刚性桩地基离心模型试验

吴贤国， 戴小松， 张凯南， 刘 洋， 凌 诚

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074； 2. 中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉 430064； 3. 武汉大学 中南医院， 湖北 武汉 400071)

在软土地基修建高速公路和铁路需面临两个关键性问题，一是路堤在填筑过程中地基稳定性的保障，二是控制地基路基的变形量、不均匀沉降量[1]。因刚性桩具有较大的抗弯强度、刚度和抗剪强度，地基承载力大幅提高，可调性强，质量容易控制，施工速度快，工程造价低廉[2]，近年来刚性桩加固处理软土基得到国内外广泛应用。

导致刚性桩地基路基事故的主要原因是对刚性桩及刚性桩地基路基破坏模式认识不清，一些学者在现有案例下采用数值模拟分析对刚性桩的应力-位移规律、破坏模式、抗弯性能以及路基稳定性有所研究。夏元友等[3]对采集到的路基孔隙水压力和桩土相对位移数据进行分析处理，验证了刚性桩竖向土拱的存在性；刘吉福等[4]基于大量公路路基软基试验和监测工程，提出了根据复合地基沉降得到桩身弯矩的简易方法；杨德健等[5]探讨天津软土地区刚性桩复合地基、土、垫层共同作用的特点，分析不同荷载作用下刚性桩复合地基桩土位移场及桩土应力比的变化规律；郑刚等[6]对单桩位于路堤下不同位置时的路堤稳定性进行了研究，并与传统复合抗剪强度极限平衡法稳定分析结果进行对比；王长丹等[7]根据e-lgp曲线法计算地基沉降的方法对高速铁路刚性桩桩网复合地基进行沉降计算，并与现有复合地基计算方法及现场实测数据进行对比分析；符云峰[8]深入探讨刚性桩复合地基的荷载传递机理，引入分级加载的思想提出了一种刚性桩复合地基桩土应力比的计算方法；佟建兴等[9]通过与天然地基对比分析，获得了刚性桩复合地基的侧向土压力特性及分布规律。

截止目前为止，关于刚性桩地基的离心模型试验研究在国内外研究较少，本文以离心模型试验为工程背景，通过七个刚性桩地基模型试验结果分析刚性桩的破坏模式、位移-加速度、沉降量弯矩等规律，得到提高路基稳定性方法。

1 离心模型试验

1.1 试验方案

离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重损失。它比通常在静力(重力加速度)条件下的物理模拟更接近于实际。土是一种非线性变形材料,它的性状受应力水平的影响。当对土工构筑物进行物理模拟时，首要条件是保证模型的应力水平与原型相同。利用高速旋转的离心机，在模型上施加超过重力n倍的离心惯性力，补偿模型因缩尺1/n所造成的自重应力的损失，达到与原型相同的应力水平，这样就可以在模型中再现原状土工构筑物的性状。根据近代相对论的原理，重力与惯性力是等效的，而土的性质又不因加速度的变化而改变，因此，离心模拟技术对于以重力为主要荷载的土工构筑物来说就特别有效。离心模型试验采用南京水利科学研究院土工离心模型试验室 NHRI 400 g-ton 土工离心机(图1)。试验方案见表1，试验模型如图2～8。

图1 NHRI 400 g-ton 大型土工离心机

图2 M1模型尺寸/mm

图3 M2模型尺寸/mm

图4 M3模型尺寸/mm

图5 M4模型尺寸/mm

图6 M5模型尺寸/mm

图7 M6模型尺寸/mm

图8 M7模型尺寸/mm

表1 试验方案

1.2 模型制作

(1)土层制作

如图9，其中土层的平均密度、含水率、干密度如表2，粉质粘土抗剪强度指标如表3。

图9 软土层制作

表2 土层平均密度、含水率、干密度

表3 粉质黏土抗剪强度指标

(2)模型桩

M2～M4试验模型桩采用外径10 mm、壁厚1 mm的空心铝管代替。测试土压力的方桩边长15 mm(图10)。

图10 模型桩制作

2 离心模型试验结果

以M2离心模型为例，从刚性桩的位移、桩身弯矩、桩身水平土压力和桩身轴力角度阐述试验结果。

2.1 M2模型离心试验的位移

M2模型的离心试验的变形和位移如图11，刚性管桩的倾斜情况如图12，13为位移与离心加速度关系。

图11 变形照片和位移场

图12 管桩倾斜情况

图13 位移-加速度关系曲线

由图11～ 13可知：

(1)从加载开始至路基破坏，地基和路堤均向左侧产生水平位移；竖向位移则基本以左侧坡脚为界，左侧坡脚以内发生沉降；左侧坡脚以外发生隆起。

(2)路堤开裂之前，路堤以竖向位移为主，地基以水平位移为主，且位移主要发生在坡脚内侧及坡脚外局部范围内。随着加速度增大，发生较大位移的区域逐渐扩大，坡脚外隆起范围也不断扩大。

(3)最大水平位移大于最大地基沉降，水平位移面积大于地基沉降面积的主要原因是沉降面积统计不完整。试验结束后地基顶面线对应的沉降面积(106.0 cm2)大于隆起面积(82.4 cm2)。

(4)初始滑动面与最终滑动面不完全相同，初始滑动面经过路基中线附近，但其诱发滑动面后壁发生牵引式滑动，最终滑动面经过右侧坡肩附近。

(5)坡脚内侧0.16倍边坡宽度处水平位移最大，最大位移在软土层厚度的0.2倍处。

(6)滑动面之内管桩桩底端基本未发生沉降，桩顶降低主要是倾斜造成的，边坡范围的3根桩桩顶与桩间土基本齐平或低于桩间土，其他管桩顶高于桩间土。

(7)左边坡及坡肩附近的桩身上部位移大于桩间土位移，桩身中下部位移小于桩间土位移。靠近路基中线桩身位移大于桩间土位移。

(8)隆起量与加速度基本成线性关系。路堤开裂之后(30g左右)，沉降、水平位移与加速度的斜率增大；60g之后斜率又变缓，是路基滑动后达到新的平衡状态所致。

(9)路基破坏过程应为：桩间土荷载逐渐增大→桩间土位移逐渐增大→管桩逐渐倾倒→桩间距增大或桩承载力降低→桩间荷载进一步增大→路基滑塌。因此路基破坏的根源是桩间土荷载过大导致管桩倾倒。

2.2 M2模型离心试验桩身弯矩

如图14，15为桩身弯矩与深度和加速度的关系，从图可以看出：

(1)管桩负弯矩(桩体内侧受拉)较小且在较小荷载下就开始出现正弯矩(桩体外侧受拉)，说明管桩进入硬土层长度较小时锚固效果差、容易倾斜。

(2)弯矩-加速度曲线拐点或峰值对应的加速度多为40g，与路堤开裂时机基本吻合。

图14 桩身弯矩-深度关系曲线

图15 桩身弯矩-加速度关系曲线

2.3 M2模型离心试验桩身水平土压力

图16，17是嵌入方桩的微型土压力盒(土压力盒朝向路基中线一侧)测试的水平土压力。由图17可以看出：

(1)加速度10g时水平土压力与深度基本成线性，说明测试的土压力规律性较好。其后水平土压力随深度增大而增大，随着加速度的增大而增大；

(2)加速度在40g(4-2桩)或50g(4-1桩)之后，水平土压力随加速度增大的速率增大；13 cm范围内，深度越大，水平土压力与加速度的斜率越大，说明桩间土绕流趋势逐渐增大，特别是软土中部趋势更明显。

图16 桩身水平土压力-深度关系曲线

图17 桩身水平土压力-加速度关系曲线

(3)加速度大于10g后，桩身下部水平土压力与深度的斜率大于桩身上部，说明桩土存在负摩擦力，越靠近桩顶端，桩土相对位移越大，负摩擦力发挥越充分。

2.4 M2模型离心试验桩身轴力

由图18，19桩身轴力与深度、与加速度关系图可见：

(1)桩身轴力不大，说明桩间土承担较多荷载；

图18 桩身轴力-深度关系曲线

图19 桩身轴力-加速度关系曲线

(2)总体而言，随着加速度增大，桩身某个深度的轴力先增大后减小，加速度达到40g～50g时桩身轴力达到最大值，稍迟于路堤开裂时间；

(3)加速度小于20g时，桩身轴力沿深度有增大的趋势，其后变化规律不明显。

3 试验综合分析

试验的综合分析将从刚性桩断裂与竖向荷载实效关系分析、七种模型试验位移对比和受力对比三个角度来阐述。

3.1 刚性桩断裂与竖向承载失效关系分析

表4是各阶段对应的加速度。由表4可知，轴力峰值与路基开裂对应的加速度值接近，因此轴力衰减可以预警路基稳定性。

表4 不同阶段对应的加速度

表5是刚性桩地基路基离心模型试验中刚性桩轴力峰值对应的最大水平位移，刚性桩轴力峰值对应的最大水平位移与软土深度的比值为5.4%～14.9%，刚性桩轴力峰值前一级对应的最大水平位移与软土深度的比值为2.1%～7.45%。表6是CFG桩地基路基离心模型试验结束后路中线附近断裂CFG桩处的实测最大水平位移，CFG桩断裂时对应的最大水平位移可能小于表中数值。

表5 刚性桩轴力峰值对应最大水平位移

对比表5，6可知，刚性桩轴力峰值对应的最大水平位移大于桩断裂对应的最大水平位移。因此刚性桩受弯断裂后竖向承载力不一定马上失效，路基也不会马上失稳，只有继续加载、位移继续加大才会导致刚性桩竖向承载力失效、路基失稳。

表6 M5、M6路中线附近混凝土桩对应最大水平位移

3.2 位移对比

(1)管桩复合地基软土强度与位移对比

图20为管桩复合地基软土强度与位移对比图，由图20可知：

图20 管桩复合地基软土强度与位移对比

1) 各模型软土不排水抗剪强度从小到大依次为：M3，M2，M1，M4，M3-1；沉降、隆起从小到大依次为M3-1，M3，M4，M2，M1；侧向位移从小到大依次为M3-1，M4，M3，M2，M1。

2)M2，M3沉降、隆起、侧向位移小于M1，而其强度也小于M1，说明复合地基稳定性大于天然地基。

3)M3软土强度小于M2，M1，M4，而沉降、隆起小于M2，M1，M4，说明桩顶设置连梁有利于路基稳定。

4)M4沉降、隆起大于M3，但是软土强度大于M3，说明增加强度深度的作用不如桩顶设置连梁。

(5)M2沉降、隆起大于M4，同时M2软土强度大于M4，因此无法说明增加嵌固深度对路基稳定的作用。

(2)CFG桩复合地基软土强度与位移对比

图21为和CFG桩复合地基软土强度与位移的对比，由图21可知：

1)软土不排水抗剪强度由小到大依次为M6，M7，M1，M5，M4；隆起量、侧向位移、沉降由小到大依次为M4，M6，M5，M7，M1。

2)M1隆起和沉降均大于M6，M7，且M1软土不排水抗剪强度大于M6，M7，因此CFG桩复合地基相对天然地基的稳定性高。

3)M6隆起量、侧向位移、沉降小于M5，但M6软土不排水抗剪强度小于M5，因此软基厚度减小有利于复合地基稳定性。

图21 CFG桩复合地基软土强度与位移对比

4)M7隆起量、侧向位移、沉降大于M6，但M7软土不排水抗剪强度大于M6，因此，刚性桩存在断裂缺陷会降低路基稳定性。

5)虽然M4的沉降和隆起均小于M6，但是M4软土不排水抗剪强度大于M6，因此不能说明管桩复合地基稳定性大于参数相同的CFG桩复合地基。

3.3 受力对比

七组离心模型试验的受力对比主要参照表7。

表7 不同试验的弯矩对比

由表7可以看出：

(1)由M2，M3，M3-1可知，嵌固深度为2d(d为刚性桩直径)时，最大正弯矩大于最大负弯矩；由M4～M7可知，嵌固深度为7d时，最大负弯矩大于最大正弯矩。

(2)由M2，M3，M3-1可知，桩间土绕流时，软土强度越大，绕流阻力越大，导致桩身弯矩越大。

4 结 论

论文基于七组离心模型试验，从试验方案、模型制作、试验结果和综合分析，分析七个离心模型刚性桩断裂时竖向承载失效关系、软土地基沉降对比、刚性桩桩身弯矩对比，结果表明：

(1)刚性桩常见破坏模式为桩身倾倒和受弯断裂，桩身最大正、负弯矩绝对值随着加速度的增大而增大，当桩身断裂或倾倒时桩身弯矩变化规律差。而CFG桩通常受弯断裂，软硬土层交界处桩身弯矩可能大于桩身上部弯矩，CFG桩通常在该处和软土层中部附近发生断裂。滑动面由三段直线组成，滑动面中部最明显且最早出现，两端不明显。前端接近于被动区，后端接近于主动区。初始滑动面后壁往往诱发滑动面外侧土体变形和坍塌。

(2)通常情况下坡脚内侧发生沉降，坡脚外侧发生隆起；路基两侧软土水平位移受到约束时，坡脚内一定范围内也发生隆起。路基隆起量、沉降量、水平位移等与加速度基本呈线性关系，路基开裂对其影响不明显；桩身轴力、水平土压力随加速度的变化规律在路基开裂前后产生变化。

(3)刚性桩复合地基可以有效提高路基稳定性，增大嵌固深度、桩顶设置连梁均可提高路基稳定性，桩顶设置连梁作用大于增大嵌固深度。加速度较小时，桩身断桩缺陷并未影响桩身轴力的传递，但会降低路基稳定性，软土厚度变小可以提高路基稳定性。刚性桩轴力峰值对应的最大水平位移大于桩断裂对应的最大水平位移，刚性桩受弯断裂后竖向承载力不一定马上失效，路基也不会马上失稳。