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在改良软黏土中的群桩横向加载的离心机模型

Amirata Taghavi, S.M.ASCE1 ; Kanthasamy K. Muraleetharan, F.ASCE2 ; Gerald A. Miller,M.ASCE3 ; and Amy B. Cerato, M.ASCE4

摘要：进行了一系列离心实验，来研究改良和未改良的软土中侧向荷载群桩的行为。土壤剖面由覆盖在致密沙层上的四个轻微过度固结的粘土层组成。群桩对称布局，由2times;2个桩组成，桩的直径分别为3.0和7.0（D）。使用模拟水泥深层土搅拌（CDSM）现场改良软粘土后，将桩基打入改良后的地面。离心测试表明，CDSM是增加桩基横向阻力的有效方法。改进桩群在7D间距处的侧向阻力增加了157％。由于桩-土-桩相互作用，3D桩群侧向阻力仅增加了112％。在具有3D间距的改进群桩和未改进群桩中，桩的前排所承受的载荷和弯矩均大于桩的后排。在所有间距为7D的桩群中均未观察到组相互作用的影响。在很大的挠度下，改进的3D桩群的CDSM块中会出现裂纹并产生拉伸破坏。p乘数的值进行了反算，并将其合并到计算机代码中，以对具有3D间距的改进群桩进行参数研究。可以看出，对于CDSM块深度大于9D的情况，横向阻力的增加实际上可以忽略不计。当挠度小于8 cm时，改良群桩的侧向阻力对代表典型水泥含量的改良粘土的不排水抗剪强度不敏感。DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001443.copy; 2015年美国土木工程师协会。

作者关键字：群桩；软粘土；改良土壤；水泥深层搅拌；横向载荷；土壤与结构的相互作用。

介绍

横向荷载作用下的群桩行为是一个复杂的问题，涉及桩-土-桩相互作用。 已经进行了几项全面的现场测试，以研究侧向荷载下群桩的行为。这些包括对沙堆的研究(Alizadeh and Davisson 1970; Brown et al. 1988; Morrison and Reese 1988; Ruesta and Townsend 1997)，粘土 (Brown et al. 1987; Khalili-Tehrani et al. 2014; Matlock et al. 1980; Meimon et al. 1986; Rollinset al. 2006, 1998)，和淤泥(Brown et al. 2001)。这些研究得到了离心机的中小规模模型测试和正常重力（1g）下模型的补充。 侧向受力桩群的大多数离心模型研究都是在沙子中进行的(McVay et al. 1995, 1998; Remaud et al. 1998)。粘土中桩组的小规模测试主要涉及1g模型(Chandrasekaran et al. 2010; Cox et al. 1984; Rao et al. 1998)，而离心机研究却很少(Ilyas et al. 2004)。

在承受侧向荷载的桩基设计中，目标之一是限制侧向位移。在合适的土壤中限制桩基的横向位移相对容易。但是，在土壤较弱的情况下（例如，软粘土和可液化的沙子），通过使用数量更多，更具延展性，直径较大的桩，可以缓解较大的侧向位移，但是这是难以设计或建造成本较高的。解决此问题的一种创新的，更具成本效益的解决方案是改善桩基周围的土壤。大冢等（2004）分析表明，在弱土中桩群周围的土壤改良可以使基础成本降低28％。对于正在使用弱土中现有桩群进行改造的结构，对土壤进行改良可能是增加地基侧向阻力的最佳选择。然而，由于缺乏对改良弱土中桩群行为的基本了解，该技术并未得到广泛使用。现有的实验研究很少集中在改良弱土中桩群的侧向荷载行为。Ashford等（2000年）测试了用石柱改良的液化沙子中的桩组。Rollins and Brown（2011），Rollins等（2010a），

和Rollins and Sparks（2002）测试了带有嵌入式桩帽和前面有颗粒回填物的桩帽的桩群。Rollins等（2010b）还测试了通过喷射灌浆和土壤混合改良的土壤中的桩群。虽然只能在嵌入式桩帽的两侧进行土壤混合，但喷射灌浆也到达了桩帽下方的土壤。他们表明，对于增加侧向阻力和初始刚度，喷射灌浆技术比桩帽外的土壤拌和更为有效。

尽管软粘土在世界许多地方非常普遍，但对改良和未改良软粘土中桩群行为的研究非常有限。由于缺乏实验数据并且缺乏对行为的透彻了解，工程师被迫以保守的方式在改良的软粘土中设计桩群，以减轻不确定性。文献还揭示，在桩直径大于5D的五个软黏土中，对桩群进行侧向载荷测试的情况很少。为了更好地了解承受侧向荷载的改良和未改良软黏土中桩群的行为，对六个桩群分别以3D和7D间距进行了离心模型测试。桩群具有2times;2排列的对称桩平面布置，并牢固地固定在地面上的桩帽上。为了进行比较，还对改进和未改进的软粘土中的单桩进行了横向荷载测试。详细研究了地基改良，处理区域的横向范围和桩间距对桩基础性能的影响。使用离心机测试结果和计算机代码GROUP（Reese等人2010）对计算群体效应的p乘数进行了反计算。 然后使用GROUP来研究改良后的土壤不排水的抗剪强度和改良深度对小变形和大变形中桩群的侧向阻力的影响。

实验装置

在测试缩小比例模型时要考虑的一个重要方面是它们与现场比例原型的相似性。由于土壤的强度，刚度，变形和体积变化取决于应力，因此离心机模型的主要目标是使应力与原型保持一致。离心模型试验的定标定律可以在Garnier等人的文章（2007）中找到。离心机模型测试是在加利福尼亚大学戴维斯分校（UC Davis）大型离心机中的挠性横梁容器中以30g离心加速度（在模型的中心）进行的。容器的内部尺寸为1,722times;686times;700 mm（长times;宽times;高）。

从这一点开始，除非另有说明，否则所有结果均以原型比例表示。土壤剖面由四个超固结的粘土层组成，总深度为9.6 m，覆盖了8.1 m的致密砂层（图1）。地下水位保持在土壤表面以上。通常，粘土层略高于固结层（OCRasymp;1.1至2），最顶层的OCR在地面附近约为1.1至10[图2(a)]。

图1.具有3D间距的单桩和2times;2桩群的离心机模型设置：（a）横截面；（b）计划

图2. （a）过度合并比率的概况；（b）不排水的剪切强度

表1：内华达沙的性质

表2. 软黏土的特性

为了制备致密的砂层，将内华达州的沙子空气雾化以达到84％的相对密度和0.57的空隙率。内华达州砂的主要特性总结在表1中（Arulmoli等，1992）。使砂层经受约90kPa的真空，然后用二氧化碳冲洗。重复该步骤两次后，在真空下使砂层饱和。

为了制备软粘土层，并满足测试土壤的要求，即低强度和可接受的渗透性，可商购获得的高岭土（肯塔基州希科里的Old Hickory Clay Company的No. 1釉土）和选择来自俄克拉荷马州俄克拉荷马城的George Townsend Company的细砂（D50=0.14 mm）（Quikrete商业级细白砂，编号1961-55）进行混合。混合物包括1:1高岭土/重量比的沙子。在真空下以64％的初始水含量（两倍于液体极限）进行混合。表2给出了混合土壤的关键特性[统一土壤分类系统（USCS）分类CL]。然后将软粘土浆液放入模型容器中至预定的初始高度，并在1 g的水压机中固结。通过放置在每层顶部和底部的滤纸以及容器两端的粗大疏松砂子，可以加速固结（图1）。测量粘土中的沉降和孔隙水压力以监测固结的进度。通常，每个粘土层需要4天的固结时间才能达到至少98％的平均固结度，从而使最终的粘土厚度约为9.6 m（模型中为320 mm）。为了在每个软粘土层的底部获得所需的超固结比（OCRasymp;1.1），将模型在其自重下以30g的离心力重新固结。所得的OCR曲线如图2(a)所示；OCR曲线的不连续性是在每层1 g的浆液固结过程中使用不同的连续较低的水压压力的结果。线性电位计和孔隙压力传感器用于监测离心机的固结程度。在平均固结度达到约95％之后开始测试桩。平均而言，在每个测试过程中，大约需要8小时的旋转才能达到所需的超固结率和固结度。

水泥深层搅拌

在水压机中固结之后，再以30g固结之前，使用实验室当量的水泥深层土拌和（CDSM）改进1g的人造软土。事实证明，CDSM有助于提高土壤的硬度和强度（Bruce等，2013； Kitazume和Terashi，2013； Mitchell，2008；Puppala等，2008）。将等量（按重量计）的高岭土和细砂与去离子水（pHfrac14;7.0）混合，以得到34％的水含量。该含水量是在液压机中发生软粘土固结后的平均含水量。使用厨房面团混合机将土壤混合10分钟后，将等量（按重量计）的水和I型波特兰水泥（水泥含量为10％）混合，分别转移至混合机中，并与未改良的土壤混合10分钟。研究发现厨房面团搅拌机可用于实验室来获得均匀的土壤混凝土。表3给出了基于标准化定义的CDSM的属性（Bruce等，2013; Filz等，2005）。

在准备土壤混凝土之前，从顶部挖掘了离心模型中的软土。矩形、无底的铝制模型在预定位置用作导向和挖掘支撑，以方便去除粘土并达到所需的尺寸。然后将土质混凝土分层添加，并轻轻夯实和压实，以避免CDSM块内出现任何大的空隙或蜂窝。放置土坯后，对砖块的顶面进行分级，并移出铝模。将所有块的土工混凝土置于约25℃的温度下。在进行任何测试之前，所有CDSM块均在水下原位固化28天。

实验测试了两个单独的离心机模型的7D和3D桩间距。 表4给出了两个测试中使用的CDSM块尺寸和位置，如图1所示。两个测试中使用的单个桩的CDSM块尺寸表示了相应桩群中相应的桩支流面积。离心机测试中使用的CDSM程序模拟了在安装新的桩基之前使用湿土混合来改善地面的现场案例。很明显，深层搅拌法（DMM）或CDSM不能用于现有的桩基。喷浆灌浆是改善现有桩基的最常用技术之一，因为可以在桩之间泵入灌浆。所有这些技术的最终目的是提高软弱土的强度和刚度，因此，本文提出的离心试验结果应适用于各种地面改良技术。

表3. 基于标准化定义的CDSM属性

表4. 不同桩基的CDSM块尺寸