4) PIV

首先布置PIV標記點，間距5 cm，布置好的標記點應覆以2 mm厚有機玻璃板保護，以免地基土體移動帶動標記點移動。

1.4 基坑開挖方法

基坑工程工況復雜，模擬困難，尤其是基坑開挖模擬，是基坑工程離心模型試驗中的最關鍵的問題，對實際工況模擬的好壞，將直接影響試驗的結果。現有的超重力模型試驗中基坑開挖方式大體可歸納為：停機開挖方法[21]；排放代土液體開挖方法[13-16,18]；微型機器人開挖方法[22]。考慮到試驗目的是研究側向力學性狀，同時兼顧可操作性，本次試驗采用停機開挖。

1.5 坑邊超載施加方法

本次試驗中為真實模擬復合地基的存在，在其中兩組既有復合地基基坑開挖試驗中，基坑邊施以150 kPa均布荷載，選擇合理的荷載施加方法對試驗成敗尤為重要。

1.5.1 荷載施加綜述

對于離心模型試驗中的荷載施加，可以歸納為以下4種方法：

1)以伺服電機施加集中荷載及循環荷載[23]。通過軸力傳感器監控荷載值，遠程控制電機伸縮，向結構構筑物施加荷載，但不適用于地基均布荷載的施加。

2)提高離心加速度模擬荷載的施加。離心加速度提供超重力場，地基自重應力的改變本身就是一種荷載施加方法，但此類試驗中一般僅研究地基特性，而非結構物。

3)以剛性物體置于地基表面模擬加載[24]。剛性物體在離心力提高后自重增大，能夠模擬實際中的荷載，但卻不能模擬荷載的分布及傳遞過程。剛形體放置到地基土表層，會產生應力集中，使荷載分布不均勻。

4)以氣囊或水囊充氣或水，并施以反力加載。該方法是目前最為理想的荷載施加方法，能夠將地基上部荷載均勻有效地傳遞，應用到規則地基中較為方便。所謂規則地基的定義：模型尺寸規則，模型分布到整個模型箱內，荷載分布到整個地基表面，試驗過程中不會人為改變地基模型。相對于規則模型，不規則模型中采用氣囊或水囊加載復雜，要考慮荷載分布區域，氣囊或水囊膨脹等因素。如基坑開挖離心模型試驗中，荷載分布在基坑邊一定范圍內，加載時氣囊或水囊膨脹，因此要在氣囊四周予以保護。

綜合考慮，此次試驗中以第4種氣囊加載方式施加復合地基上部超載，考慮到該方法可能出現的問題，予以改進。

1.5.2 氣囊加載方案設計

荷載施加裝置由3部分組成：氣囊、反力板和L型錯動板。

反力板固定在支架上，氣囊置于反力板下，反力板為氣囊提供反力；離心加速度提高和氣囊充氣膨脹，必然導致復合地基下沉，而反力板不能隨著下沉，使得氣囊從地基與反力板空隙中擠出，漲破。L型錯動板的存在解決了該問題，L型錯動板一面與反力板側壁光滑接觸，一面與地基土接觸，從而保證氣囊不會從空隙中擠出。

整個加載裝置的構造如圖4。改進后的氣囊加載方案實現了不規則模型中荷載任意區域的布置。

圖4 均布加載裝置構造示意(單位：mm)Fig.4 Schematic structure of uniform loading device

2 試驗總體方案

根據試驗目的，設計4組離心機試驗，如表5。分別進行粉質黏土中3種不同置換率(0，0.031 3，0.087 2)的試驗。試驗中測量地基土體位移、支護板力學性狀、CFG樁力學性狀以及墻后土壓力的分布和變化規律。

表5 試驗安排Table 5 Test programs /mm

2.1 比較工況1和工況2試驗結果

研究無載情況不同置換率復合地基側向開挖條件下，復合地基與支護結構的共同作用機制，明確不同置換率對支護結構和CFG樁力學性狀的影響規律。

2.2 比較工況3和工況4試驗結果

研究有載情況不同置換率復合地基側向開挖條件下，復合地基與支護結構的共同作用機制，明確超載作用對不同置換率復合地基及其支護結構的力學性狀。

2.3 比較工況2和工況4試驗結果

可研究相同置換率復合地基有無超載情況對相關指標的分布及變化影響。

3 試驗結果預期

為探究試驗中可能存在的問題，利用PLAXIS 3D對試驗模擬，預期可能出現的試驗結果。分析中考慮試驗設計的4種工況，通過對模擬結果提取與整理，得到各工況下地基變形、支護和CFG樁受力變形、墻后土壓力分布及變化規律等。

3.1 地表沉降

圖5為4組試驗中地表(樁頂平面)沉降大致形式，淺層開挖對沉降影響小；地基沉降初步判斷呈凹槽型，對比工況1和2，有CFG樁的地基沉降較小，但CFG樁對沉降控制不明顯；對比工況3和4，上覆荷載使CFG樁對地基的加固作用體現出來，較高置換率的復合地基沉降小；相同點是地基表面沉降在CFG樁位置處小，表現為CFG樁上刺入褥墊層中，褥墊層在復合地基中起重要作用。

圖5 地表沉降Fig.5 Surface settlement

3.2 支護結構水平變形和彎矩

3.2.1 支護水平變形

圖6中給出的4組試驗中支護結構變形。基坑開挖引起的懸臂式支護結構變形在粉質黏土中為懸臂式；對比工況1和2，有CFG樁無荷載時，支護變形較小，但影響不明顯；對比工況3和4，上覆荷載加大了支護變形，也使得CFG樁對地基的加固作用凸顯，即較高置換率的復合地基支護變形更小；圖6中第3步開挖引起的變形顯著增長始于13 m位置，約為開挖深度(8 m)的1.6倍。

圖6 支護結構變形Fig.6 Deformation of the retaining structure

3.2.2 支護彎矩

圖7中給出的4組試驗中支護結構彎矩。基坑開挖引起的支護結構彎矩兩端小，中間大；對比工況1，3和4，上覆荷載加大了支護結構的彎矩，較高置換率的復合地基中支護彎矩小，說明其對地基的加固作用更明顯；圖7中支護結構最大彎矩均在10 m深度位置，約為開挖深度(8 m)的1.3倍。

圖7 擋墻彎矩分布Fig.7 Induced bending moment

3.3 CFG樁水平變形

圖8是工況2～工況4模擬中得到的CFG樁水平變形形式，表6中是第3步開挖引起的CFG樁樁頂水平位移值。從圖8中可知不同置換率條件下，CFG樁水平變形和變形范圍都隨距基坑邊距離的增大而減小；從表中可知較高置換率復合地基中CFG樁的水平變形較小。

圖8 CFG樁水平變形形式Fig.8 Horizontal deformation types of CFG piles

表6 第3步開挖CFG樁樁頂水平位移值Table 6 Horizontal displacement values at the top of CFG piles in the 3rd excavation stage /mm

3.4 支護后土壓力

墻后位置處土壓力沿深度分布隨開挖變化如圖9。開挖使擋墻變形，土體卸荷，土壓力減小；在有CFG樁和有荷載工況3、工況4的模擬中，土體卸荷較明顯；所有組中第3步開挖引起的土體卸荷都是最明顯的，而且變化范圍從地基表面延伸至13 m深度位置，與支護水平變形顯著增長區域相吻合，約為開挖深度(8 m)的1.6倍；在支護結構13 m以下部分，土壓力有增大的趨勢，表明支護下部對土體有一定的加強或擠密作用。

圖9 主動區土壓力隨開挖變化形式Fig.9 The induced earth pressure profiles in active area along with excavation

復合地基存在深度內，支護結構側壓力小于土體情況，無載條件下基本一致，有載情況置換率高的更加明顯；超過復合地基深度，支護結構側壓力大于土體，置換率高的越發明顯，說明復合地基受壓作用下顯著的荷載傳遞能力，與土體主動土壓力不一致，不能夠忽視復合地基存在，進行類似基坑工程設計。

4 結 論

1)復合地基側向力學性狀的離心模型試驗牽涉離心模型試驗中眾多的關鍵技術問題，包括復合地基模型制備、結構構件模擬、數采系統布置、坑邊超載施加以及基坑開挖研究等。試驗方案的研究設計正是對諸類關鍵問題作可行的解答，對后續試驗順利進行奠定基礎。

2)本次試驗針對既有加載方法的不足，設計了一種改進的超載施加裝置，與既有方法相比，改進的加載方法能實現不規則模型中荷載任意區域的布置。針對本次試驗，即在基坑周邊施加可控均布荷載，并且荷載傳遞更準確。

3)針對試驗設計的4種工況，利用數值軟件PLAXIS 3D模擬，預期可能出現的試驗結果，通過對模擬結果的數據提取與整理，大致得到各工況下地基變形、支護和CFG樁受力變形以及墻后土壓力等的分布和變化規律。模擬結果既是對試驗的預期也將是對試驗的對比，對于把握試驗過程中的重點科學現象，揭示科學問題作好充分準備。

4)通過對模擬結果的分析可知，對于未施加超載的工況，不同置換率的結果差別不大，而施加超載的工況，置換率不同結果差異較明顯，故初步認為坑邊超載使得復合地基CFG樁對地基土體的加固作用、對支護結構的貢獻以及CFG樁自身變形有效控制的效果凸顯出來。

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Research and Design of Centrifuge Model Tests on Lateral Mechanics Properties of Composite Foundation

LI Lianxiang1, FU Qinghong1, ZHANG Haiping2, HU Xuebo1

(1. Foundation Pit and Deep Foundation Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061,Shandong, P. R. China; 2. Jinan West City Investment and Development Group Co., Ltd., Jinan 250300, Shandong, P. R. China)

The centrifuge model tests on lateral mechanics properties of composite foundation were designed, some feasible solutions to these key complex technological problems in the tests were achieved including preparation of the composite foundation models, fabrication of the simulating structures, arrangement of data acquisition system, application of the surcharge load on pit edge and development of excavation method. In addition, numerical software PLAXIS 3D was used to simulate all loading cases of tests. So expected results were achieved by which we can generally master ground deformation under all loading cases, supporting and CFG pile deformation under forces and retained soil pressure distribution and variation law. It is preliminarily assumed that both the horizontal deformation and its scope of CFG piles decrease with the increasing distance from the edges of the pit and the settlement at CFG piles is far smaller than the of the soil between piles. It is considered that the CFG piles have stuck in cushion. The surcharge load on pit edge can make CFG piles more effective in aspects of consolidating soil, reinforcing the retaining structure and controlling their own deformation.

geotechnical engineering; composite foundation; lateral mechanics properties; foundation pit excavation; centrifuge model tests scheme; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.18

2015-10-12；

2015-10-27

山東省優秀中青年科學家科研基金項目(BS2013SF024)；濟南市科技計劃項目(201201145)

李連祥(1966—)，男，河北唐山人，研究員，博士，碩士生導師，主要從事土力學及巖土工程方面的研究。E-mail：jk_doctor@163.com。

符慶宏(1990—)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事地下工程及巖土工程方面的研究。E-mail：shandafqh@163.com。

TU441；O346

A

1674-0696(2016)02-080-09