刚性桩复合地基离心试验插桩制模研究

姜彦彬 ，丁元芳，钱亚俊, ，倪 政，王艳芳

(1.金陵科技学院 建筑工程学院，江苏 南京 211169；2.水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 210029；3.松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021；4.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

刚性桩复合地基具有总沉降小、稳定性好、工期短等优点，在土性差、工后沉降要求高的交通及工民建软基处理工程中得到了广泛应用[1-2]。土工离心模型试验是研究刚性桩复合地基的前沿手段[3]。复合地基模型制作是离心试验的关键环节，涉及饱和软土地基制样及群桩布设操作，影响因素众多，制样流程复杂。部分报道采用相关设备或材料替代地基土[4-6]，包括使用合成海绵或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拟地基沉降过程。上述替代方法可人为控制地基沉降，但改变地基土材料属性在一定程度上削弱了模型与原型的相似性，其可靠性有待商榷。

刚性桩复合地基离心模型试验应在具备饱和黏土模型地基的工况下开展。顾行文等[7]在常重力场（1g）下分层静压制备软土地基后引孔插入预制模型桩，研究软土底面倾斜及桩身存在缺陷时的山区复合地基破坏模式；黄俊杰等[8]通过离心机自重固结双层地基土后，分别采用预制和现浇工艺在1g下制作复合地基模型，研究不同桩间距条件的素混凝土桩复合地基受力特征和破坏机理；刘飞成等[9]以不排水抗剪强度为指标，采用1g下分层填筑和预固结方式制备软土地基，采用轻敲打入的插桩方法在1g下制备复合地基，开展斜坡基底复合地基变形特性的离心试验研究。限于目前离心试验设备与技术条件，绝大多数复合地基离心模型试验研究报道中的插桩制模操作均在1g下完成[10]，使得复合地基模型的初始应力状态区别于高重力场。Li 等[11]指出插桩模拟是群桩基础离心试验中的关键技术，并开展了1g和50g状态下4 根桩的桩基插桩对比试验，结果表明1g下制模操作无法反映高重力场插桩操作的变形效应和遮帘效应。可见，现阶段1g下模型制作与高重力场下模型的相似模拟是复合地基离心模型试验中仍不可回避的矛盾。探讨1g下制模操作过程对离心模型自身的影响是保证试验可靠的重要前提，而相关研究还十分匮乏。

文献[12]综合考虑了几何、材料及桩土接触相似，改进了加筋路堤下刚性桩复合地基工况的离心模型模拟技术。本文延续该研究，从模型制作的角度出发，探讨1g下刚性桩复合地基模型插桩制模过程对离心模型试验的重要影响。

1 离心模型试验简介

土工离心试验平台为南京水利科学研究院NHRI 60gt 离心机及NHRI 400gt 离心机[10]，离心机主要技术性能指标见表1。表2 为7 组分别在62.5g和60.0g设计离心加速度下开展的离心模型试验，对比主要几何参数，涉及3 种桩间距、3 种桩帽尺寸和4 种置换率。地基包括上层软土和其下持力层，刚性桩穿过软土层后嵌入持力层；根据文献[12]所述路堤与复合地基的对称性，取半幅路堤进行建模，主要变量为平面布桩方式[12]。本文基于7 组试验模型制备过程分析，探讨刚性桩复合地基1g下插桩制模对离心模型地基抗剪强度的影响。

表1 土工离心机的主要性能参数Tab.1 Parameters of the geotechnical centrifuge

表2 离心模型试验工况Tab.2 Centrifuge model testing conditions

2 插桩制模方法

2.1 软土地基制作

饱和黏性土离心模型制样的方法主要有4 种[10]，即：1g分层填筑法、1g静压固结法、高重力场自重固结法和1g与高重力场联合法。其中，1g分层填筑法忽略了饱和黏土地基初始有效应力状态的相似性，且很难保证软基的饱和度，有待商榷。高重力场自重固结法是制备饱和黏性土地基的理想方法，但对设备可靠性要求高，制样成本高；为减少离心机运转时间，不同报道中高重力场固结时间的差别较大，从几小时到数十小时不等[3,8,13-16]。

本文选用1g下静压固结的方法制备复合地基模型土样。软土层及持力层均为饱和黏性土，软土层的液、塑限含水率分别为41%、20%，持力层液、塑限含水率分别为29%、16%。如图1(a)所示，先将无气水配置的均匀饱和泥浆倒入模型箱中，静置2 d 后，将模型箱置于大型固结仪上进行分级静压固结（图1(b)），并以沉降稳定及达到目标不排水抗剪强度为静压固结结束标准。先逐级静压制备下部持力层，待其达标后，添加软土泥浆，再次逐级加荷，静压制备上部软土层。静压结束后的模型地基如图1(c)所示。

图1 离心模型地基制样Fig.1 Foundation preparation of the centrifuge model

2.2 插桩方式

插桩操作是刚性桩复合地基离心试验模型制作的重要环节，高重力场下插桩对设备自动化及可靠性要求非常高[17]，目前未见在高重力场下群桩复合地基插桩的相关报道。1g下软土地基模型的插桩质量将直接影响复合地基模型制作质量，文献[12]探讨了PCC桩复合地基离心模拟方法并优化了复合地基离心模型制作过程，所用模型桩为外径20 mm、壁厚1 mm的6061 铝合金管，通过表面粘砂进行粗糙化处理（图2(a)），并通过桩土接触面直剪试验验证了桩土接触相似模拟的合理性。

图2 复合地基离心模型制作Fig.2 Centrifugal model preparation of composite foundation

表2 中7 组复合地基的插桩制模方式及表现有所不同，介绍如下：

（1）空桩直插法。T1 组使用该法，即不在桩位处引孔，直接将空桩插入软土地基中，然后使用打土法将桩内填满软土。操作过程中发现，空桩直插法的挤土效应明显，地表隆起量可达6～10 mm，插桩过程中软土模型地表隆起严重，对静压固结完成的软土地基扰动大。

（2）引孔插空桩法。T2、T4、T5、T6 组使用该法。使用不锈钢薄壁引孔管，在软土模型桩位处引孔取土，然后插入空的模型桩，再使用打土法将桩内填满软土。引孔插空桩法的地表隆起不明显，隆起量为0～2 mm，挤土效应明显减弱。试验操作发现，相较一次性将薄壁引孔管插入桩孔深度取土，两次分层引孔取土的地表隆起量更小，对地基扰动更小。

（3）引孔插实桩法。T3 和T7 组使用该法。试验操作发现，空桩插入地基后，填入空桩内的软土很难达到原状固结土样的密实程度。为此，将插桩方式进一步改进为引孔插实桩法，即事先按照静压固结标准，将模型桩内填满饱和密实的土样，并使用薄壁引孔管分两次引孔取土后，使用毛细管穿过实心桩内部土通气，以避免将实心桩插入桩孔的过程中出现气塞效应。引孔插实桩法既能有效控制插桩时地表的隆起，又能够保证桩内填土的密实度。

上述插桩过程还应配合使用图2(b)所示的垂直导向及图2(c)所示的定长压桩杆，进行引孔取土、插入模型桩，并将模型桩精确地布置到设计高度。

3 插桩制模影响分析

3.1 1g 下插桩操作所致模型地基抗剪强度变化分析

在1g下插桩完毕形成复合地基，继续制作上部路堤前，需将模型置于超重力场中预先固结（多数试验组的预固结时长为1.5 h），以消除插桩可能引起的模型空隙，使桩土充分接触。模型地基的不排水抗剪强度使用微型静力触探仪在1g下测得，测试原理参见文献[18]。将圆锥触探仪垂直、匀速（1 mm/s）地贯入模型地基，并实时读取贯入阻力，根据试验室标定的不排水抗剪强度su与百分表读数s的关系：su=0.09s+0.29，即可获取贯入孔处模型地基不同深度的不排水抗剪强度。试验分别测试了插桩前和预固结后模型地基沿深度的不排水抗剪强度，对比强度变化可评价插桩方式对模型地基的影响。

T3～T7 组试验分别测定了插桩前与预固结后模型地基的不排水抗剪强度，沿模型深度的分布规律如图3 所示，上下两层土的不排水强度均值见表3。可见，无论是上部软土层还是下部持力层，预固结后模型地基的不排水抗剪强度均低于插桩前的强度，插桩前后软土层、持力层的不排水强度减幅分别为15%～41%、7%～25%。显然，1g下模型制作的插桩操作使试样抗剪强度有不同程度的损失。

图3 模型地基抗剪强度分布变化Fig.3 Variation of shear strength distribution of model foundation

表3 地基土不排水强度均值对比Tab.3 Comparison of mean values of undrained shear strength of foundation soil 单位：kPa

图4 以T3、T5、T7 组试验为例，对比了插桩前后两层地基土的不排水抗剪强度均值。显然，相较于复合地基下部持力层，上层软土不排水抗剪强度的减幅更大。T5 组预固结操作结束后第2 天再测量抗剪强度，发现强度减幅最为明显，静压结束至预固结后软土层的不排水强度损失达到了41%，持力层损失为25%。由此可以初步判断，1g下制模操作时间可能是影响地基强度损失的另一个重要因素。

图4 插桩前后模型地基不排水抗剪强度变化Fig.4 Change of undrained shear strength of foundation model before and after pile insertion

图5 为基于4 个不排水抗剪强度测试孔绘制的T5 组预固结后的强度等值线。可见，受插桩扰动影响，位于路堤下复合地基区域的软基部分在预固结后的不排水强度明显低于坡外无桩区域。这再次证明，复合地基部分的插桩制模制作是导致模型地基强度下降的一个主要因素。

图5 T5 组预固结后抗剪强度等值线（单位：kPa）Fig.5 Shear strength isoline after pre-consolidation of Group T5 (unit: kPa)

3.2 静压结束后1g 放置时间因素分析

多数试验组在模型地基静压结束后马上进行插桩制模操作，但受设备故障调试影响，T4 组试验卸除上部静压荷载放置11 d 后才进行插桩操作。如图3(b)所示，1g下放置阶段，模型地基的不排水抗剪强度明显下降，在静压结束、插桩前、预固结后3 个不同时刻，软土层强度均值依次为10、8、6 kPa，持力层强度均值依次为17、15、14 kPa，即模型地基的不排水抗剪强度依次降低。通过上述强度变化可知，除模型地基插桩操作外，1g下饱和软土地基模型放置同样会使模型地基强度下降，同样地，软土层最大强度降幅比例（40%）高于持力层（18%）。结合文献[19]可知，饱和软土地基模型在1g下放置时，除地表回弹外，还伴随着抗剪强度下降，上述现象符合土力学压缩固结理论的基本现象。

3.3 插桩方式对模型地基抗剪强度的影响分析

由前述复合地基插桩过程描述可知，引孔插空桩法和引孔插实桩法的地表隆起较小，这表明先引孔、后插桩的制模方式能有效减小制样扰动。排除无对比数据的T1、T2 组，排除预固结前放置时间较长的T4 组及预固结后放置时间稍长的T5 组，由表3 可知，相比插桩前，预固结后T3、T6 和T7 组的软土层平均抗剪强度减小2～3 kPa，减幅为15.4%～21.4%，持力层平均抗剪强度减小3～5 kPa，减幅为12.5%～18.5%。可见，使用引孔插桩，并尽量缩短1g下模型制作时间有益于减小模型地基扰动及强度损失。

3.4 预固结对模型地基抗剪强度增长的影响

复合地基插桩完成后即在离心模型的软土层及持力层中分别埋入微型孔隙水压力传感器，并在预固结阶段采集了部分传感器的读数，可得模型中两层地基土的超静孔隙水压力消散情况。如表4 所示，预固结段超静孔压消散均不超过11 kPa，即地基有效应力增长在11 kPa 以内。参照黏性土不排水抗剪强度与有效应力增量之间的经验关系[20]，取∆σ′=su/0.26，其中∆ σ′为有效应力增量。如图6 所示，预固结阶段不排水抗剪强度增长范围为：软土层su=0～0.9 kPa，持力层su=0.2～2.9 kPa，多数试验组强度增幅均在1.0 kPa 以内。上述规律表明，软黏土渗透系数小且本次试验预固结时间较短（1.5 h 左右），预固结阶段带来的地基抗剪强度增长可以忽略不计。

图6 预固结前后模型地基不排水抗剪强度增量Fig.6 Undrained shear strength increment of foundation model before and after pre-consolidation

表4 预固结阶段超静孔压消散Tab.4 Dissipation of excess pore water pressure in pre-consolidation stage 单位：kPa

综上所述，本次试验中，在1g下刚性桩复合地基模型制作阶段，饱和软土的强度损失主要来自插桩操作与1g下模型静置。

4 讨论

多数复合地基离心模型的插桩操作都是在1g条件下完成，然后将其置于高重力场下进行离心模型试验[7-9,13,21]。据报道[11]，离心机加速过程中模型的地应力水平逐步增大，复合地基模型1g下插桩操作使其应力分布得到调整，必将降低复合地基的承载力，并高估地基变形。由上述刚性桩复合地基离心模型制模分析可知，以1g下静压固结进行饱和软土模型地基制作，并以不排水抗剪强度控制静压结束标准的试验方法较为粗放。静压固结结束后压力释放、1g插桩制模、高重力场下再加载过程应力路径复杂，很难统一量化1g制模过程对模型试样的影响，因此，在表3 及图3 所示的对照试验中，出现各组初始不排水强度不一致的情况在所难免。

尽管1g成桩时的地基应力状态与现场差别很大，使得插桩操作与现场施工不相似，但由于高重力场群桩布置对自动化设备及可靠性的要求很高，目前未见在完全高重力场下完整完成群桩复合地基的报道。相关报道[16]在部分操作上满足高重力场制样的条件，但限于设备及技术条件，在试验过程中仍不可避免出现高低重力场切换的情况，仍很难使复合地基离心模型的初始状态、应力历史保持与实际工程严格一致。

限于目前的设备技术条件，本文仅在概念上提出理想刚性桩复合地基离心模型试验的主要步骤：

（1）按照设计密度及模型地表高程，定量准备风干过筛的黏土样，并使用无气蒸馏水将其配置成2 倍液限的均匀黏土浆，全部转移至模型箱中后抽真空静置48 h；并在固定位置布置微型孔隙水压力传感器。

（2）完成所有插桩、加荷、测试等设备的调试与布置后，将模型箱置于N倍（N为模型比尺）重力场中进行自重固结，直至孔隙水压力不再变化，且模型地表不再沉降。

（3）维持Ng高重力场不变，借助自动化机械设备在Ng中完成复合地基所有桩的插设工作，且按照相似原理，模型插桩时间与现场施工持续时间相一致。

（4）继续在Ng高重力场下，通过自动化机械设备实现传感器布设与附加荷载的施加操作，如使用机械手进行路堤荷载分层堆载。

（5）维持Ng高重力场至监测工作完全结束，停机结束试验。

5 结语

本文以模型地基不排水抗剪强度为主要评价指标，分析了多组刚性桩复合地基离心模型插桩制模过程，对比分析了1g下复合地基离心模型制作不同阶段抗剪强度及其分布特点。主要结论如下：

（1）刚性桩复合地基离心模型试验插桩试验表明，引孔插实桩法能够有效控制插桩时模型地表的隆起，并保证桩内填土的密实度。

（2）离心模型土样在静压固结结束后，1g下制模阶段地基的不排水抗剪强度有所下降。插桩制作扰动与1g下模型静置是导致模型饱和软土地基强度损失的两个主要原因。复合地基上层软土不排水强度的衰减程度大于下部持力层。

理想的复合地基离心模型试验制模要求高，本文仅在概念上提出了理想刚性桩复合地基离心模型的试验步骤。现阶段涉及1g模型制作的复合地基离心模型试验应充分考虑插桩制模操作、模型准备时间等重要变量，充分考虑模型土样的应力历史相似。应在Ng高重力场下进一步开展插桩与强度测试对比试验，以定量评估刚性桩复合地基离心模型制模误差，提升离心模型试验数据的可靠性。