复合地基侧向力学性状离心试验方案研究与设计

李连祥，符庆宏，张海平，扈学波

(1.山东大学 基坑与深基础工程技术研究中心，山东 济南 250061；2.济南西城投资开发集团有限公司，山东 济南 250300)

复合地基侧向力学性状离心试验方案研究与设计

李连祥1，符庆宏1，张海平2，扈学波1

(1.山东大学 基坑与深基础工程技术研究中心，山东 济南 250061；2.济南西城投资开发集团有限公司，山东 济南 250300)

通过对复合地基侧向力学性状的离心模型试验方案研究，克服了复合地基模型制备、结构构件模拟、数采系统布置、坑边超载施加以及基坑开挖方式等试验关键技术困难；同时利用数值软件PLAXIS 3D模拟试验工况，预期试验结果，大体把握各工况下地基变形、支护和CFG桩受力变形以及墙后土压力等的分布和变化规律；初步认为CFG桩水平变形和变形范围均随与基坑边界距离的增大而减小，复合地基CFG桩处沉降远低于桩间土沉降，表现为上刺入褥垫层。坑边超载使得CFG桩对地基土体的加固作用、对支护结构的贡献以及CFG桩自身变形的有效控制效果凸显出来。

岩土工程；复合地基；侧向力学性状；基坑开挖；离心模型试验方案；数值模拟

0 引 言

随复合地基理论日渐成熟，大量高层建筑采用了CFG桩复合地基。近年来，城市建设的进一步加快，使大批既有复合地基建筑成为拟建或新建建筑基坑工程保护的重要目标。新的基坑开挖，引起原有建筑地基基础侧向卸荷，从而导致复合地基及既有建筑位移。因此，新建基坑支护结构必须保证原有复合地基和既有建筑的安全，克服因基坑开挖导致复合地基变形影响。目前，国内外缺乏针对侧向开挖条件下既有复合地基力学性状及其基坑支护结构理论的研究[1-4]，使工程界缺乏正确进行此类基坑工程设计的理论和方法[5]。设计人员一般忽略既有复合地基增强体，无视既有群桩能够减少支护结构位移的有利作用[6-7]，而把复合地基看成原状土，保守地进行基坑工程设计，造成了大量的资源浪费[8]。因此，开展侧向开挖条件下复合地基力学性状研究，掌握复合(土)体与基坑支护结构的相互作用机理，建立以保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，具有紧迫的工程价值和长远的理论意义。

传统岩土工程室内试验是在常重力条件下进行，由于无法或很难再现现场实际尺寸条件，不能反映原型的应力状态，必然导致模型试验无法模拟原型所发生的现象。

离心模型试验能够利用土工离心机为模型提供离心力，在模型内部形成Ng加速度的超重力场，还原原型应力场，在此基础上研究原型中构件特性等内容[9-12]，被广大学者认为是目前进行岩土工程技术研究中最先进、最有效的试验方法。C．F．Leung等[13-15]和D．E．L．Ong等[16]在新加坡国立大学土工离心机上开展了一系列基坑工程离心模拟试验，分别考虑了稳定挡墙、非稳定挡墙后临近基坑支护结构的单桩、群桩在基坑不同开挖工况下的受力变形特性；R．J．Finno等[17]通过离心机试验研究基坑开挖引起的临近桩基响应；W．Powrie等[18]通过离心机试验研究超固结高岭黏土地基上具有两道支撑的基坑挡墙受力变形；马险峰等[19]和徐前卫等[20]以上海某挖深38 m的超深基坑工程为背景，利用离心模型试验研究了不同工况下超深基坑开挖引起的围护结构受力变形、土压力变化、地表沉降。

离心模型试验用于基坑工程稳步发展，但匮乏研究CFG桩复合地基侧向力学性状的离心机试验，因此设计此类试验，研究复合地基CFG桩和支护结构特性等具有创新性。

以济南市省会文化中心项目大剧院台仓基坑工程为依托，设计了4组离心模型试验，旨在研究不同置换率的CFG桩复合地基存在下，基坑开挖引起的支护结构内力变形、CFG桩内力变形、地基土体位移场、主动区土压力分布形式及变化规律。主要从模型相似比、支护结构和CFG桩的模拟、传感器布置、基坑开挖方法、坑边超载施加等方面进行叙述，并以PLAXIS 3D软件模拟分析，预期试验结果，为后续和相关试验提供指导和参考。

1 试验设计

1.1 试验设备

试验在浙江大学软弱土与环境教育部重点实验室的大型土工离心机ZJU-400上进行。其相关的主要技术参数如表1。

表1 土工离心机ZJU-400主要相关参数Table 1 The major relevant parameters of ZJU-400

1.2 离心加速度

本次离心机试验以济南省会文化艺术中心项目大剧院台仓基坑为背景。该基坑开挖深度12.8 m，基坑周边地基均以CFG桩进行加固，形成复合地基；上覆荷载220 kPa，基坑支护采用双排钢筋混凝土钻孔灌注桩+背拉锚杆形式，桩长22 m。试验目的是研究侧向开挖条件下群桩复合(土)体与支护结构受力和变形性状，如图1。综合考虑场地面积、支护桩和CFG桩桩长、地层条件、离心机参数等因素，选定此次离心模型试验相似比尺为1∶40，即离心机设计加速度为40g。为简化试验，采用悬臂式支护结构，基坑开挖深度适当减小，最终确定为8 m，复合地基上覆荷载最大值150 kPa。

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

离心模型试验遵循相似理论，根据相似第一、第二、第三定理，离心试验中常用物理量的相似比如表2。试验方案的设计以相关相似比尺为依据。

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：相似比尺是模型与原型之比；离心加速度Ng。

1.3 地基模型设计

1.3.1 地基土制备

模型土体材料采用场地粉质黏土，土体参数如表3。地基以分层夯实法制备。制备过程采用先将原形土体进行烘干处理；后加入计算所需水量，搅拌均匀；闷土12 h后分层填筑，并夯实至目标密实度。制备中以每一层组成成分的质量和夯后土体厚度为主要控制指标。

表3 粉质黏土物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of silty clay

1.3.2 CFG桩模拟

根据相关设计资料，复合地基中的CFG桩是采用长螺旋钻机成孔，管内泵压混凝土成桩，混凝土强度等级C20，直径Ø400 mm。CFG桩主要承受上部荷载，因此模型桩制作中考虑CFG桩抗压刚度等效，同时以面积置换率m为目标，模拟现场布桩。采用方形布桩形式，置换率如式(1)：

(1)

式中：m为面积置换率；d为桩径；s为桩间距。

本次试验为保证应变片测量的准确性，选择以铝管桩模拟CFG桩，模型桩的尺寸及桩间距如表4。

表4 CFG模型桩相关参数Table 4 The relevant parameters of simulated CFG piles

1.3.3 支护结构桩模拟

根据相关设计资料，实际工程中基坑支护采用双排桩+背拉锚杆的支护形式，支护桩桩距a=1 600 mm，支护桩排距b=2 100 mm，设冠梁。前后排桩相同，桩径Ø600 mm，桩长22 m，为钢筋混凝土钻孔灌注桩。

离心模型试验拟采用铝合金板模拟基坑支护桩。工程中支护桩主要承受的是水平力，因此模型应根据抗弯刚度等效的原则进行换算，即：Ep×Ip=N4×Em×Im。铝合金6061材料的弹性模量为EAl=68.9 GPa，泊松比νAl=0.330；C30混凝土弹性模量Ec=3.0×104MPa，泊松比νc=0.20；钢筋的弹性模量Es=2.0×105MPa。

计算得到铝板参数：高度550 mm，厚度9.5 mm，宽度400 mm。

1.3.4 传感器布置

为监测支护结构内力变形、CFG桩内力变形、地表沉降、主动区土压力等，本次试验布置弯矩应变片、轴力应变片、激光位移传感器、微型土压力传感器、GeoPIV等测量装置，如图2。

图2 有、无超载试验模型(单位：mm)Fig.2 Test models with/without the surcharge load

1) 激光位移传感器

激光位移传感器在无加载的试验中布置，每组试验布置5个，量程50 mm，布置在地基模型中间位置，距基坑边分别为：50，150，250，350，450 mm；如图〔2(a)〕。

2) 土压力传感器

土压力传感器在每一组试验中都有布置，每组实验布置6个，量程500 kPa，布置在支护结构背后20 mm位置，沿深度方向上距离地表分别为：50，140，230，320，410，500 mm；如图〔2(a)〕。

3) 应变片

根据测试需要试验中以全桥形式布置轴力和弯矩两种应变片。弯矩应变片布置在支护结构和CFG桩上，轴力应变片布置在CFG桩上，具体可参考图3。

图3 挡墙和CFG桩应变片布置(单位：mm)Fig.3 Arrangement of strain gauges on the retaining wall and CFG piles

4) PIV

首先布置PIV标记点，间距5 cm，布置好的标记点应覆以2 mm厚有机玻璃板保护，以免地基土体移动带动标记点移动。

1.4 基坑开挖方法

基坑工程工况复杂，模拟困难，尤其是基坑开挖模拟，是基坑工程离心模型试验中的最关键的问题，对实际工况模拟的好坏，将直接影响试验的结果。现有的超重力模型试验中基坑开挖方式大体可归纳为：停机开挖方法[21]；排放代土液体开挖方法[13-16,18]；微型机器人开挖方法[22]。考虑到试验目的是研究侧向力学性状，同时兼顾可操作性，本次试验采用停机开挖。

1.5 坑边超载施加方法

本次试验中为真实模拟复合地基的存在，在其中两组既有复合地基基坑开挖试验中，基坑边施以150 kPa均布荷载，选择合理的荷载施加方法对试验成败尤为重要。

1.5.1 荷载施加综述

对于离心模型试验中的荷载施加，可以归纳为以下4种方法：

1)以伺服电机施加集中荷载及循环荷载[23]。通过轴力传感器监控荷载值，远程控制电机伸缩，向结构构筑物施加荷载，但不适用于地基均布荷载的施加。

2)提高离心加速度模拟荷载的施加。离心加速度提供超重力场，地基自重应力的改变本身就是一种荷载施加方法，但此类试验中一般仅研究地基特性，而非结构物。

3)以刚性物体置于地基表面模拟加载[24]。刚性物体在离心力提高后自重增大，能够模拟实际中的荷载，但却不能模拟荷载的分布及传递过程。刚形体放置到地基土表层，会产生应力集中，使荷载分布不均匀。

4)以气囊或水囊充气或水，并施以反力加载。该方法是目前最为理想的荷载施加方法，能够将地基上部荷载均匀有效地传递，应用到规则地基中较为方便。所谓规则地基的定义：模型尺寸规则，模型分布到整个模型箱内，荷载分布到整个地基表面，试验过程中不会人为改变地基模型。相对于规则模型，不规则模型中采用气囊或水囊加载复杂，要考虑荷载分布区域，气囊或水囊膨胀等因素。如基坑开挖离心模型试验中，荷载分布在基坑边一定范围内，加载时气囊或水囊膨胀，因此要在气囊四周予以保护。

综合考虑，此次试验中以第4种气囊加载方式施加复合地基上部超载，考虑到该方法可能出现的问题，予以改进。

1.5.2 气囊加载方案设计

荷载施加装置由3部分组成：气囊、反力板和L型错动板。

反力板固定在支架上，气囊置于反力板下，反力板为气囊提供反力；离心加速度提高和气囊充气膨胀，必然导致复合地基下沉，而反力板不能随着下沉，使得气囊从地基与反力板空隙中挤出，涨破。L型错动板的存在解决了该问题，L型错动板一面与反力板侧壁光滑接触，一面与地基土接触，从而保证气囊不会从空隙中挤出。

整个加载装置的构造如图4。改进后的气囊加载方案实现了不规则模型中荷载任意区域的布置。

图4 均布加载装置构造示意(单位：mm)Fig.4 Schematic structure of uniform loading device

2 试验总体方案

根据试验目的，设计4组离心机试验，如表5。分别进行粉质黏土中3种不同置换率(0，0.031 3，0.087 2)的试验。试验中测量地基土体位移、支护板力学性状、CFG桩力学性状以及墙后土压力的分布和变化规律。

表5 试验安排Table 5 Test programs /mm

2.1 比较工况1和工况2试验结果

研究无载情况不同置换率复合地基侧向开挖条件下，复合地基与支护结构的共同作用机制，明确不同置换率对支护结构和CFG桩力学性状的影响规律。

2.2 比较工况3和工况4试验结果

研究有载情况不同置换率复合地基侧向开挖条件下，复合地基与支护结构的共同作用机制，明确超载作用对不同置换率复合地基及其支护结构的力学性状。

2.3 比较工况2和工况4试验结果

可研究相同置换率复合地基有无超载情况对相关指标的分布及变化影响。

3 试验结果预期

为探究试验中可能存在的问题，利用PLAXIS 3D对试验模拟，预期可能出现的试验结果。分析中考虑试验设计的4种工况，通过对模拟结果提取与整理，得到各工况下地基变形、支护和CFG桩受力变形、墙后土压力分布及变化规律等。

3.1 地表沉降

图5为4组试验中地表(桩顶平面)沉降大致形式，浅层开挖对沉降影响小；地基沉降初步判断呈凹槽型，对比工况1和2，有CFG桩的地基沉降较小，但CFG桩对沉降控制不明显；对比工况3和4，上覆荷载使CFG桩对地基的加固作用体现出来，较高置换率的复合地基沉降小；相同点是地基表面沉降在CFG桩位置处小，表现为CFG桩上刺入褥垫层中，褥垫层在复合地基中起重要作用。

图5 地表沉降Fig.5 Surface settlement

3.2 支护结构水平变形和弯矩

3.2.1 支护水平变形

图6中给出的4组试验中支护结构变形。基坑开挖引起的悬臂式支护结构变形在粉质黏土中为悬臂式；对比工况1和2，有CFG桩无荷载时，支护变形较小，但影响不明显；对比工况3和4，上覆荷载加大了支护变形，也使得CFG桩对地基的加固作用凸显，即较高置换率的复合地基支护变形更小；图6中第3步开挖引起的变形显著增长始于13 m位置，约为开挖深度(8 m)的1.6倍。

图6 支护结构变形Fig.6 Deformation of the retaining structure

3.2.2 支护弯矩

图7中给出的4组试验中支护结构弯矩。基坑开挖引起的支护结构弯矩两端小，中间大；对比工况1，3和4，上覆荷载加大了支护结构的弯矩，较高置换率的复合地基中支护弯矩小，说明其对地基的加固作用更明显；图7中支护结构最大弯矩均在10 m深度位置，约为开挖深度(8 m)的1.3倍。

图7 挡墙弯矩分布Fig.7 Induced bending moment

3.3 CFG桩水平变形

图8是工况2～工况4模拟中得到的CFG桩水平变形形式，表6中是第3步开挖引起的CFG桩桩顶水平位移值。从图8中可知不同置换率条件下，CFG桩水平变形和变形范围都随距基坑边距离的增大而减小；从表中可知较高置换率复合地基中CFG桩的水平变形较小。

图8 CFG桩水平变形形式Fig.8 Horizontal deformation types of CFG piles

表6 第3步开挖CFG桩桩顶水平位移值Table 6 Horizontal displacement values at the top of CFG piles in the 3rd excavation stage /mm

3.4 支护后土压力

墙后位置处土压力沿深度分布随开挖变化如图9。开挖使挡墙变形，土体卸荷，土压力减小；在有CFG桩和有荷载工况3、工况4的模拟中，土体卸荷较明显；所有组中第3步开挖引起的土体卸荷都是最明显的，而且变化范围从地基表面延伸至13 m深度位置，与支护水平变形显著增长区域相吻合，约为开挖深度(8 m)的1.6倍；在支护结构13 m以下部分，土压力有增大的趋势，表明支护下部对土体有一定的加强或挤密作用。

图9 主动区土压力随开挖变化形式Fig.9 The induced earth pressure profiles in active area along with excavation

复合地基存在深度内，支护结构侧压力小于土体情况，无载条件下基本一致，有载情况置换率高的更加明显；超过复合地基深度，支护结构侧压力大于土体，置换率高的越发明显，说明复合地基受压作用下显著的荷载传递能力，与土体主动土压力不一致，不能够忽视复合地基存在，进行类似基坑工程设计。

4 结 论

1)复合地基侧向力学性状的离心模型试验牵涉离心模型试验中众多的关键技术问题，包括复合地基模型制备、结构构件模拟、数采系统布置、坑边超载施加以及基坑开挖研究等。试验方案的研究设计正是对诸类关键问题作可行的解答，对后续试验顺利进行奠定基础。

2)本次试验针对既有加载方法的不足，设计了一种改进的超载施加装置，与既有方法相比，改进的加载方法能实现不规则模型中荷载任意区域的布置。针对本次试验，即在基坑周边施加可控均布荷载，并且荷载传递更准确。

3)针对试验设计的4种工况，利用数值软件PLAXIS 3D模拟，预期可能出现的试验结果，通过对模拟结果的数据提取与整理，大致得到各工况下地基变形、支护和CFG桩受力变形以及墙后土压力等的分布和变化规律。模拟结果既是对试验的预期也将是对试验的对比，对于把握试验过程中的重点科学现象，揭示科学问题作好充分准备。

4)通过对模拟结果的分析可知，对于未施加超载的工况，不同置换率的结果差别不大，而施加超载的工况，置换率不同结果差异较明显，故初步认为坑边超载使得复合地基CFG桩对地基土体的加固作用、对支护结构的贡献以及CFG桩自身变形有效控制的效果凸显出来。

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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

山东省优秀中青年科学家科研基金项目(BS2013SF024)；济南市科技计划项目(201201145)

李连祥(1966—)，男，河北唐山人，研究员，博士，硕士生导师，主要从事土力学及岩土工程方面的研究。E-mail：jk_doctor@163.com。

符庆宏(1990—)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事地下工程及岩土工程方面的研究。E-mail：shandafqh@163.com。

TU441；O346

A

1674-0696(2016)02-080-09