大型湿喷桩复合地基模型试验系统研究摘要：根据模型试验相似理论，分析湿喷桩复合地基模型设计应满足的相似条件，建立了可以模拟实际成桩过程的湿喷桩室内试验模型。
鉴于此模型可以较好的模拟湿喷桩成桩过程，因此将其用于湿喷桩复合地基特性的室内试验研究。
关键词：湿喷桩复合地基；模型实验；相似理论
abstract: according to the model test similar theory, analyses the wet spray pile composite foundation model design should meet similar conditions to establish the can simulate the real pile of wet process spray pile indoor test model. in view of this model can be good simulation wet spray pile into pile process, and so on the wet spray pile composite foundation characteristics of the laboratory tests.
keywords: wet spray pile composite foundation; model experiment; similarity theory
中图分类号：tu47 文献标识码：a文章编号：
湿喷桩因其在施工、技术、经济等方面的优势，目前正广泛应用于高速公路软基处理的复合地基中。
由于湿喷桩构成的复合地基在含结构物路段、桥头过渡路段和地质条件较差的特殊路段等处理中发挥的巨大作用，因而，倍受学术界与工程界关注。
现阶段湿喷桩复合地基的研究手段主要有原位观测、静载试验、数值分析、模
型试验等四类，前三类研究方法运用较为广泛；而模型试验受需要精确设定和控制边界条件、桩土材料特性，以及如何模拟现场工况等问题的困扰，开展的相对较少，特别是大型模型槽的模拟试验研究。
大型模型槽模拟试验研究，不仅在研究桩土相互作用时具有较强的针对性和目的性，获得的信息比其他方法更为丰富准确，而且可在地场温度变化对湿喷桩成桩和强度影响、土层物理力学性质指标变化对湿喷桩成桩和强度影响等研究中进行复合地基变形全过程监测与模拟，有利于得到规律性的结论，同时减少尺寸效应，便于工程应用。
本文将着重介绍作者们在大型湿喷桩复合地基模型试验系统研究方面的工作和利用该试验系统在温度变化对对湿喷桩成桩和强度影响方面的研究成果。
1. 模型设计理论
本文研究的大型湿喷桩复合地基模型试验系统是在室内模拟现场湿喷桩桩体成桩过程，研究湿喷桩在分层地基中成桩、养护、受荷等不同工程条件下桩体和复合地基的各种工程力学特性及变形位移发展机理。
根据所研究的模型的特点，确定模型相似设计的基本原则为物理条件相似、几何条件相似、边界条件相似，以及初始条件相似。
量纲分析法的核心是写出量纲方程，确定参与现象的各物理量和因次表，湿喷桩复合地基相关物理量和因次见表1。
根据表1给出的各个物理量取舍情况和量纲分析的各因素隐式关系，可得到量纲分析的第一个等式，即：
（1）
其中，因次关系式为：
（2）
将上式改写成矩阵式为：
（3）
其中，；；。
由系数矩阵a可知矩阵秩为2，方程共包含7个物理量，根据量纲分析理论，无因次π项个数为5，由此可得方程组：（4）
令x5＝1，x1、x2 、x3、x4＝0，可得：。
同理，。
2. 模化条件
模化条件是模型试验时应遵循的相关准则，在大型湿喷桩复合地基模型试验系统中主要有物理条件相似、几何条件相似、边界条件相似以及初始条件相似。
2.1 物理条件相似
由物理条件相似准则推知，模型所用材料与原型所用材料应满足以下关系式：
（5）
式中ρ、ρ＇分别表示原型和模型地基土的湿密度；w、w＇分别表示原型和模型地基土的含水率；g、g＇分别表示原型和模型实验中的重力加速度；es 、es＇分别表示原型和模型地基土的弹性
模量；ep 、ep＇分别表示原型和模型桩体的弹性模量
2.2 几何条件相似
现象相似必定发生在几何相似的空间内，故模型地基的几何形状应与实际地基相似，主要是地基宽度和软基深度两者的几何相似比相等。
成立的条件为：
；（6）
式中bp 、bp＇分别表示原型和模型地基的半幅宽度；hp 、hp＇分别表示原型和模型地基的深度。
2.3 边界条件相似
（1）横向柔性边界条件和地基底部下卧层边界条件相似
复合地基的边界条件主要是横向沿地基两侧的柔性边界条件。
在以往有关模型试验中通常通过设置柔性气囊或者其它办法满足
这一条件，本文认为通过预留一定宽度的边界区来满足这一条件更为合理。
因为实际工程中，地基两侧的柔性边界为无限远，在模型试验中无法获得与现场完全相同的边界条件。
（2）纵向平面应变边界条件相似
一般情况下，高速公路地基计算可以简化为平面应变问题。
在平面应变条件下，沿地基纵向的位移s＝0，剪应力τxz=τzx=0，τyz=τzy=0。
利用模型地基纵向边界为刚性挡板的这一条件来满足原型地基纵向平面应变边界条件。
2.4 初始条件相似
模型试验中初始条件相似是指应力历史条件相似。
一般情况
下，可认为原型软基处于自重条件下的正常状态，要使模型地基在自重条件下达到完全正常固结状态需要较长时间，本文在制作模型地基时将重塑软土静置相当一段时间来尽量模拟这一条件。
3. 成桩机功率
湿喷桩成桩机的主要包括动力源、传动部件，以及掘进器具，三者协同提供旋转角速度和功率，以带动钻头的转动和掘进。
伴随着具有一定压力水泥浆液的喷出，在地基中形成一竖向圆柱形水泥土混合扰动体。
根据模型的特点，关键就是如何选择成桩设备的动力源。
3.1关系曲线
根据pmh~pmv的特性和成桩机传动机械摩擦的特点及相关公式〔7〕，以τf为自变量，ps为应变量，以及为自变量pf为应变量的关系图如下：
图1 剪切模量~剪切功率关系图2pf~的关系曲线
3.2输出功率选择
本文模型试验中，地基土体第一层选用亚沙土、第二层选用淤泥、第三层选用淤泥质亚粘土、持力底层选用抗剪强度大的亚沙土。
经过重塑之后，试验测定土体最大剪切模量可达31n/m2。
因此，由图1剪切模量～剪切功率曲线图，可得ps为58.4w；根据湿喷桩成桩机在成桩过程中的最大转速2.2rad/s，再由图2 pf~的关系曲线，可以得到pf的值不会超过11瓦。
将ps和pf两者相加可得p＝
69.4w。
4．模型试验成果分析
通过对试验结果的分析可得到如下一些结论：
（1）地场温度在20℃左右最利于湿喷桩早期强度的形成，因此，应充分利用地场温度的周期变化，合理选择施工时期，可以有效提高湿喷桩的初期强度，缩短施工周期。
（2）地场随深度的温度变化对4-6m内湿喷桩的强度有较大影响，春夏季节将比秋冬季节高11-16％；6m以下影响较小，不足5％。