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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海縣強蛟鎮(zhèn)西北的團結塘海堤東側(cè)的灘涂上，擬建電廠建設規(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。設計采用樁基礎，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8m以上。在軟土地基上大面積回填引起固結沉降，其對樁基的負摩阻力的影響必須通過試驗進行研究。
    本次試驗分為現(xiàn)場樁基負摩阻力試驗和負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，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，使模型達到與原型相等的應力狀態(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力、應變控制方程。
    相似*定律:相似現(xiàn)象的各對應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構物，其應力、應變狀態(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系見表1。
            
    3 離心模型試驗
    3.1 試驗技術條件
    本試驗在香港科技大學土木工程離心實驗室進行，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)。量測模型樁的應變采用了半導體應變片，其靈敏度比普通應變片高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、砂土和全風化花崗巖構成。按寧海電廠現(xiàn)場土層分布情況，將粘土和全風化花崗巖通過水篩、攪拌、排除氣泡等工序分層鋪設在模型箱中。對粘土經(jīng)過四次加載使其預固結，Z大預固結壓力為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，端承樁樁端則到達模型箱底部，Z后在粘土層上鋪設砂土作為排水層和超載。
    3.4 固結試驗過程
    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，相當于原型固結約4年(48個月)時間。
    4 試驗結果分析
    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)化到對應原型尺度下進行論述。
    4.1 沉降變形結果與分析
    試驗樁1(摩擦樁)中實測結果轉(zhuǎn)化為原型，土壤和樁的沉降變形結果見圖1。從圖中可知，固結開始階段，粘土沉降變形速率很快，隨著固結度增加，沉降變形速率減小，大約固結40個月以后，土壤沉降變形趨于平緩。此時，實測土壤固結沉降5.4m m，相當于原型固結沉降量270mm;實測模型樁的沉降量約為0.63 m m，相當于原型樁的沉降量32mm。軟粘土應時間為1.4年左右。
           
     試驗樁2(端承樁)中實測結果轉(zhuǎn)化為原型土壤和樁的沉降變形結果見圖2。從圖中可以看出，固結開始時段，粘土沉降變形速率很快，隨著固結度增加，沉降變形速率減小，和大約固結16個月以后，土壤沉降變形趨于平緩。此時，實測土壤固結沉降3.6m m，相當于原型固結沉降250mm;實測模型樁的沉降量約為0.01 5mm，相當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。待實驗準備完畢并開機加速到固結加速度時，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 埋設于地表以下3.5m深處，初始孔隙水壓力均為59kPa左右，實驗結束時，相當于固結4年后，孔隙水壓力均下降到29kPa左右。PPT3和PPT4埋設在地表以下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面2.5m多，全風化花崗巖層中稍小，測壓管水頭高出基準面不到lm。隨著固結過程進行，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 樁身下拉荷載結果與分析
    實驗樁1中樁身下拉荷載隨固結時間的變化過程和不同固結時間下拉荷載沿樁身的分布如圖5所示。由圖可見，軟粘土固結時，在樁身產(chǎn)生負摩阻力，下拉荷載Z大達到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1年以后，下拉荷載Z大值出現(xiàn)在埋深12m處，8m及22m處負摩阻力相對較小，小于50kN。固結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4年以后，土層固結度達到了比較高的水平，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時間的變化過程和不同固結時間下拉荷載沿樁身的分布如
         
    圖6所示。由圖中可知，固結達到4年時，樁身產(chǎn)生的下拉荷載Z大達到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，因此由負摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載也比較大。
         
          
    公式 (4 )為有效應力分析經(jīng)驗公式，公式(5)為總應力分析經(jīng)驗公式。根據(jù)實測的樁下拉荷載結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 結論與建議
    通過對單樁負摩阻力離心機模型試驗的研究，得出以下結論:
    (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，軟粘土層固結度達到90%的時間為1.3年(16個月)左右，固結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，軟粘土層固結度達到90%的時間為1.3年，固結4年以后，地表軟粘土沉降量約260mm。在固結基本完成以后，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4年以后，下拉荷載Z大值達到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