樁-軟巖復(fù)合地基流變機(jī)理縮尺模型試驗(yàn)研究

周火明，熊詩(shī)湖，黃正加，鐘作武

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

樁-軟巖復(fù)合地基流變機(jī)理縮尺模型試驗(yàn)研究

周火明，熊詩(shī)湖，黃正加，鐘作武

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

樁-軟巖復(fù)合地基承受上部載荷時(shí)，時(shí)效變形預(yù)測(cè)依賴(lài)于對(duì)其流變機(jī)理的認(rèn)識(shí)以及對(duì)流變模型的合理描述，為分析其流變機(jī)理，通過(guò)樁-軟巖復(fù)合地基縮尺模型載荷試驗(yàn)，研究了樁身應(yīng)力、樁底壓力、承臺(tái)下軟巖壓力以及軟巖深部變形時(shí)效特征，對(duì)樁-軟巖復(fù)合地基流變機(jī)理進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究。樁底壓力以及樁間軟巖變形時(shí)效特征明顯，樁-軟巖復(fù)合地基在工程荷載作用下的衰減蠕變可采用5參量廣義開(kāi)爾文模型進(jìn)行描述，其流變參數(shù)為EH=1.1 GPa，E1=7.05 GPa，η1=929 GPa·h，E2=9.03 GPa，η2=28 GPa·h，與軟巖地基比較，樁-軟巖復(fù)合地基流變參數(shù)明顯提高。

樁-軟巖復(fù)合地基；縮尺模型；流變?cè)囼?yàn)；流變機(jī)理；廣義開(kāi)爾文模型

軟巖具有較強(qiáng)的流變性，當(dāng)作為垂直升船機(jī)等上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物的地基時(shí)，其時(shí)效變形問(wèn)題將被重點(diǎn)關(guān)注。為了提高軟巖地基的承載能力，改善軟巖變形性質(zhì)，在軟巖地基中加樁構(gòu)成樁-軟巖復(fù)合地基?；A(chǔ)上部結(jié)構(gòu)載荷通過(guò)承臺(tái)傳遞給下部的樁與軟巖共同承擔(dān)，樁所分擔(dān)的壓力又通過(guò)樁側(cè)阻力和端阻力作用于軟巖，樁與軟巖相互作用，流變機(jī)理復(fù)雜。文獻(xiàn)[1-4]對(duì)樁-土相互作用進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[5-13]采用理論分析或數(shù)值模擬方法對(duì)樁-土流變以及時(shí)效變形進(jìn)行研究。本文采用縮尺模型現(xiàn)場(chǎng)流變?cè)囼?yàn)研究樁-軟巖復(fù)合地基流變機(jī)理。

1 樁-軟巖復(fù)合地基縮尺模型現(xiàn)場(chǎng)流變?cè)囼?yàn)

樁-軟巖復(fù)合地基流變?cè)囼?yàn)在某擬建垂直升船機(jī)軟巖地基上進(jìn)行，復(fù)合地基縮尺模型由承臺(tái)、軟巖和9根鉆孔灌注混凝土樁組成(圖1(a)。軟巖主要為頁(yè)巖夾少量薄層粉細(xì)砂巖?；炷翗稑稄紻=25 cm，中心間距75 cm，樁長(zhǎng)L=600 cm。樁頂和軟巖表面澆筑C25鋼筋混凝土承臺(tái)，承臺(tái)尺寸225 cm×225 cm×30 cm(長(zhǎng)×寬×厚度)。樁的彈性模量30 GPa，軟巖彈性模量1 GPa。

采用9臺(tái)3 000 kN千斤頂施加載荷(圖1(b))。承臺(tái)表面布置沉降變形測(cè)表觀測(cè)復(fù)合地基沉降變形，承臺(tái)外20 cm和40 cm巖體表面布置位移測(cè)表測(cè)量復(fù)合地基外側(cè)巖體沉降變形。在1.51 MPa恒定壓力下(工程設(shè)計(jì)壓力)進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，當(dāng)連續(xù)3 d沉降變形≤1 μm時(shí)，卸載觀測(cè)回彈變形。樁-軟巖復(fù)合地基流變?cè)囼?yàn)蠕變與時(shí)間全過(guò)程關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2(a)。

圖1 復(fù)合地基流變?cè)囼?yàn)樁與測(cè)表布置及加載裝置Fig.1 Layout of test piles and displacement meters and loading device

在進(jìn)行樁-軟巖復(fù)合地基流變?cè)囼?yàn)同時(shí)，采用圓形剛性承壓板載荷流變方法進(jìn)行了軟巖現(xiàn)場(chǎng)流變?cè)囼?yàn)。利用YLB-60現(xiàn)場(chǎng)流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)施加恒定壓力，光柵傳感器測(cè)量軟巖流變變形，獲得軟巖流變?cè)囼?yàn)蠕變與時(shí)間全過(guò)程關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2(b)。

圖2 流變?cè)囼?yàn)蠕變與時(shí)間全過(guò)程關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Process curves of creep vs. time

在1.51 MPa恒定壓力下，樁-軟巖復(fù)合地基呈衰減流變，歷時(shí)14 d趨于穩(wěn)定。相比相近恒定壓力下頁(yè)巖流變?cè)囼?yàn)穩(wěn)定時(shí)間(83 d)明顯縮短。

2 復(fù)合地基樁身應(yīng)力、樁底壓力以及沉降變形時(shí)效特征

圖3 樁、軟巖壓力和沉降變形觀測(cè)設(shè)備埋設(shè)布置Fig.3 Layout of measuring instruments for the pressure and settlement of piles and soft rock

在復(fù)合地基縮尺模型承臺(tái)底、樁底埋設(shè)壓力盒，在中心樁體(5#樁)內(nèi)，沿深度1，2.8，3.8 m埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，軟巖沿深度1.5，3，4.5，6 m處埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)(圖3)，觀測(cè)承臺(tái)上部施加1.51 MPa恒定壓力時(shí)樁、軟巖承受壓力以及沉降變形時(shí)效特征。復(fù)合地基中心樁體(5#樁)樁身應(yīng)力、樁底軟巖壓力(2#，4#，5#，6#樁底平均壓力)、承臺(tái)下軟巖壓力(4個(gè)壓力盒平均值)、樁間軟巖不同深度變形實(shí)測(cè)時(shí)效曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖4的(a)至(d)。

圖4 實(shí)測(cè)時(shí)效曲線(xiàn)Fig.4 Measured aging curves

對(duì)復(fù)合地基中樁身應(yīng)力、樁底軟巖壓力、承臺(tái)下軟巖壓力、樁間軟巖不同深度變形實(shí)測(cè)時(shí)效曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 樁-軟巖復(fù)合地基中樁承擔(dān)載荷主要部分(分擔(dān)載荷75%以上)。樁軸力沿深度分布從上往下逐漸減小，上部時(shí)效特征更明顯。中心樁體(5#樁)1 m處樁身應(yīng)力從開(kāi)始加載的13 MPa隨時(shí)間逐漸增加到17 MPa，時(shí)效部分增加31%。

(2) 樁底壓力以及承臺(tái)下軟巖壓力都存在較明顯的時(shí)效性，樁底壓力時(shí)效部分增加47%，承臺(tái)下軟巖壓力時(shí)效部分增加19%，樁底壓力時(shí)效性更加顯著。

(3) 樁間軟巖深部變形量值遠(yuǎn)小于樁-軟巖復(fù)合地基表面變形，但變形時(shí)效特征明顯，1.5 m深度處時(shí)效變形增加84%，而樁-軟巖復(fù)合地基表面變形時(shí)效變形僅增加20%。

3 復(fù)合地基流變機(jī)理分析

3.1 復(fù)合地基等效蠕變模型及蠕變參數(shù)

分析樁-軟巖復(fù)合地基流變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)(圖2(a))有以下特點(diǎn)：在1.51 MPa恒壓下呈衰減蠕變，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)，但變形速率逐漸減小。卸載后有瞬時(shí)回彈和彈性后效，但回彈很快穩(wěn)定，具有較大殘余變形。將復(fù)合地基流變?cè)囼?yàn)等效為矩形剛性承壓板載荷流變?cè)囼?yàn)，根據(jù)流變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)特征，采用5參量廣義開(kāi)爾文蠕變模型進(jìn)行擬合分析。

5參量廣義開(kāi)爾文蠕變模型見(jiàn)圖5，本構(gòu)方程見(jiàn)式1。

(1)

式中：ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力(GPa)；EH為hooke體彈性模量(GPa)；E1和E2分別為第1、第2 Kelvin體的彈性模量(GPa)；η1，η2分別為第1、第2 Kelvin體的黏滯系數(shù)(GPa·h)；t為時(shí)間(h)。

圖5 擴(kuò)充5參量廣義開(kāi)爾文蠕變模型Fig.5 Generalized Kelvin model with five parameters

復(fù)合地基黏彈彈性模量E1，E2，黏滯系數(shù)η1，η2通過(guò)擬合流變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化取值，擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖6(a)，蠕變參數(shù)見(jiàn)表1；軟巖流變?cè)囼?yàn)擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖6(b)，蠕變參數(shù)見(jiàn)表1。同軟巖比較，復(fù)合地基流變趨于穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短，黏彈性流變參數(shù)明顯提高。

圖6 流變擬合曲線(xiàn)Fig.6 Fitted curves of rheology (enlarged)

表1 5參量廣義開(kāi)爾文蠕變模型參數(shù)Table 1 Kelvin model parameters of composite foundation

3.2 樁-軟巖復(fù)合地基流變機(jī)理分析

圖7 樁-軟巖復(fù)合地基受力簡(jiǎn)圖Fig.7 Simplified sketch of forces on the pile-soft-rock composite foundation

樁-軟巖復(fù)合地基受力情況簡(jiǎn)化如圖7，上部載荷通過(guò)承臺(tái)傳遞給樁與軟巖共同承擔(dān)。

樁承擔(dān)載荷主要部分產(chǎn)生下沉蠕變，樁與軟巖相對(duì)錯(cuò)動(dòng)以及樁底剩余端承力對(duì)軟巖施加壓力產(chǎn)生沉降，二者蠕變協(xié)調(diào)構(gòu)成樁的下沉蠕變。軟巖則直接分擔(dān)部分載荷沉降蠕變。樁的下沉蠕變與軟巖下沉蠕變協(xié)調(diào)，構(gòu)成樁-軟巖復(fù)合地基流變特征。

軟巖流變主要由3部分組成：一是承臺(tái)下軟巖直接分擔(dān)上部載荷沉降蠕變，由于分擔(dān)載荷不大，相對(duì)蠕變較?。欢菢秱?cè)摩阻力帶動(dòng)樁周軟巖沉降蠕變，這部分影響范圍有限；三是樁底軟巖承受樁底剩余端承力產(chǎn)生沉降蠕變，由于剩余端承力較小，且影響范圍不大，這部分沉降蠕變很小。根據(jù)樁間軟巖多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量成果，其沉降變形以及蠕變量值都不大。

承臺(tái)的作用使得承臺(tái)下軟巖、樁間軟巖、樁端軟巖共同承擔(dān)上部載荷，承臺(tái)、樁、軟巖共同作用，相互影響。一方面，樁承擔(dān)上部主要載荷部分，這部分主要載荷通過(guò)剛性樁向軟巖深部轉(zhuǎn)移；另一方面，施加載荷通過(guò)承臺(tái)對(duì)軟巖產(chǎn)生附加應(yīng)力，在該壓力作用下，樁的側(cè)摩阻力提高，減小樁的下沉蠕變，從而改善復(fù)合地基流變特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 通過(guò)樁-軟巖復(fù)合地基縮尺模型現(xiàn)場(chǎng)流變?cè)囼?yàn)，獲得了樁身應(yīng)力、樁底壓力、承臺(tái)下軟巖壓力、軟巖深部變形時(shí)效曲線(xiàn)以及樁-軟巖復(fù)合地基流變曲線(xiàn)。樁底壓力時(shí)效性以及樁間軟巖變形時(shí)效性相對(duì)明顯。

(2) 復(fù)合地基中樁承擔(dān)載荷主要部分，樁所承擔(dān)的載荷通過(guò)樁側(cè)阻力和樁端阻力向樁間軟巖及樁下軟巖轉(zhuǎn)移。樁相對(duì)軟巖錯(cuò)動(dòng)以及樁底端承力作用于軟巖產(chǎn)生沉降，二者蠕變協(xié)調(diào)構(gòu)成樁的下沉蠕變。承臺(tái)的作用使得樁的下沉蠕變與軟巖下沉蠕變協(xié)調(diào)，構(gòu)成樁-軟巖復(fù)合地基流變特征。

(3) 與軟巖地基比較，樁-軟巖復(fù)合地基流變性質(zhì)得到較大的改善。樁-軟巖復(fù)合地基流變特征可采用5參量廣義開(kāi)爾文蠕變模型進(jìn)行描述，蠕變參數(shù)：EH=1.1 GPa，E1=7.05 GPa，η1=929 GPa·h，E2=9.03 GPa，η2=28 GPa·h。明顯高于軟巖蠕變參數(shù)。

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(編輯：姜小蘭)

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，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)研究方面的工作，(電話(huà))027-82820425(電子信箱)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