導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

李志剛，袁志林，段夢(mèng)蘭，鐘 超，王建國(guó)，張 瑜

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京 102249）

1 引 言

導(dǎo)管架平臺(tái)是近海采油平臺(tái)的重要形式，海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架平臺(tái)除了承受自身的重力荷載外，還承受著風(fēng)、波浪、海流、海冰、船舶撞擊等各種水平荷載的作用，由此造成的樁基礎(chǔ)承載能力的下降對(duì)平臺(tái)的安全性有重要影響。水平荷載下由于土體中累計(jì)孔隙水壓力的上升而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度下降的現(xiàn)象稱(chēng)為土的弱化[1]，現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基水平承載特性的設(shè)計(jì)規(guī)范是基于API-RP2A（American Petroleum Institute）的p-y（土反力-樁身位移）曲線法[2]，采用的是1970 年Matlock[3]于塞賓和奧斯廷通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立了水平荷載作用下軟黏土p-y曲線公式，Reese 等[4]基于砂土中的鋼管樁的試驗(yàn)分析與研究獲得的砂土的分段p-y 曲線，然而試驗(yàn)中沒(méi)能綜合考慮水平荷載下樁周土體的弱化性質(zhì)，不能如實(shí)反映樁-土-結(jié)構(gòu)間的相互作用。故設(shè)計(jì)并建造1 套水平荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土試驗(yàn)系統(tǒng)，以深入研究水平荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基承載特性對(duì)現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺(tái)的安全評(píng)估具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水平荷載條件下樁-土-結(jié)構(gòu)間的相互作用做大了工作，建立了各種模擬水平荷載下樁-土相互作用的試驗(yàn)系統(tǒng)，El Naggar等[5－6]通過(guò)單樁動(dòng)載試驗(yàn)研究了動(dòng)荷載下樁-土間的相互作用，建立了相應(yīng)的動(dòng)力p-y 曲線公式，并對(duì)考慮樁-土相互作用的導(dǎo)管架平臺(tái)的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，Jeanjean[7]建立了離心機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，并結(jié)合有限元計(jì)算對(duì)水平荷載下單樁的承載特性進(jìn)行分析，Chandrasekaran 等[8]，Doyle 等[9]分別建立離心機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)水平荷載下群樁的承載特性進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)不同排樁的承載力進(jìn)行對(duì)比，得到了對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)。國(guó)內(nèi)的王建華等[10]建立了能夠?qū)ν馏w施加反壓的樁-土試驗(yàn)系統(tǒng)，以模擬具有殘余孔壓的弱化飽和砂土層，研究了弱化飽和砂土中單樁的水平承載特性，榮冰等[11]為研究風(fēng)力電機(jī)樁基承載特性，建立了能夠?qū)崿F(xiàn)多種荷載同時(shí)作用的試驗(yàn)系統(tǒng)。

綜上所述，目前對(duì)樁基礎(chǔ)的承載特性的研究主要為離心機(jī)試驗(yàn)和場(chǎng)地的模型試驗(yàn)，但受到試驗(yàn)規(guī)模的限制，試驗(yàn)中所采用的模型多為單樁和由單樁相互牽連構(gòu)成的群樁模型，雖然能夠定性研究水平荷載下樁基礎(chǔ)的承載特性，但未能如實(shí)反映環(huán)境荷載作用下導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土-上層結(jié)構(gòu)之間的相互作用及樁基土體的弱化性質(zhì)，鑒于此，本文建立了水平荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用的大比例模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以1:10 的JZ20-2MUQ 導(dǎo)管架平臺(tái)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停嗅槍?duì)性的研究風(fēng)、波浪、冰荷載作用下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基承載特性，同時(shí)引入了振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以研究樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)動(dòng)力特性的影響，該系統(tǒng)對(duì)研究現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺(tái)的安全性有重要意義。

2 導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為研究環(huán)境荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基水平承載特性，同時(shí)分析動(dòng)荷載下樁基土體弱化對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)動(dòng)力特性的影響，建立了如圖1 所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由4 部分組成：導(dǎo)管架平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)、電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)、傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

2.1 導(dǎo)管架平臺(tái)試驗(yàn)相似模型系統(tǒng)

為使模型試驗(yàn)?zāi)軌虮M可能真實(shí)地反映原型樁-土-結(jié)構(gòu)間相互作用，必須考慮模型與原型之間的物理相似性?；贐uckingham π定理建立的人工質(zhì)量相似律和忽略重力相似律在工程模型試驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用，本文將基于Buckingham π定理，主要采用量綱分析法推導(dǎo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨脐P(guān)系。

圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土試驗(yàn)系統(tǒng) Fig.1 The pile-soil test system of jacket platform

本試驗(yàn)系統(tǒng)的研究目的在于：研究循環(huán)荷載下樁基土體的弱化特性；研究樁基弱化對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力的影響。據(jù)此確定模型設(shè)計(jì)的基本原則如下：

（1）為了較好地模擬樁-土-結(jié)構(gòu)件的動(dòng)力相互作用，導(dǎo)管架模型的所有尺寸具有1 個(gè)相似常數(shù)，即正太幾何相似，

（2）通過(guò)設(shè)置人工質(zhì)量（以不影響結(jié)構(gòu)的剛度為宜）的方法近似考慮重力加速度的模擬，以補(bǔ)充重力效應(yīng)和慣性效應(yīng)的不足，力爭(zhēng)結(jié)構(gòu)重力不失真。

（3）作為模擬樁基礎(chǔ)弱化條件下導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的試驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)考慮有效上覆土壓力與土中動(dòng)力響應(yīng)孔隙水壓力的相似關(guān)系。

（4）控制施加荷載的參數(shù)，以有效模擬風(fēng)、波浪、冰荷載作用下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基承載特性及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

針對(duì)上述試驗(yàn)?zāi)康募跋嗨圃O(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則，采用長(zhǎng)度[ L ]、時(shí)間[T ]及質(zhì)量[ M ]作為基本量綱，則物理現(xiàn)象[ P ]的量綱可以表示為[ P] =[ M ]α[ L ]β[T ]γ，本試驗(yàn)相似模型設(shè)計(jì)所考慮的主要物理量及其量綱如表1 所示，物理量的控制方程為

該物理現(xiàn)象包含物理參數(shù)個(gè)數(shù)n=14，基本量綱個(gè)數(shù)k =3，則獨(dú)立的π 的個(gè)數(shù)為n k- =11。由相似定理將式（1）寫(xiě)成無(wú)量綱方程：

則任一無(wú)量綱項(xiàng)可表示為

將表1 中各量綱公式帶入式（3），根據(jù)量綱齊次原則可得模型的相似判據(jù)及相似關(guān)系：

根據(jù)量綱分析法得到了相似常數(shù)之間的關(guān)系式，為解出所有相似常數(shù)，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)特性作如下分析：整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中重力加速度g 是不可改變的，所以應(yīng)滿足 Cg= Ca=1 的條件；試驗(yàn)中為考慮重力加速度g 的近似模擬，要求 Cg=1，則可以取質(zhì)量密度的相似系數(shù)Cρ=1?；谝陨戏治隹梢源_定各相似常數(shù)，如表1 所示，其中 CL為幾何尺寸相似常數(shù)。

表1 模型主要物理量及其量綱 Table 1 Dimensions and key physical parameters of model

如前文所述，本導(dǎo)管架模型試驗(yàn)基于Buckingham π 定理建立的人工質(zhì)量相似律，考慮對(duì)重力加速度的近似模擬，采用文獻(xiàn)[12]中的方法確定人工質(zhì)量為

式中： mo為人工質(zhì)量； mp為結(jié)構(gòu)的原型質(zhì)量； mm為模型自身質(zhì)量；為模型的總質(zhì)量，因?yàn)橘|(zhì)量相似常數(shù) Cm=。

需要說(shuō)明的是，在1g 重力場(chǎng)下的縮比模型試驗(yàn)，由于土體為彈塑性材料，1g 重力場(chǎng)下的小尺寸模型試驗(yàn)土體的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度特征與原型有較大不同，之所以建立1:10 的大比例導(dǎo)管架模型試驗(yàn)系統(tǒng)就是為了降低土體難以相似對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。目前能實(shí)現(xiàn)模擬ng 重力場(chǎng)的離心機(jī)模型試驗(yàn)應(yīng)用較廣，但受離心機(jī)規(guī)模限制，一般只能進(jìn)行較小尺寸模型試驗(yàn)，邊界效應(yīng)會(huì)引起土層邊界受力和變形條件的改變[13]，且目前國(guó)內(nèi)的離心機(jī)設(shè)備較少?；谀壳暗难芯勘尘?，本文建立的大比例模型系統(tǒng)對(duì)于研究環(huán)境荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土作用機(jī)制及平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)具有重要意義。

所建立的導(dǎo)管架平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)主要由導(dǎo)管架模型、混凝土土池、反力加載架組成，導(dǎo)管架為基于以上相似理論分析建立的1:10 JZ20-2MUQ 導(dǎo)管架平臺(tái)模型（如圖2 所示）。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》[14]規(guī)定，對(duì)樁基的處理采用沿導(dǎo)管架主樁腿方向延長(zhǎng)6 倍樁徑在底端固支，且實(shí)際平臺(tái)設(shè)計(jì)報(bào)告中也僅對(duì)28 倍樁徑內(nèi)的樁基橫向承載特性進(jìn)行分析，故試驗(yàn)中選擇對(duì)樁腿進(jìn)行截?cái)嘁院?jiǎn)化試驗(yàn)，模型建立中保守選擇在33 倍樁徑處對(duì)樁腿進(jìn)行截?cái)?，?dǎo)管架模型如圖3 所示，平臺(tái)高為6 m，樁長(zhǎng)為3 m，樁徑為0.09 m，兩樁腿間最大間距為2.36 m。

試驗(yàn)地基為5 m×5 m×3.5 m 的混凝土土池，如圖1 所示，土池四周有寬為1 m 的混凝土基礎(chǔ)，并設(shè)置有4 組高強(qiáng)度地腳螺栓，以保證反力加載架的穩(wěn)定性，土池一角筑有0.5 m×0.5 m 的集水井，集水井壁與地基土間設(shè)置有多組排水孔，實(shí)現(xiàn)了水體的循環(huán)，實(shí)踐證明，集水井的設(shè)置對(duì)于實(shí)現(xiàn)地基土體的充分飽和有重要意義。試驗(yàn)用地基土包括砂土和黏土，根據(jù)研究目的不同，合理進(jìn)行地基土的填筑（包括均質(zhì)黏土、均質(zhì)砂土及黏土和砂土分層填筑），土體參數(shù)如表2、3 所示（其中50ε 為原狀土不排水試驗(yàn)在1/2 最大應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)變），地基土采用振動(dòng)夯實(shí)和多次填土的方法進(jìn)行填筑，控制每次填土夯實(shí)后的土層厚度為0.2 m，注水充分飽和后再進(jìn)行下次填土。為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，反力加載架的穩(wěn)定性尤為重要，它是由Φ 245 mm×8 mm 的無(wú)縫鋼管和200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 的工字鋼焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證，擬用最大荷載條件下，反力加載架的最大位移及應(yīng)力均滿足試驗(yàn)要求。

圖2 JZ20-2MUQ 導(dǎo)管架平臺(tái) Fig.2 JZ20-2MUQ jacket platform

圖3 導(dǎo)管架平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?Fig.3 The test model of jacket platform

表2 砂土參數(shù) Table 2 Parameters of sand

表3 黏土參數(shù) Table 3 Parameters of clay

2.2 電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)

為模擬環(huán)境荷載對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的作用，選用高精度伺服電動(dòng)缸作為加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由伺服電動(dòng)缸、驅(qū)動(dòng)控制器、控制軟件組成，電動(dòng)缸型號(hào)為WEC160，行程為0.35 m，配以13.3 kw 的意大利交流伺服電機(jī)，能提供的最大推力為50 kN，最大速度為0.2 m/s，能夠?qū)崿F(xiàn)0～5 Hz 的循環(huán)加載。控制系統(tǒng)選用Parker驅(qū)動(dòng)控制器（型號(hào)為C3S300V4 F12I11T40M00），配以位移和力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)位移和力的控制，在此基礎(chǔ)上筆者開(kāi)發(fā)了本試驗(yàn)系統(tǒng)的控制軟件，該軟件能控制電動(dòng)缸輸出沖擊荷載、靜荷載、循環(huán)荷載，同時(shí)考慮冰荷載對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的重要影響，根據(jù)JZ20-2MUQ 平臺(tái)錐體壓力盒實(shí)測(cè)得到的冰力時(shí)程曲線[15]編制控制程序，冰力時(shí)程曲線如圖6 所示，能夠模擬導(dǎo)管架平臺(tái)在冰荷載下的樁-土間相互作用及振動(dòng)響應(yīng)。

圖4 伺服電動(dòng)缸 Fig.4 Servo electric cylinder

圖5 驅(qū)動(dòng)控制器 Fig.5 Drive controller

2.3 傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土試驗(yàn)系統(tǒng)中需要的傳感器包括電阻應(yīng)變片、土壓力盒、孔隙水壓計(jì)、位移傳感器，圖7 為樁身應(yīng)變片和土壓力盒的布置，沿樁身均勻布置15 組電阻應(yīng)變片用于測(cè)量動(dòng)靜荷載下的 樁身彎矩，并封膠進(jìn)行保護(hù)和防水處理，且采用樁體內(nèi)部布線的方法，以減少電纜對(duì)樁-土間相互作用的影響。為研究水平荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)的承載特性，需要測(cè)定不同深度處的p-y 曲線，以往研究中多采用實(shí)測(cè)樁身應(yīng)變換算成樁身彎矩[1,16]，通過(guò)對(duì)彎矩二次微分求得樁身土抗力p，對(duì)彎矩進(jìn)行二次積分求得樁身位移，積分計(jì)算中產(chǎn)生的積分常量利用土抗力為0 的點(diǎn)和位移傳感器測(cè)量的樁頂位移確定。然而微分對(duì)于實(shí)測(cè)樁身彎矩非常敏感，易產(chǎn)生較大誤差，故本試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)沿樁身布置微型土壓力盒的方法實(shí)測(cè)樁身土抗力。動(dòng)荷載下土體中累積孔壓的產(chǎn)生對(duì)樁基承載力有重要影響，即隨著樁身位移的增大，土體中的孔隙水壓力升高，導(dǎo)致土體的有效強(qiáng)度降低，產(chǎn)生樁基弱化效應(yīng)，本試驗(yàn)系統(tǒng)中在樁身前后分別布置了微型孔隙水壓計(jì)，以測(cè)量試驗(yàn)中樁周土體孔隙水壓力的變化。所布置微型孔隙水壓計(jì)和土壓力盒表面與樁身外表面齊平，均位于沿加載方向兩側(cè)，如圖1(a)所示。以上傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)TST5915 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀進(jìn)行采集，該儀器能自動(dòng)進(jìn)行橋路的平衡和調(diào)0，測(cè)試速度快，抗干擾能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)所有靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的全程記錄，如圖8 所示。試驗(yàn)中的傳感器使用前均進(jìn)行過(guò)標(biāo)定，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供保證。

2.4 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括加速度傳感器、力錘、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀及結(jié)構(gòu)模態(tài)分析軟件組成，準(zhǔn)確測(cè)量外荷載作用下導(dǎo)管架平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)研究環(huán)境荷載作用下樁-土-結(jié)構(gòu)間的相互作用有重要意義，本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定樁基在不同弱化狀態(tài)導(dǎo)管架模型的振動(dòng)響應(yīng)，來(lái)研究樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對(duì)平臺(tái)振動(dòng)特性的影響。系統(tǒng)中選用進(jìn)口的加速度傳感器，該傳感器穩(wěn)定性好，安裝方便，可直接通過(guò)高強(qiáng)度磁頭安裝在測(cè)試件表面，圖9(a)為安裝在導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處的加速度傳感器。數(shù)據(jù)采集儀和分析軟件為安正CRAS 系列結(jié)構(gòu)模態(tài)分析系統(tǒng)，如圖9(b)所示。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)有效性測(cè)試

利用本文所述試驗(yàn)系統(tǒng)已成功完成了對(duì)導(dǎo)管架模型的靜力和循環(huán)加載試驗(yàn)，本文將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明以驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性及水平荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基承載特性。首先對(duì)加載系統(tǒng)的有效性進(jìn)行測(cè)試，如圖10 所示，設(shè)定加載系統(tǒng)輸出振幅為100 N，頻率為0.1 Hz 的循環(huán)荷載，由圖可知，荷載的幅值和頻率均比較穩(wěn)定，上述測(cè)試結(jié)果表明，本文所述試驗(yàn)系統(tǒng)加載及其控制有效，能夠滿足導(dǎo)管架平臺(tái)模型試驗(yàn)中荷載施加的要求。

圖10 水平循環(huán)加載測(cè)試曲線 Fig.10 Curves of horizontal cyclic loading test

3.2 樁身變形分析結(jié)果

根據(jù)梁的彎曲變形與應(yīng)力分析理論，樁身任意截面處的彎矩表達(dá)式為

式中：M 為樁身彎矩；E 為導(dǎo)管架平臺(tái)樁的彈性模量；I 為模型樁的截面慣性矩；ε 為實(shí)測(cè)的樁身應(yīng)變；d 為樁徑。

圖11 為實(shí)測(cè)的不同位移荷載下的樁身彎矩變化曲線，由圖可以看出，隨著荷載量級(jí)的增加，樁身彎矩增大，樁身的最大彎矩點(diǎn)及反彎點(diǎn)逐步向深處擴(kuò)展，反彎點(diǎn)從泥下2 m 下降到2.5 m 處，即導(dǎo)管架平臺(tái)模型受到水平荷載時(shí)，淺層的土體由于強(qiáng)度低，首先達(dá)到塑性破壞，進(jìn)而樁身?yè)锨粩嘞蛏钐幇l(fā)展，造成深處土體不斷受到樁的水平向擠壓，逐漸發(fā)揮出土體的水平抗力。

圖11 樁身彎矩變化曲線 Fig.11 Curves of bending moment of the pile

3.3 樁周土體響應(yīng)分析結(jié)果

圖12 是泥下0.6 m 處微型土壓力盒實(shí)測(cè)的土抗力變化曲線，可以看出，隨著水平荷載的施加，樁周土體受到樁的水平向擠壓逐步發(fā)揮出土體的水平抗力，荷載較小時(shí)，土體尚處于彈性變形階段，土抗力增加較明顯，隨著荷載增大，土體接近屈服狀態(tài)，土抗力的增加幅度減小，逐漸達(dá)到土體的極限承載力，故試驗(yàn)中土壓力盒測(cè)得的土抗力數(shù)據(jù)能夠很好地反映土體的彈塑性性質(zhì)，滿足試驗(yàn)要求。

圖12 土抗力變化曲線圖 Fig.12 Curves of soil pressure

循環(huán)荷載作用下，樁周?chē)馏w受到循環(huán)應(yīng)力作用，從而使飽和土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，圖13為泥下0.2 m 處微型孔隙水壓計(jì)測(cè)得的循環(huán)荷載下樁周土體孔隙水壓力的變化曲線，可以看出，隨著外荷載的施加，土體中產(chǎn)生了明顯的孔壓累積，超孔隙水壓力的累積對(duì)地基土體有效強(qiáng)度有重要影響，尤其是砂土地基，超孔隙水壓力的累積容易引起土體的液化，從而對(duì)樁基礎(chǔ)的安全性造成影響。

圖13 超孔隙水壓力變化曲線 Fig.13 Curves of excess pore pressures

3.4 導(dǎo)管架模型模態(tài)分析結(jié)果

本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定樁基在不同弱化狀態(tài)導(dǎo)管架模型的振動(dòng)響應(yīng)，來(lái)研究樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對(duì)平臺(tái)振動(dòng)特性的影響，圖14 為土體擾動(dòng)前測(cè)得的試驗(yàn)導(dǎo)管架模型一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)陣型，其一階彎曲陣型頻率為7.613 Hz，一階扭轉(zhuǎn)陣型頻率為9.516 Hz。通過(guò)abaqus 有限元得到的一階彎曲頻率為9.012 Hz，一階扭轉(zhuǎn)陣型頻率為12.912 Hz，而有限元計(jì)算中采用6 倍樁徑處固定，這可能與實(shí)際導(dǎo)管架模型狀態(tài)有一定差異，使頻率數(shù)值略高于實(shí)測(cè)結(jié)果，所以振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能較準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)特性。

圖14 導(dǎo)管架模型陣型 Fig.14 Mode of jacket platform model

4 結(jié) 論

（1）基于Buckingham π定理建立的人工質(zhì)量相似律，采用量綱分析法推導(dǎo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨脐P(guān)系，建議應(yīng)用人工質(zhì)量法實(shí)現(xiàn)對(duì)重力加速度的近似模擬，力爭(zhēng)結(jié)構(gòu)重力不失真。

（2）研制的水平荷載作用下導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)，創(chuàng)新性的采用實(shí)際平臺(tái)大比例模型對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用進(jìn)行分析，能夠有針對(duì)性的研究風(fēng)荷載、波浪荷載和冰荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基承載特性。

（3）本試驗(yàn)系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)缸作為加載系統(tǒng)，配以可編程控制器，輸出荷載精度高、穩(wěn)定性好，能夠準(zhǔn)確模擬不同頻率和幅值的環(huán)境荷載。試驗(yàn)中采用電阻應(yīng)變片和位移傳感器測(cè)量樁基礎(chǔ)的變形特性，同時(shí)為避免對(duì)彎矩進(jìn)行二次微分求得土抗力的誤差，采用沿樁身布置微型土壓力盒的方法直接測(cè)量樁基礎(chǔ)的水平土抗力。動(dòng)荷載下超孔隙水壓力的累積對(duì)樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有重要影響，故本試驗(yàn)系統(tǒng)在樁周?chē)煌疃炔贾昧硕嘟M微型孔隙水壓計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)荷載下樁周土體孔隙水壓力的變化情況，對(duì)研究動(dòng)荷載下樁基弱化特性有重要意義。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多通道高頻率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠完整記錄荷載作用下樁身變形、土抗力及孔隙水壓力的變化情況。

（4）研制的試驗(yàn)系統(tǒng)中包括振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量外荷載作用下導(dǎo)管架平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)研究環(huán)境荷載作用下樁-土-結(jié)構(gòu)間的相互作用有重要意義。

（5）初步試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬各種環(huán)境荷載，同時(shí)能夠準(zhǔn)確測(cè)定外荷載下樁基變形特性、樁基周?chē)馏w響應(yīng)及平臺(tái)的振動(dòng)特性，該試驗(yàn)系統(tǒng)的研制對(duì)研究環(huán)境荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基穩(wěn)定性具有重要意義，可為現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺(tái)的安全評(píng)估提供重要依據(jù)。

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