Effects of pile length on settlement of root pile-net composite foundation by centrifugal model tests
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摘要: 某码头堆场软土地基发生了推移，采用树根桩网复合地基进行加固。通过土工离心模型试验研究超大荷载下桩长对树根桩网复合地基沉降特性的影响，试验模拟了地基、树根桩、加筋垫层、防尘网和轨道梁基础、矿石堆载等，分析了超大荷载作用下不同桩长复合地基沉降变化规律。试验结果表明，复合地基表面沉降呈锅形分布，沉降随桩长的增加而减小，分布形状变尖，等长桩沉降远大于设计桩长，分布形状更尖。设计桩长桩网复合地基在350 kPa荷载作用下2 a责任期沉降满足控制在80 cm以内的使用要求，表明树根桩的布置方案合理、可行。Abstract: For the slip of the soft soil foundation in the storage yard of a wharf, the root pile-net composite foundation is used for reinforcement. The geotechnical centrifugal model tests are carried out to study the effects of pile length on settlement characteristics of the root pile-net composite foundation under super-large loads. The foundation, root piles, reinforced cushion, dust net foundation, track beam foundation and ore loads are simulated in the tests. The settlement variation laws of composite foundation with different pile lengths are analyzed the under super-large loads. The surface settlement of the composite foundation is distributed in a pan shape. The settlement decreases with the increase of the pile length, and the distribution shape becomes sharp. The settlement of the equal-length pile scheme is far greater than that of the design length pile scheme, and the distribution shape is sharper. The settlement of the pile-net composite foundation with the design pile length meets the use requirements of controlling within 80 cm under the loads of 350 kPa in two years. The test results show that the arrangement scheme of root piles is reasonable and feasible.
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0. 引言
软土地基处理是新建港口码头、老旧堆场码头改造等工程建设的重点和难点，其对地基变形要求十分严格。若地基处理不当，后期在长时间高强度堆载下极易产生不均匀沉降等灾害，严重影响码头和堆场等工程的正常使用。随着地基处理技术的发展，树根桩网复合地基已成为常见的有效的地基处理方式，并被广泛应用于各工程领域软土地基处理中[1]。
针对桩网复合地基的研究，众多学者在室内模型试验、现场试验及数值模拟等方面均取得了较多的科研成果。顾行文等[2]通过离心模型试验对倾斜软土CFG桩复合地基上的路堤破坏模式进行了研究。潘高峰等[3]通过开展全尺寸现场路基填筑试验，对比分析了天然地基和CFG桩网复合地基在路基荷载下的侧向变形规律；Liu等[4]通过现场试验研究了荷载作用下不同深度桩网结构路堤侧向变形发展规律。姜彦斌等[5]结合管桩复合地基现场试验段工程，建立有限元数值模型，对比了几种管桩复合地基单桩建模方法，并基于轴对称接触模型结果对桩网复合地基受力及变形进行了研究。
土工离心模型试验技术是一项崭新的土工物理模型技术，通过施加在模型上的离心惯性力使模型的重度变大，从而使模型的应力与原型一致，这样就可以用模型反映、表示原型。离心模型是各类物理模型中相似性最好的模型，在国内外受到广泛重视，试验技术飞速发展与进步，研究内容涉及几乎所有的岩土工程研究领域，已成为岩土工程技术研究中的最主要、最有效、最广泛应用的研究手段[6]，在港口码头工程中也得到广泛应用[7]。本文利用离心模型试验技术，研究某码头堆场不同桩长树根桩网复合地基沉降变化规律，分析桩长对复合地基沉降的影响。
1. 工程概况
某码头散货#16堆场，堆场东侧距防尘网基础47 m，西侧距防尘网基础77 m，南侧距排水沟6 m，北侧距离#5堆取料机轨道梁基础5 m，堆矿范围为长1271.4 m，宽54.5 m的矩形，实际堆场面积为69291 m2。堆场地基采用真空联合堆载预压加固，轨道梁基础和靠近南柳河侧岸坡均采用水泥搅拌桩复合地基加固。近期，堆场沿堆场纵向中部发生往南柳河一侧的岸坡推移现象，推移区长度约148 m，往南柳河推移推出0~20 m。堆场产生不同程度的损坏，必须重新进行加固处理，以满足一次性达到承载350 kPa的使用要求。
推移区地基土层自上而下：素填土①2，粉细砂层②2，淤泥质黏土②1，粉质黏土③4，粘土④1以及粘土④2，表 1列出了其主要物理力学性质指标，淤泥质粘土②1含水率大、抗剪强度低，不能满足堆场的变形和承载力要求，堆场地基采用树根桩网复合地基，设计方案如图 1所示。南柳河侧6排、轨道梁侧2排长23 m树根桩，三角形布置，间距1.4 m×1.6 m，中间布设长20，23，25 m树根桩，正方形布置，其中，25 m桩长的中间11排桩间距为1.5 m，其余间距为1.8 m。桩径30 cm，桩身强度C30，内插ϕ133 mm、壁厚5 mm的无缝钢管。南柳河侧6排、轨道梁侧4排桩顶采用钢筋混凝土板块连成整体，其余桩顶设桩帽。为加强地基排水，桩间布设B型塑料排水板，穿透淤泥质黏土层。桩间土压实后，铺设加筋垫层，自下向上：10 cm厚碎石土，一层编织土工布，两层单向土工格栅，10 cm厚碎石，一层土工格室，碎石土，5 cm厚中粗砂层，15 cm厚六角块。
表 1 土的物理力学性质指标Table 1. Physical and mechanical indices of soils土名 厚度/ m 含水率/ % 密度/ (g·cm-3) 不排水强度/kPa 素填土①2 2.87 32.0 1.91 25 粉细砂②2 3.20 1.85 淤泥质黏土②1 9.90 50.8 1.72 40 粉质黏土③4 5.80 31.0 1.92 55 黏土④1、④2 42.3 1.77 67 2. 离心模型试验方法
2.1 试验设备与模型布置
试验在南京水利科学研究院NHRI400 g·t土工离心机上进行。该机最大半径5.5 m，吊篮平台的尺寸为1100 mm×1100 mm，最大加速度200g，最大负荷2000 kg，容量400 g·t，配有64路高精度数据采集系统。模型箱的有效尺寸为1200 mm×800 mm×400 mm（长高宽），其一侧为有机玻璃，便于试验中进行监控。
取标准剖面按平面问题进行试验，模拟地基、树根桩、加筋垫层、防尘网和轨道梁基础、矿石堆载等，综合各种因素，取模型比尺n=70，模型布置如图 2所示。共进行了4组模型试验，模拟不同桩长。设计桩长模型，各桩按设计桩长布置。设计桩长+2 m模型，各桩按设计桩长加2 m长度布置；设计桩长-2 m模型，各桩按设计桩长减2 m长度布置；等长桩模型，各桩统一按设计桩长的加权平均长度23.45 m等长布置。
地基表面沉降采用激光位移传感器测量。布置了5个测点：Sa1位于防尘网基础，Sa2位于长23 m树根桩上方，Sa3位于长20 m树根桩上方，Sa4位于长25 m树根桩上方，Sa5位于轨道梁基础左挡墙墙顶。
2.2 材料模拟技术
土料取自现场，试验主要研究堆场地基的稳定和变形问题，以地基强度指标作为主要模拟量，而其它诸如含水率、重度等参量都作为次要参量近似地满足相似律。为模拟成层地基，根据重度及厚度求得各层土所需的湿土重，然后经过浸饱、拌成泥浆，从下至上分层静压固结，按控制强度施加预压荷载和作用时间，直至形成整个天然地基土层。至于模型中的粉细砂层和素填土，则控制其密实度，采用分层压密而成。
塑料排水板采用直径3 mm的透水编织玻纤管内灌装中细砂的微型袋装砂井来模拟。试验中，逐根模拟原型中的每一根树根桩。桩体受力状态主要为受压，其次为受弯，因此，采用直径5 mm实心竹棒来模拟，满足按抗压刚度相似要求。模型桩帽采用铝合金按几何相似加工制作。加筋垫层的模拟，土工合成材料按2%应变时的单宽拉伸力相似原则确定模型材料，通过不同材料拉伸试验，土工布采用土工滤膜模拟，土工格栅和土工格室采用孔径4 mm塑料网格来模拟。
2.3 试验程序
试验准备：制作模型复合地基中的结构物。
制作模型：制备地基，插入模型桩，插入排水滤芯条，埋设和安装传感器，铺设加筋垫层。
恢复自重应力：按堆载速率控制离心机加速度上升速率至70g，并运行120 min，期间进行数据采集。
模型试验：铺设堆载体，按堆载速率控制离心机加速度上升速率至70g，并运行120 min（设计桩长模型）和210 min（另3组模型），期间进行数据采集。相当于模拟了原型22.5 d堆载过程，恒载固结408 d（设计桩长模型）和707.5 d（另3个模型）。
3. 复合地基沉降性状
以后分析时作了如下约定，沉降向下为正，向上为负；堆载期为22.5 d完成堆载时，试堆期为开始堆载至45 d时，恒载时间是指完成堆载后的运行时间，2 a责任期指开始堆载到2 a时。
图 3为设计桩长复合地基表面沉降过程线，表 2列出了不同时间设计桩长复合地基表面沉降特征值。从此可以看出，堆载期，随着堆载高度的增加，除轨道梁基础出现隆起外，复合地基表面沉降明显增大。恒载期，轨道梁基础隆起量逐渐减小，防尘网基础和堆载区域沉降随时间仍在增大，但沉降增量随时间逐渐减小。恒载运行408 d，沉降速率已经很小了，表明树根桩网复合地基沉降变形已趋于稳定。采用双曲线法[8]推求两年责任期的沉降，5个测点分别为150，427，633，765，143 mm。
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图 3 设计桩长复合地基表面沉降过程线Figure 3. Surface settlement-time curves of composite foundation for design pile length表 2 设计桩长复合地基表面沉降特征值Table 2. Characteristic values of surface settlement of composite foundation for design pile length(单位: mm) 测点 时间节点 堆载期 试堆期 恒载365 d 恒载408 d Sa1 32 49 130 136 Sa2 222 263 375 383 Sa3 308 386 565 574 Sa4 418 514 740 754 Sa5 -34 17 122 129 图 4为设计桩长复合地基表面沉降沿堆载断面分布图，从此可以看出，在堆场范围内复合地基表面沉降呈中心大、两边小的锅形分布，最大沉降量在堆载体最高处。
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图 4 设计桩长复合地基表面沉降分布Figure 4. Distribution of surface settlement of composite foundation for design pile length4. 桩长对沉降影响分析
表 3列出了不同桩长复合地基表面沉降特征值，图 5为不同桩长两年责任期复合地基表面沉降沿堆载断面分布图。从此可以看出，虽然不同桩长复合地基表面沉降呈锅形分布，但还是有明显区别。对比设计桩长和设计桩长±2 m，桩越长，锅底越尖，沉降越小；桩越短，锅底越平，沉降越大。对比设计桩长和等长桩，虽然复合地基树根桩总长度相同，但由于桩长分布不同，对沉降的影响还是相当明显的，等长桩沉降远大于设计桩长，分布形态的锅底更尖。
表 3 不同桩长复合地基表面沉降特征值Table 3. Characteristic values of surface settlement of composite foundation for different pile lengths(单位: mm) 桩长 测点 时间节点 堆载期 试堆期 恒载365 d 2 a责任期 设计桩长+2 m Sa1 25 44 125 166 Sa2 128 178 317 335 Sa3 287 352 523 543 Sa4 377 461 638 709 Sa5 19 35 97 130 设计桩长-2 m Sa1 151 160 222 263 Sa2 346 401 540 584 Sa3 423 551 747 819 Sa4 475 589 775 827 Sa5 -14 -4 48 73 等长桩 Sa1 75 90 138 158 Sa2 231 261 368 406 Sa3 313 362 509 557 Sa4 508 590 805 875 Sa5 114 129 191 217 ![]()
图 5 不同桩长两年责任期复合地基表面沉降分布Figure 5. Distribution of surface settlement of composite foundation for different pile lengths in two years图 6为复合地基表面沉降随桩长的变化关系，从此可以看出，沉降随桩长的增加而减小；总体上，设计桩长与设计桩长-2 m之间沉降的减小量稍大于设计桩长+2 m与设计桩长之间沉降的减小量；设计桩长两年责任期沉降满足控制在80 cm以内的使用要求，而设计桩长-2 m 2 a责任期沉降大于80 cm。等长桩除Sa3测点下桩长远大于设计桩长，其沉降略小于或接近设计桩长外，其余测点的沉降均远大于设计桩长。结果表明，设计桩长树根桩网复合地基在350 kPa荷载作用下满足使用要求，树根桩的布置方案合理、可行。
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图 6 复合地基表面沉降随桩长的变化Figure 6. Surface settlement-pile length curves of composite foundation5. 结论
（1）随着堆载高度的增加，复合地基表面沉降明显增大，恒载期，沉降随时间仍在增大，但沉降增量随时间逐渐减小，并趋于稳定。
（2）复合地基表面沉降呈锅形分布，沉降随桩长的增加而减小，分布形状变尖，等长桩沉降远大于设计桩长，分布状更尖。
（3）设计桩长桩网复合地基在350 kPa荷载作用下两年责任期沉降满足控制在80 cm以内的使用要求，表明树根桩的布置方案合理、可行。
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图 3 设计桩长复合地基表面沉降过程线
Figure 3. Surface settlement-time curves of composite foundation for design pile length
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图 4 设计桩长复合地基表面沉降分布
Figure 4. Distribution of surface settlement of composite foundation for design pile length
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图 5 不同桩长两年责任期复合地基表面沉降分布
Figure 5. Distribution of surface settlement of composite foundation for different pile lengths in two years
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图 6 复合地基表面沉降随桩长的变化
Figure 6. Surface settlement-pile length curves of composite foundation
表 1 土的物理力学性质指标
Table 1 Physical and mechanical indices of soils
土名 厚度/ m 含水率/ % 密度/ (g·cm-3) 不排水强度/kPa 素填土①2 2.87 32.0 1.91 25 粉细砂②2 3.20 1.85 淤泥质黏土②1 9.90 50.8 1.72 40 粉质黏土③4 5.80 31.0 1.92 55 黏土④1、④2 42.3 1.77 67 
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表 2 设计桩长复合地基表面沉降特征值
Table 2 Characteristic values of surface settlement of composite foundation for design pile length
(单位: mm) 测点 时间节点 堆载期 试堆期 恒载365 d 恒载408 d Sa1 32 49 130 136 Sa2 222 263 375 383 Sa3 308 386 565 574 Sa4 418 514 740 754 Sa5 -34 17 122 129
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表 3 不同桩长复合地基表面沉降特征值
Table 3 Characteristic values of surface settlement of composite foundation for different pile lengths
(单位: mm) 桩长 测点 时间节点 堆载期 试堆期 恒载365 d 2 a责任期 设计桩长+2 m Sa1 25 44 125 166 Sa2 128 178 317 335 Sa3 287 352 523 543 Sa4 377 461 638 709 Sa5 19 35 97 130 设计桩长-2 m Sa1 151 160 222 263 Sa2 346 401 540 584 Sa3 423 551 747 819 Sa4 475 589 775 827 Sa5 -14 -4 48 73 等长桩 Sa1 75 90 138 158 Sa2 231 261 368 406 Sa3 313 362 509 557 Sa4 508 590 805 875 Sa5 114 129 191 217
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