Test method for axial force at pile top in centrifugal model tests on pile-net composite foundation
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摘要: 桩网复合地基是常见的软土加固措施。在开展桩网复合地基离心模型试验时，为了分析桩土应力比，需要测量桩顶轴力和桩间土压力。微型土压力计在离心模型试验中已经得到广泛应用，但尚无成熟的微型桩顶轴力测试传感器。利用模型桩的桩帽，开发了一种离心模型试验专用桩顶轴力测试方法，标定结果显示该方法测试线性度好。通过某桩网复合地基离心模型试验和数值分析的桩土应力比结果对比分析，验证了该方法的测试效果。Abstract: The pile-net composite foundation is a common soft soil reinforcement measurement. In order to analyze the pile-soil stress ratio, it is necessary to measure the axial force at the pile top and the soil pressure between piles in the centrifugal model tests. The mini-earth pressure cells have been widely used in the centrifugal model test, but there is no commonly accepted mini-axial force sensor. In this study, a special method is developed for testing the axial force at the top of piles in the centrifugal model tests by using pile caps. Great linearity is shown through the calibration data. The effects of the proposed method are verified by the pile-soil stress ratio results from the centrifugal model test and numerical analysis of a pile-net composite foundation.
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0. 引言
桩网复合地基是软土地基常见的加固措施，具有施工速度快、工期短、质量容易控制及工程造价低廉等优点，因而在房屋建筑工程及水利工程中得到了广泛应用[1-4]。
针对桩网复合地基的研究，众多学者在室内模型试验及现场试验方面均取得了较多的科研成果。顾行文等[5]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；张树明等[6]过离心模型试验研究了加固范围及边坡坡率对CFG桩-网复合地基受力变形特性的影响。潘高峰等[7]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[8]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[4]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。
受限于测试技术及方法，上述试验成果多侧重于地基变形规律研究，较少涉及到桩顶轴力测量，特别是在缩尺的离心模型试验中。姜彦斌[4]将微型轴力计至于桩和桩帽之间，测试桩顶轴力，用于分析桩土应力比。他的试验中模型桩和轴力计的外径均为20 mm，如果遇到更细的模型桩，就无法采用这种方法了。
随着社会经济的发展，工程中遇到的软土地基更加深厚、地基的承载力要求更高，导致复合地基中的桩长径比更大。相应的，桩网复合地基离心模型试验需要更大的几何缩尺、更大的模型箱；同时也面临更长、更小直径（5 mm）的模型桩[9-11]，桩顶轴力测试的难度也更大。针对这种情况，离心模型试验中亟需开发适用于小直径模型桩的桩顶轴力测试方法。
1. 桩顶轴力测试方法
1.1 问题的提出
某码头堆场承载力要求高达350 kPa。堆场地基为软土地基，采用CFG桩和树根桩桩网复合地基加固。桩网复合地基的设计方案如图 1所示。为了研究复合地基的承载力特性，需开展1/70几何缩尺的离心模型试验[9-10]。然而试验中的模型桩直径仅5 mm（图 2）。
若采用传统的微型轴力计[4]，其直径20 mm，高度也约20 mm。无论是相对5 mm的模型桩，还是模型桩帽（10 mm×10 mm），体积都过大；另外也没有稳定的连接方式。因此，必须开发新的桩顶轴力测试方法，即新型桩顶轴力计。
1.2 新型桩顶轴力计设计参数
直径5 mm的模型桩截面积非常小，目前没有相匹配的微型轴力计；而模型桩帽相对模型桩面积稍大，可以利用的空间有所改善。因此本文的桩顶轴力测试方法，基本思路仍然是考虑改造桩帽，使之成为新型桩顶轴力计（图 3）。其基本测试原理是应变花测量。
首先考虑的是桩帽置换率不变，简单换算可知，将10 mm×10 mm的方形桩帽改成圆形的轴力计，其直径约为11.2 mm。
其次需要解决的是新型轴力计和模型桩的连接问题。要保证轴力计稳定在模型桩上，并将上覆荷载传递至模型桩上。由于轴力计和模型桩都很细小，常规的直接放置法，在制模过程中容易错位；也无法通过螺丝固定。本文采用在模型桩顶钻1 mm细孔，轴力计中心向下延伸1 mm细杆插入模型桩的方法。试验证明了这种安装方法是稳固的，并且能够精确测定桩顶轴力。
1.3 新型桩顶轴力计的标定
采用螺旋测力机架对新型桩顶轴力计进行加载标定（图 4），加载分为3级，每级加载力增量为50 N，采用。仪器标定结果如图 5，研制的新型轴力计线性度优。
2. 离心模型试验桩土应力分析
2.1 试验情况
利用新型桩顶轴力计，开展了CFG桩网复合地基离心模型试验。具体模型布置如图 2，试验设备、材料模拟、试验程序与文献[9]中一致。其中，堆载期指堆场区开始加载直到矿石堆载完成，它对应于离心模型试验中离心机开始加速，直至达到设计加速度70g；之后就意味着原型堆场堆载完成，进入恒载期。
2.2 模型桩顶轴力测试结果
图 6为复合地基CFG桩桩顶轴力过程线，表 1列出了不同时间和位置CFG桩桩顶轴力特征值。从此可以看出，堆载期，桩顶轴力随堆载高度的增加几乎线性增大，上部荷载越大，桩顶轴力也越大；恒载期，随着桩间土和桩端土层沉降的增加，加筋垫层网逐渐发挥调整上部荷载和桩土沉降的作用，桩顶轴力也随之逐渐调整。上部荷载较小的Tf1和Tf2测点，桩顶轴力随时间略有增大，上部荷载较大的Tf3和Tf4测点，桩顶轴力随时间开始明显减小然后趋于恒值，表明加筋垫层网调整上部荷载的作用还是比较明显的。也说明新型桩顶轴力计的反应是灵敏的。
表 1 复合地基CFG桩顶轴力特征值Table 1. Loads on top of CFG pile of composite foundation测点 Tf1 Tf2 Tf3 Tf4 桩长、间距/m 10，1.8 14，1.8 16，1.8 16，1.65 上覆荷载/kPa 150 232 319 350 轴力/kN 堆载期 184 344 539 543 试堆期 185 349 522 528 恒载365 d 190 354 475 496 恒载408 d 191 353 474 495 2.3 桩土应力比
图 7给出了离心模型试验和数值模拟[11]得到的桩土应力比分析对比情况。可以看出，桩土应力比的试验结果与计算结果较为一致，桩土应力比介于20~40，桩土共同并且合理地承担堆场上部荷载。说明新型桩顶轴力计的测试效果是准确的。
3. 结论
（1）根据新的桩网复合地基离心模型试验要求，基于改造桩帽的思路，研制了新型桩顶轴力计。
（2）新型轴力计体积较小，连接方式适合小直径的模型桩，线性度优。
（3）离心模型试验和数值模拟的结果表明，新型轴力计测试反应灵敏，测试准确度高。
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表 1 复合地基CFG桩顶轴力特征值
Table 1 Loads on top of CFG pile of composite foundation
测点 Tf1 Tf2 Tf3 Tf4 桩长、间距/m 10，1.8 14，1.8 16，1.8 16，1.65 上覆荷载/kPa 150 232 319 350 轴力/kN 堆载期 184 344 539 543 试堆期 185 349 522 528 恒载365 d 190 354 475 496 恒载408 d 191 353 474 495 
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