柔性长短桩组合型复合地基离心模型试验研究

李 波，黄茂松，程 岳

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2.同济大学a.地下建筑与工程系;b.岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092;3.上海港湾软地基处理工程(集团)有限公司，上海 200092)

1 研究背景

随着我国高速公路建设的迅速发展，不良的天然地基带来了许多问题，尤其在东南沿海等深厚软土地区，容易出现路面沉陷、桥头跳车等病害［1］。采用柔性桩复合地基处理天然地基，不仅可以提高地基承载力，而且能够控制不均匀沉降，因而是目前解决不良地基问题普遍应用的处理方法。随着对复合地基工程实践的经验积累及理论研究的深入，路堤荷载下长短桩组合型复合地基作为一种新型的复合地基形式，因耗材少、效益高、沉降控制效果明显等优势而越来越多地应用于地基处理中。

目前，对于路堤荷载下长短桩组合型复合地基的研究非常少见，需要更多的研究来验证其有效性。现场试验具有许多不确定因素，试验结果较为离散，即使是相邻两段路基的对比试验都存在不一致性;数值模拟可以模拟较为复杂的边界条件，但是其结果需要与模型试验或现场试验相互验证;离心模型试验具有良好的可重复性、可操作性及可控制性等优点［2－3］，每次试验过程均可在相同的试验条件下进行，使得各组试验数据相互之间具有更好的参照性、对比性，已成为国内外学者研究手段之一［4－5］。离心模型试验的结果还可与数值模拟结果及现场实测数据进行对比，实现规律性的研究，为理论解析解提供推导依据。

本文开展了路堤荷载下柔性长短桩组合型复合地基和传统的柔性等长桩复合地基2组离心模型试验，旨在研究新型长短桩组合型复合地基中桩土荷载分担比与长桩和短桩的桩长比的关系，以及沉降和侧向位移变化规律。

2 长短桩组合型复合地基离心试验

2.1 试验方案的确定

共设置了2组离心模型试验，如表1所示。在离心模型试验中，为了减小边界效应和粒径效应，常采用小比尺、大模型的试验方案，既能在现有试验条件下顺利进行，又能满足试验要求及其研究目的。综合考虑各种因素，本次离心模型试验相似比选用N=80。

表1 长短桩组合型复合地基离心模型试验方案Table 1 Centrifugal model tests of composite foundation with non-uniform piles

2.2 试验设备

本次试验采用同济大学TLJ－150复合型岩土离心试验机，离心机有效半径3.0 m;离心机能力150 g-t，最大加速度可达200 g，可进行多相耦合模拟和动态模拟;模型箱有效容积0.9 m(长)×0.55 m(宽)×0.7 m(高)。传感器布置图如图 1所示，主要包括:

(1)3个位移计，CW30型，量程50 mm，精度20 μm，分别量测路堤中心3个断面处中心沉降:中间断面处、路肩、坡脚。

(2)4个孔压计，KYB3I08型，直径8 mm，厚度2 mm，测量范围300～500 kPa，允许过载120%量测，埋深为10，20，30 cm(3个测点)的孔压;

(3)3个土压力计，TYB5I08型，直径8 mm，厚度2 mm，测量范围500～800 kPa，允许过载120%，分别量测长桩桩帽、短桩桩帽顶部以及桩间土压力。

图1 长短桩布置图及传感器布置图Fig.1 Arrangement of non-uniform piles and transducers

2.3 模型材料与制作

2.3.1 地基的制作

由于原状土取样极为困难，本次离心模型试验用土采用人工制备重塑土［6］。采用上海地区第③1层粉土和第④层淤泥质黏土混合得到的黏质粉土。地基土的制备需经过风干、粉碎、过筛、浸泡、搅拌，配制成含水率为200%液限的泥浆，将泥浆注入模型箱，静置48 h。然后置于离心力场中使泥浆在自重条件下固结，得到试验所需的地基土。试验测得固结完成后土体的渗透系数为4.23×10－9m/s，液限为32.2%，塑限为18.3%，塑限指数为13.9，弹性模量取平均值为10 MPa。

2.3.2 水泥土搅拌桩的模拟

采用先预制、后安装的方法进行水泥土搅拌桩的模拟与制作，其步骤如下。

(1)配置水泥土:将地基土过1.25 mm筛子，并测得其含水率。水泥选用标号为42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比取0.5，水泥掺入比取 αw=15%，其中αw按下式计算，

(2)模型桩制作:制桩模具采用PVC管，其外径为1.89 cm，内径为1.45 cm，如图 2所示。在模具内壁先涂一层脱模剂，将水泥土浆分3层装入模具，每次装料1/3。每层插捣时按螺旋方向从边缘向中心均匀进行，同时进行振动，直至表面上没有气泡出现为止。盖上塑料薄膜，防止水分蒸发过快。一般在试件成型后1～2 d，进行脱模，并放入标准养护室进行养护。由于时间关系，本次试验水泥土模型桩在养护28d后用于试验中，如图3所示。

图2 PVC制桩模具Fig.2 PVC mould of precast pile

图3 水泥土桩Fig.3 Cement-soil mixed piles

2.4 试验过程

将制备好后的模型装入离心机内，加速度采用80 g运行3 h进行固结;停机后，在桩顶和桩间土表面埋设土压力计，并在侧面设置分层沉降观测点，然后铺加筋格栅和砂质路堤，以及刚性板，最后在相应位置安装千斤顶(包括压力传感器)、位移计等。共采用4级荷载，如图4所示。其中，水泥土桩的布置最为关键:首先把打印好的桩位图铺设在模型箱内，定好各个桩位;将PVC管垂直压入地基土中，密封上端口，慢慢提出，于是在地基中各桩位处形成钻孔;将预制好的水泥土桩压入至与地表平。为避免水泥土桩的损坏，在插桩过程中需要用套筒护壁，以免在下桩过程中损坏桩身。

3 试验结果及分析

图4 荷载施加曲线Fig.4 The loading process

图5 中心路断面沉降Fig.5 Curves of vertical settlement in the middle section of the road

图5为2组离心模型试验的中心路断面的3个差动式位移计所测量的路基中心、路肩和坡脚处的沉降曲线。其中，补充试验Test 3为不作地基处理情况。可以看出:采用水泥土桩等长桩复合地基和长短桩组合型复合地基作为地基处理具有明显的控制沉降的作用，并且2种地基处理方法均可将沉降减少至所要求的沉降范围内;路中心处沉降最大，路肩次之，坡脚处最小，这与实际相符;2组试验的对比还表明:在拥有相同的总桩长的条件下，新型的长短组合桩基础地基处理在3个点处的沉降(Test 1)小于传统的等长桩复合地基处理(Test 2)。

图6为2组离心模型试验中不同深度的沉降曲线和侧向位移曲线。可以看出:对于相同深度处的沉降值，长短组合桩基础地基小于传统的等长桩复合地基，并且每个层面的最大沉降均在路中心处;对于相同深度的侧向位移，长短组合桩基础地基处理亦小于传统的等长桩复合地基处理。这表明，与传统的等长桩复合地基处理相比，新型的长短桩组合型复合地基在控制沉降和水平位移方面均具优势。

图6 分层沉降和侧向位移曲线Fig.6 Curves of settlement in different depths and curves of lateral displacement

图7 桩顶面和桩间土表面压力Fig.7 Curves of earth pressure

图7为2组离心模型试验中桩顶面和桩间土表面压力随离心机运行时间的变化曲线。可以看出:3个测点处的压力随着离心机加速度从0 g加速至80 g时迅速增大，并且长桩桩顶的压力最大，其次为短桩桩顶，桩间土压力最小;在施加荷载时，长桩和短桩桩顶的压力均迅速增大，而土顶的压力基本维持不变;三者在离心机运行6 000 s后基本达到一个稳定的数值。对于等长桩复合地基离心模型试验，2个测点处的压力随着离心机加速度从0 g加速至80 g时迅速增大，并且长桩桩顶的压力同样大于桩间土压力，但桩顶压力小于Test 1中长桩的桩顶压力而大于其短桩的压力。经过分析计算，Test 1中桩土应力比为16(长桩)和10(短桩)，Test 2中桩土应力比为13。

4 结论

采用离心模型试验对传统的等长桩复合地基处理和新型的长短桩复合地基进行了对比分析，主要结论如下:

(1)采用水泥土桩进行地基处理具有明显的控制沉降的作用，2种地基处理方法均可将沉降减小至所要求的沉降范围内;对比2种地基处理方式的桩土应力比，可知新型的长短桩复合地基中桩承担了更多的上部荷载，长桩将荷载传递到更深土层。

(2)在水泥土桩的总桩长相同的前提下，新型的长短桩复合地基方式比传统的等长桩复合地基处理在地基表面沉降和不同深度的分层沉降的控制方面均更有优势，这表明新型长短桩复合地基方式具有较好的经济效益。

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