桩-软岩复合地基流变机理缩尺模型试验研究

周火明，熊诗湖，黄正加，钟作武

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

桩-软岩复合地基流变机理缩尺模型试验研究

周火明，熊诗湖，黄正加，钟作武

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

桩-软岩复合地基承受上部载荷时，时效变形预测依赖于对其流变机理的认识以及对流变模型的合理描述，为分析其流变机理，通过桩-软岩复合地基缩尺模型载荷试验，研究了桩身应力、桩底压力、承台下软岩压力以及软岩深部变形时效特征，对桩-软岩复合地基流变机理进行了系列试验研究。桩底压力以及桩间软岩变形时效特征明显，桩-软岩复合地基在工程荷载作用下的衰减蠕变可采用5参量广义开尔文模型进行描述，其流变参数为EH=1.1 GPa，E1=7.05 GPa，η1=929 GPa·h，E2=9.03 GPa，η2=28 GPa·h，与软岩地基比较，桩-软岩复合地基流变参数明显提高。

桩-软岩复合地基；缩尺模型；流变试验；流变机理；广义开尔文模型

软岩具有较强的流变性，当作为垂直升船机等上部结构复杂的建筑物的地基时，其时效变形问题将被重点关注。为了提高软岩地基的承载能力，改善软岩变形性质，在软岩地基中加桩构成桩-软岩复合地基。基础上部结构载荷通过承台传递给下部的桩与软岩共同承担，桩所分担的压力又通过桩侧阻力和端阻力作用于软岩，桩与软岩相互作用，流变机理复杂。文献[1-4]对桩-土相互作用进行室内模型试验研究，文献[5-13]采用理论分析或数值模拟方法对桩-土流变以及时效变形进行研究。本文采用缩尺模型现场流变试验研究桩-软岩复合地基流变机理。

1 桩-软岩复合地基缩尺模型现场流变试验

桩-软岩复合地基流变试验在某拟建垂直升船机软岩地基上进行，复合地基缩尺模型由承台、软岩和9根钻孔灌注混凝土桩组成(图1(a)。软岩主要为页岩夹少量薄层粉细砂岩。混凝土桩桩径D=25 cm，中心间距75 cm，桩长L=600 cm。桩顶和软岩表面浇筑C25钢筋混凝土承台，承台尺寸225 cm×225 cm×30 cm(长×宽×厚度)。桩的弹性模量30 GPa，软岩弹性模量1 GPa。

采用9台3 000 kN千斤顶施加载荷(图1(b))。承台表面布置沉降变形测表观测复合地基沉降变形，承台外20 cm和40 cm岩体表面布置位移测表测量复合地基外侧岩体沉降变形。在1.51 MPa恒定压力下(工程设计压力)进行流变试验，当连续3 d沉降变形≤1 μm时，卸载观测回弹变形。桩-软岩复合地基流变试验蠕变与时间全过程关系曲线见图2(a)。

图1 复合地基流变试验桩与测表布置及加载装置Fig.1 Layout of test piles and displacement meters and loading device

在进行桩-软岩复合地基流变试验同时，采用圆形刚性承压板载荷流变方法进行了软岩现场流变试验。利用YLB-60现场流变试验系统施加恒定压力，光栅传感器测量软岩流变变形，获得软岩流变试验蠕变与时间全过程关系曲线见图2(b)。

图2 流变试验蠕变与时间全过程关系曲线Fig.2 Process curves of creep vs. time

在1.51 MPa恒定压力下，桩-软岩复合地基呈衰减流变，历时14 d趋于稳定。相比相近恒定压力下页岩流变试验稳定时间(83 d)明显缩短。

2 复合地基桩身应力、桩底压力以及沉降变形时效特征

图3 桩、软岩压力和沉降变形观测设备埋设布置Fig.3 Layout of measuring instruments for the pressure and settlement of piles and soft rock

在复合地基缩尺模型承台底、桩底埋设压力盒，在中心桩体(5#桩)内，沿深度1，2.8，3.8 m埋设应变计，软岩沿深度1.5，3，4.5，6 m处埋设多点位移计(图3)，观测承台上部施加1.51 MPa恒定压力时桩、软岩承受压力以及沉降变形时效特征。复合地基中心桩体(5#桩)桩身应力、桩底软岩压力(2#，4#，5#，6#桩底平均压力)、承台下软岩压力(4个压力盒平均值)、桩间软岩不同深度变形实测时效曲线分别见图4的(a)至(d)。

图4 实测时效曲线Fig.4 Measured aging curves

对复合地基中桩身应力、桩底软岩压力、承台下软岩压力、桩间软岩不同深度变形实测时效曲线进行分析，可得出如下结论：

(1) 桩-软岩复合地基中桩承担载荷主要部分(分担载荷75%以上)。桩轴力沿深度分布从上往下逐渐减小，上部时效特征更明显。中心桩体(5#桩)1 m处桩身应力从开始加载的13 MPa随时间逐渐增加到17 MPa，时效部分增加31%。

(2) 桩底压力以及承台下软岩压力都存在较明显的时效性，桩底压力时效部分增加47%，承台下软岩压力时效部分增加19%，桩底压力时效性更加显著。

(3) 桩间软岩深部变形量值远小于桩-软岩复合地基表面变形，但变形时效特征明显，1.5 m深度处时效变形增加84%，而桩-软岩复合地基表面变形时效变形仅增加20%。

3 复合地基流变机理分析

3.1 复合地基等效蠕变模型及蠕变参数

分析桩-软岩复合地基流变试验曲线(图2(a))有以下特点：在1.51 MPa恒压下呈衰减蠕变，变形随时间增长，但变形速率逐渐减小。卸载后有瞬时回弹和弹性后效，但回弹很快稳定，具有较大残余变形。将复合地基流变试验等效为矩形刚性承压板载荷流变试验，根据流变试验曲线特征，采用5参量广义开尔文蠕变模型进行拟合分析。

5参量广义开尔文蠕变模型见图5，本构方程见式1。

(1)

式中：ε为应变；σ为应力(GPa)；EH为hooke体弹性模量(GPa)；E1和E2分别为第1、第2 Kelvin体的弹性模量(GPa)；η1，η2分别为第1、第2 Kelvin体的黏滞系数(GPa·h)；t为时间(h)。

图5 扩充5参量广义开尔文蠕变模型Fig.5 Generalized Kelvin model with five parameters

复合地基黏弹弹性模量E1，E2，黏滞系数η1，η2通过拟合流变试验曲线进行优化取值，拟合曲线见图6(a)，蠕变参数见表1；软岩流变试验拟合曲线见图6(b)，蠕变参数见表1。同软岩比较，复合地基流变趋于稳定时间明显缩短，黏弹性流变参数明显提高。

图6 流变拟合曲线Fig.6 Fitted curves of rheology (enlarged)

表1 5参量广义开尔文蠕变模型参数Table 1 Kelvin model parameters of composite foundation

3.2 桩-软岩复合地基流变机理分析

图7 桩-软岩复合地基受力简图Fig.7 Simplified sketch of forces on the pile-soft-rock composite foundation

桩-软岩复合地基受力情况简化如图7，上部载荷通过承台传递给桩与软岩共同承担。

桩承担载荷主要部分产生下沉蠕变，桩与软岩相对错动以及桩底剩余端承力对软岩施加压力产生沉降，二者蠕变协调构成桩的下沉蠕变。软岩则直接分担部分载荷沉降蠕变。桩的下沉蠕变与软岩下沉蠕变协调，构成桩-软岩复合地基流变特征。

软岩流变主要由3部分组成：一是承台下软岩直接分担上部载荷沉降蠕变，由于分担载荷不大，相对蠕变较小；二是桩侧摩阻力带动桩周软岩沉降蠕变，这部分影响范围有限；三是桩底软岩承受桩底剩余端承力产生沉降蠕变，由于剩余端承力较小，且影响范围不大，这部分沉降蠕变很小。根据桩间软岩多点位移计测量成果，其沉降变形以及蠕变量值都不大。

承台的作用使得承台下软岩、桩间软岩、桩端软岩共同承担上部载荷，承台、桩、软岩共同作用，相互影响。一方面，桩承担上部主要载荷部分，这部分主要载荷通过刚性桩向软岩深部转移；另一方面，施加载荷通过承台对软岩产生附加应力，在该压力作用下，桩的侧摩阻力提高，减小桩的下沉蠕变，从而改善复合地基流变特性。

4 结 语

(1) 通过桩-软岩复合地基缩尺模型现场流变试验，获得了桩身应力、桩底压力、承台下软岩压力、软岩深部变形时效曲线以及桩-软岩复合地基流变曲线。桩底压力时效性以及桩间软岩变形时效性相对明显。

(2) 复合地基中桩承担载荷主要部分，桩所承担的载荷通过桩侧阻力和桩端阻力向桩间软岩及桩下软岩转移。桩相对软岩错动以及桩底端承力作用于软岩产生沉降，二者蠕变协调构成桩的下沉蠕变。承台的作用使得桩的下沉蠕变与软岩下沉蠕变协调，构成桩-软岩复合地基流变特征。

(3) 与软岩地基比较，桩-软岩复合地基流变性质得到较大的改善。桩-软岩复合地基流变特征可采用5参量广义开尔文蠕变模型进行描述，蠕变参数：EH=1.1 GPa，E1=7.05 GPa，η1=929 GPa·h，E2=9.03 GPa，η2=28 GPa·h。明显高于软岩蠕变参数。

[1] 王幼青，张克绪，朱腾明．桩-承台-地基土相互作用试验研究[J]．哈尔滨建筑大学学报，1998，31(2)：3l-37．(WANG You-qing，ZHANG Ke-xu，ZHU Teng-ming．Test Research on the Interaction in Pile-cap-Foundation Soil[J]．Journal of Harbin University of Civil Engineering & Architecture，1998，31(2)：31-37. (in Chinese))

[2] 王 浩,周 健, 邓志辉.桩-土-承台共同作用的模型试验研究[J]. 岩土工程学报，2006,28(10)：1253-1258. (WANG Hao, ZHOU Jian, DENG Zhi-hui. Model Tests on Pile-soil-cap Interaction[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006,28(10)：1253-1258. (in Chinese))

[3] 宰金珉，蒋 刚，王旭东，等．极限荷载下桩筏基础共同作用性状的室内模型试验研究[J]．岩土工程学报，2007，29(11)：1597-1603．(ZAI Jin-min，JIANG Gang，WANG Xu-dong，etal．Model Test on Pile-raft Foundation Interaction under Ultimate Load[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(11)：l597-1603. (in Chinese))

[4] 王 涛，刘金砺．桩-土-桩相互作用影响的试验研究[J]．岩土工程学报，2008，30(1)：100-105．(WANG Tao，LIU Jin-li．Tests on Influence of Pile-soil-pile Interaction[J]．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30 (1)：100-105. (in Chinese))

[5] 王建华,陆建飞,沈为平.层状地基中考虑固结和流变的垂直单桩的理论分析[J]. 水利学报, 2001, (4): 57-61.(WANG Jian-hua, LU Jian-fei, SHEN Wei-ping. Theoretical Study of Single-Layered Saturated Soil Considering the Consolidation and Rheology[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001, (4):57-61. (in Chinese))

[6] 樊怀仁.水泥土桩复合地基的流变分析[J]. 长安大学学报 (自然科学),2002,22(5):17-19. (FAN Huai-ren. Rheological Analysis of Cement-Soil Composite Foundation[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2002, 22(5): 17-19. (in Chinese))

[7] 程泽海,凌道盛,陈云敏. 桩筏基础在竖向荷载作用下的时间效应[J]. 土木工程学报, 2004, 37(2): 73-77. (CHENG Ze-hai, LING Dao-sheng, CHEN Yun-min. Time Effects on Piled Raft Foundation Under Vertical Loading[J]. China Civil Engineering Journal, 2004, 37(2): 73-77. (in Chinese))

[8] 李忠诚,张 伟. 竖向荷载作用下群桩基础沉降的时效分析[J]. 地下空间与工程学报,2005,1(5):765-767. (LI Zhong-cheng, ZHANG Wei. Research on Group Pile Settlement under Vertical Load Considering Time Effect[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 1(5): 765-767. (in Chinese))

[9] 曾庆有,周 健,屈俊童.考虑应力应变时间效应的桩基长期沉降计算方法[J]. 岩土力学,2005, 26(8):1283-1287. (ZENG Qing-you, ZHOU Jian, QU Jun-tong. Method for Long-term Settlement Prediction of Pile-foundation in Consideration of Time Effect of Stress-strain Relationship[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(8): 1283-1287. (in Chinese))

[10]曹海莹,王树仁,陈铁军. 单桩沉降的时效分析[J]. 河北科技师范学院学报，2007，21(2)：39-42. (CAO Hai-ying, WANG Shu-ren, CHEN Tie-jun. A Time Effect Analysis of Single Pile Settlemen[J]. Journal of Hebei Normal University of Science & Technology, 2007，21(2)：39-42. (in Chinese))

[11]高绍武，王建华，王恺敏. 考虑固结和流变的土-单桩-筏共同作用研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(11):1954-1959. (GAO Shao-wu, WANG Jian-hua, WANG Kai-min. Study on Soil-pile-raft Interaction with Consideration of Soil Consolidation and Rheology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(11): 1954-1959. (in Chinese))

[12]栾茂田，崔春义，杨 庆. 考虑流变与固结效应的桩筏基础-地基共同作用分析[J]. 岩土力学，2008, 29(2): 289-295. (LUAN Mao-tian, CUI Chun-yi, YANG Qing. Analysis of Interaction of Piled-raft and Foundation Considering Both Effects of Soil Rheology and Foundation Consolidation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008,29(2): 289-295. (in Chinese))

[13]范秋雁，阳克青，王渭明. 泥质软岩蠕变机制研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010,29(8):1555-1561. (FAN Qiu-yan, YANG Ke-qing, WANG Wei-ming. Study of Creep Mechanism of Gillaceous Soft Rocks[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(8): 1555-1561. (in Chinese))

(编辑：姜小兰)

Scale Model Test on the Rheological Mechanism ofPile-Soft-Rock Composite Foundation

ZHOU Huo-ming, XIONG Shi-hu, HUANG Zheng-jia, ZHONG Zuo-wu

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China)

Prediction of the aging deformation of pile-soft rock composite foundation depends on the understanding of rheological mechanism and the description of the rheological model. The rheological mechanism of pile-soft rock composite foundation was researched by analyzing the aging characteristics of pile stress, tip resistance of piles, pressure in rock surface under pile cap, and deformation in the deep of soft rock through scale model loading creep test. Results indicated that the tip resistance of piles and the deformation of soft rock between piles are both withobvious aging characteristics. The decay creep of the composite foundation under engineering loads can be accurately described by generalized Kelvin model with five parameters. The values of the five model parameters are as follows:EH=1.1 GPa,E1=7.05GPa,η1=929 GPa·h,E2=9.03 GPa,η2=28 GPa·h. The rheological parameters of the composite foundation are significantly higher than those of soft rock foundation.

pile-soft rock composite foundation; scale model; creep test; rheological mechanism; generalized Kelvin model

2013-10-30；

2013-12-12

周火明(1963-)，男，湖北新洲人，教授级高级工程师，硕士，主要从事岩石力学试验研究方面的工作，(电话)027-82820425(电子信箱)1152259016@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.014

TU47

A

1001-5485(2015)02-0064-04

2015,32(02):64-67,71