古海东^[12]通过离心机模型试验给出了疏排桩支护结构桩身内力与桩侧土压力的分布规律。试验用土取自上海杨浦区五角场的砂质粉土, 该土样的级配曲线如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 试验用土级配曲线Fig.2 Distribution curve of test soil

通过击实试验得到该土样的最优含水率为18%, 最大干密度为1.53 g/cm³, 对应的密度为1.8 g/cm³, 本次离心机试验制备含水率为18%的非饱和土, 土样的物理力学性质如下:比重为2.7, 含水量为18%, 密度为1.8 g/cm³, 固结不排水强度c=23 kPa, φ =34° 。在1g(g为重力加速度)状态下, 在净空为700 mm× 440 mm× 700 mm(高)的模型箱中完成模型制备。

在填土前, 模型箱两侧用凡士林粘贴双层聚四氟乙烯薄膜以减小侧壁摩擦。模型中桩采用外径为20 mm, 内径14 mm的铝管, 桩内壁布置弯曲应变片, 桩表面打磨后外径为18 mm, 桩长为400 mm, 杨氏模量为70 GPa, 填土时将排桩预先埋入土中。整个支护结构模型简图见图3。

图3

Fig.3

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	图3 基坑离心机模型(单位:mm)Fig.3 Centrifuge models of construction pit foundation(mm)

将制备好的离心机模型调入离心机吊篮进行模型固结试验(模型比例尺为60), 试验开始后离心加速度以10g为一级, 每级加速度下运转3 min, 最后在60g的离心加速度下运转36 min(相当于实际工程中的3个月), 固结完成的判断标准为模型地表沉降趋于稳定(因土样含水率较低, 无法通过空隙水压力传感器读数来判断固结是否完成)。固结结束后将模型箱调出, 开挖成高度为200 mm, 坡角为90° 的竖直基坑, 拆开模型箱侧壁, 在模型基坑侧面用长度为1 mm的彩色大头针布置标记点, 如图3所示。标记点布置完毕后重新组装模型箱, 然后将模型箱吊入离心机吊篮, 待模型箱中的位移传感器、土压力盒以及桩身应变片等接线通道调试完毕后, 开启离心机, 先在10g加速度下运转3 min, 观看离心机是否运转正常, 一切正常后从30g离心加速度开始以每5g为一级, 每级加速度下运转15 min, 如果模型在这一级加速度下破坏, 或者在期间的任意加速度下破坏, 试验即告结束。

离心机试验结果:基坑在离心加速度为55g时桩间土体发生塌落破坏, 塌落后桩间土体近似成土拱形, 最大拱高约为30 mm, 塌落后的支护结构如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 离心机模型试验后基坑形态Fig.4 Construction pits after centrifuge model test

试验得出在不同离心加速度下疏排桩桩身弯矩、水平位移如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 不同离心加速度下的桩身弯矩和水平位移分布Fig.5 Bending moment and horizontal displacement distribution of pile under different centrifugal acceleration

图6为根据Ito^[10]计算方法编制MATLAB程序计算得出的本文离心机模型中不同离心加速度下的桩侧土压力和离心模型试验得出的桩侧土压力的对比曲线图。

由图6可知, 在基坑坑壁处采用Ito计算方法得到的桩侧土压力分布和离心机试验结果基本一致, 说明采用Ito计算方法计算基坑坑壁处的桩侧土压力是完全可行的。

图6

Fig.6

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	图6 不同计算方法得出的桩侧土压力分布Fig.6 Pressure distribution of pile under different methods

假定一疏排桩基坑支护工程事例, 基坑开挖深度为8 m, 桩长为16 m, 土层参数与上文保持一致, 分别取桩径 为0.5、1、1.5、2、2.5、3 m保持不变, 依次取排桩净间距 为1、2、3、4、5、6、7 m, 研究排桩净间距对土拱荷载传递比λ 的影响, 图7为土拱荷载传递比随排桩净间距变化的关系曲线图。

由图7可知:土拱荷载传递比随着桩间净距的增大整体上呈指数形式减小, 但是当排桩桩间净距为0时, 土拱荷载传递比为0, 说明密排桩时土拱效应不存在; 当桩间净距超过6 m以后, 土拱荷载传递比非常小(只有0.1左右), 说明当桩间距较大时土拱效应非常微弱, 土拱的存在有一个极限桩间距; 当桩间距相同时, 桩径越大, 土拱荷载传递比越小。

图7

Fig.7

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	图7 桩间净距对土拱荷载传递比的影响Fig.7 Influence of net spacing of pile on the load transfer ratio of soil arch

分别取排桩净间距 为1、2、3、4、5、6、7 m保持不变, 依次取桩径 为0.5、1、1.5、2、2.5、3 m研究桩径对土拱荷载传递比的影响, 如图8所示。

由图8可知:土拱荷载传递比随着桩径的增大而减小, 桩间净距越小, 桩径对土拱荷载传递比影响越显著。

图8

Fig.8

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	图8 桩间净距对土拱荷载传递比的影响Fig.8 Influence of diameter of pile on load transfer ratio of soil arching

3.3.1土体内摩擦角的影响

取桩径为d=1 m, 桩间净距s=1 m, 土体黏聚力c=23 kPa保持不变, 依次取土体内摩擦角 为5° 、10° 、15° 、20° 、25° 、30° 和35° , 研究土体内摩擦角对土拱荷载传递比的影响, 如图9所示。

图9

Fig.9

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	图9 土体内摩擦角对土拱荷载传递比的影响Fig.9 Influence of internal friction angel of soil on load transfer ratio of soil arching

由图9可知:当其他参数不变时, 土拱荷载传递比随土体内摩擦角的增大近似成指数形式增大, 随着土体内摩擦角的增加, 土拱荷载传递比增大的趋势越来越缓慢。

3.3.2 土体黏聚力的影响

取d=1 m, s=1 m, φ =20° 保持不变, 依次取土体黏聚力为0、5、10、15、20、25、30 kPa, 研究土体黏聚力对土拱荷载传递比的影响, 如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 土体黏聚力对土拱荷载传递比的影响Fig.10 Influence of cohesion of soil on load transfer ratio of soil arching

由图10可知:当其他参数不变时, 土拱荷载传递比随土体黏聚力的增大近似成指数形式增大, 并且增大的趋势越来越缓慢。