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  1 工程概況
    浙江國華寧海發(fā)電廠位于浙江省寧波市寧?？h強蛟鎮(zhèn)西北的團結(jié)塘海堤東側(cè)的灘涂上，擬建電廠建設(shè)規(guī)模為4 x 600MW燃煤機組。工程地質(zhì)資料顯示，主廠區(qū)地表下有5m至15m厚的淤泥層，其下有粉質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘土混礫砂層和凝灰?guī)r層等。設(shè)計采用樁基礎(chǔ)，根據(jù)電廠總平面布置方案，廠址場地由開山及灘涂回填而成，灘涂Z大回填厚度達(dá)8m以上。在軟土地基上大面積回填引起固結(jié)沉降，其對樁基的負(fù)摩阻力的影響必須通過試驗進(jìn)行研究。
    本次試驗分為現(xiàn)場樁基負(fù)摩阻力試驗和負(fù)摩阻力離心機模型試驗兩部分。試驗數(shù)量均為2組4根試樁，本文著重討論離心機模型試驗情況。
    2 離心機模型試驗原理
    土工離心模型試驗是一種行之有效的物理模型，是以相似理論為理論基礎(chǔ)，將原型材料按一定比例制成模型后，置于由離心機生成的離心場中，通過加大土體的體積力，使模型達(dá)到與原型相等的應(yīng)力狀態(tài)，從而使原型與模型的變形和破壞過程保持良好的相似性，并以此來研究原型的變形與破壞，其理論依據(jù)是相似理論的三個基本定律和應(yīng)力、應(yīng)變控制方程。
    相似*定律:相似現(xiàn)象的各對應(yīng)物理量之比為一常數(shù)，且相似現(xiàn)象可用同一基本方程描述，定律中所指常數(shù)即為相似系數(shù)。相似 第 二 定律:表示現(xiàn)象各物理量之間關(guān)系的方程式都可以寫成相似判據(jù)方程式，相似現(xiàn)象具相同的判據(jù)方程式。
     相似第三定律:具有相同文字的方程式單值條件相似，并且從單值條件導(dǎo)出的相似判據(jù)數(shù)值相等，是現(xiàn)象相似彼此相似的充要條件。
     相似理論就是通過上述三定律實現(xiàn)對模型試驗的指導(dǎo)作用，*定律是數(shù)值上的要求，第二定律是物理上的要求，第三定律則是相似的充分必要條件。對于受力原型或模型結(jié)構(gòu)物，其應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)由以下三個基本控制方程描述:
     平衡方程:
            
     對于加速度為ng的離心模型試驗，由于
            
     即在離心模型試驗中，原型與模型為等應(yīng)力狀態(tài)，兩者的變形與破壞過程能保持相似。土工離心模型試驗中主要物理量的相似關(guān)系見表1。
            
    3 離心模型試驗
    3.1 試驗技術(shù)條件
    本試驗在香港科技大學(xué)土木工程離心實驗室進(jìn)行，該機有效半徑4m，Z大加速度1508,Z大容重400gt，具有可在實驗中操作的機器人和雙向震動臺(Ng, et al 2002a)。量測模型樁的應(yīng)變采用了半導(dǎo)體應(yīng)變片，其靈敏度比普通應(yīng)變片高70倍;位移傳感器采用PR750，測量范圍土50mm;孔隙水壓力傳感器采用Druck" sPDCR 81，測試范圍0一700kPa.
    3.2 模型試驗
    試驗樁1(摩擦樁)的模型樁長540mm,直徑20mm，在50g作用下，模擬長27m，直徑lm的原型樁。
    試驗樁2(端承樁)的模型樁長540mm,直徑17m m，模型樁與模型箱底部接觸。在70g作用下，模擬長38m，直徑1.2m 的原型樁。
    3.3 模型制作
    試驗用土由粘土、砂土和全風(fēng)化花崗巖構(gòu)成。按寧海電廠現(xiàn)場土層分布情況，將粘土和全風(fēng)化花崗巖通過水篩、攪拌、排除氣泡等工序分層鋪設(shè)在模型箱中。對粘土經(jīng)過四次加載使其預(yù)固結(jié)，Z大預(yù)固結(jié)壓力為60kPa。為了模擬寧海電廠現(xiàn)場的情況，試驗中將模型樁埋入制作好的土層中，摩擦樁樁端距底部60mm，端承樁樁端則到達(dá)模型箱底部，Z后在粘土層上鋪設(shè)砂土作為排水層和超載。
    3.4 固結(jié)試驗過程
    將制備好的模型裝入離心機平臺上，試驗1(摩擦樁)模型保持50g運行約13.8小時，試驗2(端承樁)模型保持70g的運轉(zhuǎn)速度運行約7.1小時;根據(jù)相似理論，相當(dāng)于原型固結(jié)約4年(48個月)時間。
    4 試驗結(jié)果分析
    為了便于理解和分析，已將離心機模型試驗數(shù)據(jù)得出的孔隙水壓力、沉降變形和樁身下拉荷載轉(zhuǎn)化到對應(yīng)原型尺度下進(jìn)行論述。
    4.1 沉降變形結(jié)果與分析
    試驗樁1(摩擦樁)中實測結(jié)果轉(zhuǎn)化為原型，土壤和樁的沉降變形結(jié)果見圖1。從圖中可知，固結(jié)開始階段，粘土沉降變形速率很快，隨著固結(jié)度增加，沉降變形速率減小，大約固結(jié)40個月以后，土壤沉降變形趨于平緩。此時，實測土壤固結(jié)沉降5.4m m，相當(dāng)于原型固結(jié)沉降量270mm;實測模型樁的沉降量約為0.63 m m，相當(dāng)于原型樁的沉降量32mm。軟粘土應(yīng)時間為1.4年左右。
           
     試驗樁2(端承樁)中實測結(jié)果轉(zhuǎn)化為原型土壤和樁的沉降變形結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，固結(jié)開始時段，粘土沉降變形速率很快，隨著固結(jié)度增加，沉降變形速率減小，和大約固結(jié)16個月以后，土壤沉降變形趨于平緩。此時，實測土壤固結(jié)沉降3.6m m，相當(dāng)于原型固結(jié)沉降250mm;實測模型樁的沉降量約為0.01 5mm，相當(dāng)于原型尺度下樁的沉降量1.05 mm左右。由于是端承樁，樁的沉降變形非
           
    4.2 孔隙水壓力結(jié)果與分析
    試驗樁1中孔隙水壓力、測壓管水頭隨時間變化的過程如圖3、圖4所示。在增加超載后，各土層均產(chǎn)生了超孔隙水壓力。待實驗準(zhǔn)備完畢并開機加速到固結(jié)加速度時，各孔隙水壓力傳感器的讀數(shù)作為初始孔隙水壓力。其中PPTI和PM 埋設(shè)于地表以下3.5m深處，初始孔隙水壓力均為59kPa左右，實驗結(jié)束時，相當(dāng)于固結(jié)4年后，孔隙水壓力均下降到29kPa左右。PPT3和PPT4埋設(shè)在地表以下llm和16m處，初始孔隙水壓力分別為113.3k Pa和166.2kPa，實驗結(jié)束時，孔隙水壓力分別下降到106.Ok Pa和153.1k P a。初時，軟粘土層中的超孔隙水壓力比較高，測壓管水頭高出基準(zhǔn)面2.5m多，全風(fēng)化花崗巖層中稍小，測壓管水頭高出基準(zhǔn)面不到lm。隨著固結(jié)過程進(jìn)行，超孔隙水壓力逐漸消散，各土層中的測壓管水頭趨于相等，表明孔隙水壓力趨于靜水壓力分布。試驗樁2中孔隙水壓力和測壓管水頭隨時間變化規(guī)律同試驗樁1。
         
          
    4.3 樁身下拉荷載結(jié)果與分析
    實驗樁1中樁身下拉荷載隨固結(jié)時間的變化過程和不同固結(jié)時間下拉荷載沿樁身的分布如圖5所示。由圖可見，軟粘土固結(jié)時，在樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，下拉荷載Z大達(dá)到420kN。樁的上部較小，在樁的中部增大，并出現(xiàn)峰值，端部較小。固結(jié)1年以后，下拉荷載Z大值出現(xiàn)在埋深12m處，8m及22m處負(fù)摩阻力相對較小，小于50kN。固結(jié)2年以后，下拉荷載Z大值仍出現(xiàn)在埋深12m處，但中上部和樁端附近下拉荷載顯著增大。固結(jié)3年以后，下拉荷載Z大值出現(xiàn)在樁中上部，埋深8m處。固結(jié)4年以后，土層固結(jié)度達(dá)到了比較高的水平，土層沉降變形趨于平緩，下拉荷載Z大值出現(xiàn)在樁中上部，埋深8m處，由此深度向下，下拉荷載逐漸遞減。
    試驗樁2樁身下拉荷載隨固結(jié)時間的變化過程和不同固結(jié)時間下拉荷載沿樁身的分布如
         
    圖6所示。由圖中可知，固結(jié)達(dá)到4年時，樁身產(chǎn)生的下拉荷載Z大達(dá)到673 kN，由于是端承樁，下拉荷載沿樁身從上到下逐漸增大，Z大下拉荷載位于樁端部。由于端承樁樁身與土壤沉降差比摩擦樁要大，因此由負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載也比較大。
         
          
    公式 (4 )為有效應(yīng)力分析經(jīng)驗公式，公式(5)為總應(yīng)力分析經(jīng)驗公式。根據(jù)實測的樁下拉荷載結(jié)果得到寧海電廠摩擦樁和端承樁的樁側(cè)摩阻力系數(shù)Q和a的估算值如表2、表3所示。
          
    5 結(jié)論與建議
    通過對單樁負(fù)摩阻力離心機模型試驗的研究，得出以下結(jié)論:
    (1)軟粘土上增加超載以后，土層中產(chǎn)生超孔隙水壓力。全風(fēng)化花崗巖層滲透性高，超孔隙水壓力消散快，而粘土層的滲透性小，超孔隙水壓力消散得慢。大約固結(jié)4年以后，超孔隙水壓力基本消散。
    (2) 在端承樁試驗中，軟粘土層固結(jié)度達(dá)到90%的時間為1.3年(16個月)左右，固結(jié)4年以后，地表軟粘土沉降量約250mm，樁頂沉降非常小，約lmm。在摩擦樁中，軟粘土層固結(jié)度達(dá)到90%的時間為1.3年，固結(jié)4年以后，地表軟粘土沉降量約260mm。在固結(jié)基本完成以后，土層和樁的沉降變形也趨于穩(wěn)定。
    (3)在端承樁試驗中，上覆lm砂土荷載固結(jié)4年以后，下拉荷載Z大值達(dá)到673kN 。下拉荷載沿樁身向下逐漸增大，Z大值出現(xiàn)在樁端附近，沿樁身向上逐漸減小。在摩擦樁試驗中，下拉荷載Z大值達(dá)到420kN，Z大值出現(xiàn)在樁的中部，樁的上部與端部較小。
    (4)在端承樁試驗中，軟粘土層側(cè)摩阻力系數(shù)16估算值為0.1一0.25 ,a 值為0.9一1.0a而摩擦樁試驗中，軟粘土層側(cè)摩阻力系數(shù)18估算值為0.15一0.25 ,a 值為0.9一1.0o