PCC樁復(fù)合地基離心模型制備及樁土接觸模擬

姜彥彬，何 寧，耿之周，蔡 忍，任國峰，石北嘯

(南京水利科學(xué)研究院 水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

現(xiàn)澆混凝土大直徑薄壁管樁（PCC樁）采用振動沉模、自動排土、現(xiàn)場澆筑混凝土而成，適用于處理黏性土、粉土、淤泥質(zhì)土、松散或稍密砂土及素填土等地基，相比PHC管樁技術(shù)優(yōu)勢顯著。加筋路堤下PCC樁復(fù)合地基屬于一種柔性荷載作用下的剛性樁復(fù)合地基（或稱樁承式加筋路堤），土拱效應(yīng)和加筋效應(yīng)可以將路堤荷載向樁頂集中并傳遞至壓縮性更小的深層地基，使其具有總沉降小、穩(wěn)定性好、工期短等優(yōu)點，在土性差、工后沉降要求高的軟基處理工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。樁承式加筋路堤系統(tǒng)同時涉及樁-土、筋-土相互作用、群樁效應(yīng)等多項復(fù)雜課題，其荷載傳遞及變形機制仍未得到完整清晰地揭示[3-4]。

土工離心模型試驗借助離心機的高速旋轉(zhuǎn)為模型創(chuàng)造一個與原型應(yīng)力水平相同的應(yīng)力場，從而使原型的性狀在模型中再現(xiàn)[5]?，F(xiàn)有路堤下剛性樁復(fù)合地基離心模型模擬技術(shù)尚不成熟，多數(shù)報道對模型均進行了不同程度的簡化，總結(jié)如下：

（1）簡化復(fù)合地基群樁，包括：通過置換率等效或復(fù)合模量等效以減少樁的數(shù)量，使得樁間距和樁徑的模型比尺有別于離心模型比尺[6-8]，將三維群樁簡化為二維樁墻[9]，或在同一模型中進行多種樁間距布置[10]。（2）地基土被替代，包括：使用可控制的移動平臺[11]、合成海綿[9]或EPS材料模擬或替代地基土[12]。（3）使用液壓千斤頂[13]、氣囊[7]或帶有柔性底膜的充水箱[14]等代替路堤荷載。（4）將路堤堆載簡化為無邊坡的大面積堆載[15-16]。上述對原型的簡化都在一定程度上削弱了模型與原型的相似程度。

剛性樁復(fù)合地基的有效模擬是決定模型試驗結(jié)果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前尚未見有加筋路堤下PCC樁復(fù)合地基工況的離心模型模擬技術(shù)相關(guān)報道。本文考慮已有復(fù)合地基離心模型試驗的不足，介紹了PCC樁復(fù)合地基離心試驗設(shè)計思路及群樁復(fù)合地基模型制備工作，并開展了直接剪切特性試驗探討PCC樁土接觸模擬方法的合理性。

1 離心模型試驗概述

以軟土地區(qū)的剛性樁復(fù)合地基為模擬對象，考慮典型現(xiàn)場工況將地層條件簡化為兩層，包括9.6 m厚的軟弱土層和其下9.0 m厚的持力層（圖1）；路堤堆載高度6.0 m，堤頂寬度為39.0 m，原型PCC樁外徑為1.2 m，樁長12.0 m，穿過軟土層后嵌入持力層。土工離心試驗平臺為南京水利科學(xué)研究院土工離心模型試驗室的NHRI 60 gt離心機，綜合考慮原型及離心試驗?zāi)Ｐ拖涑叽纾ㄩL、寬和高分別為700，350和450 mm），選擇相似比尺為60，并取半幅路堤進行建模（圖1(b)和（c））。從平面布樁設(shè)計的角度出發(fā)，以樁間距及樁土置換率為主要變量，開展對比試驗研究。模擬的樁間距s=3.5 m，樁直徑d=1.2 m，樁長l=12.0 m，轉(zhuǎn)換率m=20%，嵌固長度為2.4 m。土樣參數(shù)見表1，其中飽和地基模型在固結(jié)儀上分級靜壓制備，土樣取自連云港地區(qū)，軟土層為黏土，下臥層為粉質(zhì)黏土；加筋墊層與路堤相同，為粉細砂與鐵礦粉按照2.4∶1的質(zhì)量比配合而成，最大干密度為2.08 g/cm3，本文簡稱為路堤砂（表1）；加筋路堤在PCC樁復(fù)合地基模型制備完畢后布置，所用加筋材料為窗紗。

圖 1 路堤下PCC樁復(fù)合地基離心模型Fig. 1 Centrifugal model of PCC pile composite foundation under embankment

表 1 離心模型試驗土樣參數(shù)Tab. 1 Soil sample parameters in centrifugal model test

相比已有路堤下剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗[5-17]，本文離心模型試驗中完整包含了本研究涉及的加筋路堤，PCC群樁及軟土地基組成的復(fù)合地基，路堤填土及地基土的目標密度和目標強度均參照典型現(xiàn)場工況。復(fù)合地基群樁與模型樁一一對應(yīng)，且樁徑、樁間距的相似比尺與模型一致。復(fù)合地基離心模型的制作綜合考慮了幾何、材料相似，并考慮了樁土接觸相似。

2 復(fù)合地基模型制備

原型PCC樁外徑為1.2 m，壁厚為0.15 m，楊氏模量取Ep=30 GPa。模型樁采用6061鋁合金管模擬，楊氏模量為Em=68.9 GPa，縮尺后鋁管外徑為20 mm，按照抗壓剛度（EA）相似準則[17]計算（式（1））得到鋁合金管壁厚為1 mm，則內(nèi)徑為18 mm。顯然，模型樁內(nèi)徑比按照相似比尺換算的稍大，參考文獻[18-19]，相比外摩阻力，管樁內(nèi)摩阻力占比很?。灰虼?，可以忽略模型樁內(nèi)徑的小幅改變對樁側(cè)摩阻力的影響。

式中：N=60為模型比尺；Em，Ep分別為模型樁和原型樁的楊氏模量；Am，Ap分別為模型樁和原型樁的橫截面積。

PCC樁為現(xiàn)澆混凝土管樁，樁側(cè)比預(yù)制樁粗糙，且樁的內(nèi)、外側(cè)均與地基土直接接觸。模型樁制備時，使用環(huán)氧樹脂涂抹所有模型樁內(nèi)、外壁并均勻地粘貼薄層標準砂對其表面進行粗糙化；測試樁的表面需要先粘貼應(yīng)變片并使用環(huán)氧樹脂做防水層后再做同樣的粗糙化處理。盡管已有剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗進行了類似的表面粗糙操作[8,17]，但并未對粗糙化的合理性進行量化評價；為此，本文將開展樁土接觸面直剪試驗研究，以驗證人為樁側(cè)表面粗糙化的合理性。同時，根據(jù)置換率設(shè)計要求使用6061鋁合金材料制作樁帽，樁帽一般在地表制模后現(xiàn)場澆筑而成，所以本文未對其進行粘沙粗糙處理。

軟土層及下臥層均為飽和黏性土，制樣操作如下：①先將現(xiàn)場取得的土樣進行風干、碾碎、過篩，與無氣水充分攪拌制作均勻的泥漿（含水率為2～3倍液限）。②在模型箱內(nèi)側(cè)涂抹凡士林并粘貼聚四氟乙烯薄膜以削弱模型箱的側(cè)摩阻力，并將泥漿倒入模型箱。③將模型箱置于大型固結(jié)儀上進行分級靜壓固結(jié)，同時控制強度和密度，且以達到目標強度為靜壓結(jié)束標準。④下臥層靜壓結(jié)束，切削至設(shè)計平面后再以同樣方法靜壓制備其上的軟土層。

插樁操作是PCC管樁復(fù)合地基離心試驗?zāi)Ｐ椭谱鞯闹匾h(huán)節(jié)。高重力場下插樁對設(shè)備自動化及可靠性要求很高，目前尚無群樁復(fù)合地基高重力場插樁的相關(guān)報道；常重力場下插樁應(yīng)盡量精細化，本試驗插樁操作主要包括削土刮平、引孔取土、壓樁就位和樁內(nèi)回填4個主要步驟（圖2和3）。首先，配合帶有橫梁和進尺的切土裝置，利用端部的切土細鋼絲將模型箱中靜壓結(jié)束的土樣表面整齊切割至設(shè)計平面。然后，使用薄壁引孔取土管配合導(dǎo)向引孔取土，緊貼取土管內(nèi)壁將底端帶有削片的通氣細管下沉至取土末端，轉(zhuǎn)動通氣細管切斷底土，同時通過中空細管形成通氣孔，避免在拔出薄壁引孔取土管時縮孔擾動。之后，使用定長壓樁桿準確地將空模型樁壓入樁位，使每根樁均精確地布置到設(shè)計平面高程。最后，使用打土裝置將薄壁引孔取土管內(nèi)的引土小心填入模型樁內(nèi)部，完成一根模型樁的制作。待所有模型樁布置完畢后，將復(fù)合地基模型在60g超重力場中預(yù)先固結(jié)，充分建立樁土接觸，繼而可以布置樁帽、傳感器及加筋路堤。

圖 2 引孔插樁操作示意Fig. 2 Sketch of driving PCC model piles

圖 3 模型樁實物Fig. 3 Pictures of model pile

上述插樁方式的優(yōu)勢包括：①切割通氣式引孔方式擾動小、取土充分、無縮孔；②盡管現(xiàn)場的管樁內(nèi)部有土，但現(xiàn)有的離心模型試驗未見考慮，本文試驗將引孔土回填，首次實現(xiàn)了模型樁內(nèi)填土操作；③配合刮平、切削及插樁導(dǎo)向，插樁操作方便高效，工作面整潔，地基無明顯隆起或沉降。

3 樁土接觸模擬

樁土接觸的相似是復(fù)合地基樁土相互作用的關(guān)鍵內(nèi)容，主要涉及樁土界面摩擦特性模擬。下文通過接觸面直剪試驗評估粗糙化的模型樁與模型土接觸面摩擦特性的合理性。

3.1 接觸面直剪試驗

本次離心模型試驗中共涉及樁帽與路堤砂、樁與軟土層以及樁與下臥層共3組樁土相互作用。為驗證模型試驗中結(jié)構(gòu)與土接觸模擬的合理性，進行了3組接觸面直剪摩擦特性試驗，即：光滑鋁合金板與路堤砂、模型樁同等粗糙化的鋁合金板分別與軟土層及下臥層。剛性樁復(fù)合地基會有明顯的土拱效應(yīng)，導(dǎo)致路堤荷載向樁頂集中，因此樁帽與路堤砂接觸的最大法向應(yīng)力大于平均路堤荷載，而樁間土應(yīng)力小于平均路堤荷載；軟土地基中樁土接觸面法向應(yīng)力水平與豎向荷載、地層深度及靜止側(cè)壓力系數(shù)K0等因素相關(guān)。綜合考慮上述因素，并結(jié)合直剪系統(tǒng)長時間施加油壓固結(jié)的耐受能力，每組直剪試驗選擇了4個法向應(yīng)力水平，試驗參數(shù)詳見表2。

表 2 接觸面直剪試驗參數(shù)Tab. 2 Direct shear test parameters of pile-soil interface

試驗采用南京水利科學(xué)研究院TGH-2C微機控制土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗系統(tǒng)（圖4）。直剪儀的下盒凈尺寸為300 mm×300 mm×105 mm（長×寬×高），上盒內(nèi)部凈尺寸為300 mm×300 mm×150 mm（長×寬×高），上、下盒橫截面積相等，即屬于接觸面積遞減的剪切盒。上覆壓力由油壓千斤頂提供，系統(tǒng)直剪拉拔速度范圍為0.02～3.00 mm/min；位移傳感器量程為0～50 mm，精度0.04 mm；拉、壓力傳感器范圍為0～30 kN，精度0.05% FS（FS為滿量程誤差的百分比）；試驗過程可自動進行拉拔控制、數(shù)據(jù)采集及處理。

接觸面直剪試驗所用土樣與離心模型相同，制樣前需要先配成目標含水率。采用相同的粗糙化方法，準備與離心試驗?zāi)Ｐ蜆侗砻嫦嗤植诙鹊?061鋁合金板（只需要在一面做粗糙處理）。該鋁合金板厚15 mm，平面尺寸為298 mm×298 mm，恰好能夠放入剪切盒內(nèi)部（圖4）。

圖 4 樁土接觸面直剪試驗器材Fig. 4 Equipment and materials for pile-soil interface direct shear test

制樣是直剪試驗的關(guān)鍵步驟，將土樣放于下盒，鋁合金板位于上盒，讓結(jié)構(gòu)與土的剪切破壞面發(fā)生在上盒預(yù)留槽范圍（高于下盒上沿1～3 mm為佳）。砂土制樣較為簡單，在下盒內(nèi)分層填土并配合模板擊實整平至高于下盒邊緣2 mm處，獲得目標密度（1.97 g/cm3）后在設(shè)定垂直壓力下固結(jié)15 min完成制樣。飽和黏土固結(jié)成樣用時較長，上覆荷載需由小到大分級施加，固結(jié)穩(wěn)定時每小時沉降應(yīng)不大于0.002 5 h（h為土樣高度，mm）。

試驗前先在零法向力下標定不同剪切速率進行空盒剪切的直剪儀固有內(nèi)阻，并在正式試驗時扣除[20]。參考《土工合成材料測試規(guī)程》(SL 235—2012)及相關(guān)文獻[21-23]，光滑鋁合金板與砂土的剪切速率取1.0 mm/min，最大剪切位移取30 mm；粗糙鋁合金板與黏土剪切速率取0.5 mm/min，一般黏土地基中樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮時的臨界剪切位移均在10 mm之內(nèi)[24-25]，因此剪切位移取10 mm。

3.2 試驗結(jié)果

參考《公路工程土工合成材料試驗規(guī)程》(JTG E50—2006)直剪摩擦特性試驗6.3條[20]規(guī)定：當剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值時，該峰值即為最大剪應(yīng)力；當關(guān)系曲線不出現(xiàn)峰值時，取位移量為剪切長度的10%時的剪應(yīng)力作為最大剪應(yīng)力。圖5為各組剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，由于剪切過程中接觸面積遞減，需根據(jù)實時接觸面積修正剪切應(yīng)力及法向應(yīng)力。與文獻[23]描述相似，在30 mm剪切位移內(nèi)，光滑鋁合金板與路堤砂的剪應(yīng)力未出現(xiàn)明顯峰值，因此最大剪切強度取剪切位移為30 mm時的剪應(yīng)力，而黏土在10 mm剪切位移內(nèi)剪應(yīng)力有峰值，取相應(yīng)的峰值強度。接觸面摩擦角按照摩爾-庫倫準則描述，線性擬合各組試驗峰值剪切強度與對應(yīng)法向應(yīng)力（圖6），得到各相關(guān)參數(shù)見表2。

圖 5 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig. 5 Shear stress versus shear displacement

圖 6 最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力線性關(guān)系Fig. 6 Linear relationship between maximum shear stress and normal stress

3.3 接觸面摩擦角取值討論

Potyondy[26]基于不同粗糙度的混凝土與黏土含水率(26.1%和22.8%）的接觸面直剪試驗，得到由光滑至粗糙的混凝土-黏土的界面摩擦角與土的內(nèi)摩擦角比值范圍為砂土（干砂及飽和沙土）為同時，在本文所述的法向壓力范圍（40～200 kPa）內(nèi)，黏土與樁的摩擦系數(shù)具有隨接觸面粗糙度的增加而增加的規(guī)律[26-27]；現(xiàn)場施工時樁帽是在PCC樁布置完成后制模板澆筑而成的，其表面粗糙程度介于預(yù)制樁和現(xiàn)澆PCC樁之間，而現(xiàn)澆PCC樁的樁土接觸面粗糙程度高于混凝土預(yù)制樁。本次試驗所得軟土及下臥層與粗糙鋁合金板的摩擦系數(shù)與其內(nèi)摩擦角的比值分別為0.86和0.91，路堤砂與光滑鋁合金板的摩擦角為其路堤砂內(nèi)摩擦角的80%，上述比值均位于區(qū)間內(nèi)。參考相關(guān)文獻[26-29]結(jié)構(gòu)與土摩擦系數(shù)取值，上述摩擦系數(shù)試驗結(jié)果均在合理區(qū)間內(nèi)，可以認為本文離心模型試驗樁土接觸的相似模擬處理是合理的。

4 結(jié) 語

總結(jié)了現(xiàn)有加筋路堤下剛性樁復(fù)合地基離心模型試驗的局限性，綜合考慮加筋路堤與復(fù)合地基在材料、幾何、樁土摩擦等方面的相似，首次設(shè)計并闡述了加筋路堤下PCC樁復(fù)合地基離心模型及其制備過程，通過直接剪切特性試驗探討樁-土接觸相似模擬方法的合理性，主要結(jié)論如下：

（1）提出了合理的PCC樁復(fù)合地基離心模型制備方法，通過配合自主設(shè)計的切削、取土及回填等系列試驗工具，可以在常重力場下高效整齊地實現(xiàn)削土刮平、引孔取土、壓樁就位和樁內(nèi)回填操作，實現(xiàn)模型樁內(nèi)部的充分回填，本文所述插樁方法引孔取土擾動小、工作面整潔。

（2）設(shè)計并開展了與離心模型試驗對應(yīng)的接觸面直剪摩擦特性試驗，結(jié)果表明，樁帽與路堤砂的庫倫摩擦系數(shù)為0.64，粗糙化模型樁與軟土層及下臥層的庫倫摩擦系數(shù)依次為0.46和0.58。上述結(jié)構(gòu)與土的接觸面摩擦角與其相應(yīng)內(nèi)摩擦角比值均在0.7～1.0的合理取值區(qū)間內(nèi)（即），離心模型試驗樁帽與路堤砂、樁與軟土層以及樁與下臥層3組樁土接觸模擬合理，模型樁表面粘貼細沙的粗糙處理方法得當。

（3）能夠反映現(xiàn)場應(yīng)力狀態(tài)及界面特性的現(xiàn)澆混凝土與軟土的直剪試驗制樣復(fù)雜、影響因素眾多，改進或研發(fā)相關(guān)試驗設(shè)備并開展相關(guān)試驗有助于進一步驗證本文所述模型樁粗糙化的合理性。

（4）本文所述離心試驗滿足材料、幾何及樁土接觸摩擦相似，基于該模型可開展系列PCC樁復(fù)合地基離心試驗研究，深入探討加筋路堤下剛性樁復(fù)合地基的工作機制。