沖刷作用下單樁循環(huán)加載特性的模型試驗(yàn)

梁發(fā)云，李彥初，陳海兵

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092）

與普通鐵路相比，高速鐵路對(duì)路基沉降變形更為敏感，為確保列車在高速運(yùn)行條件下的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，高速鐵路中通?！耙詷虼贰?，以達(dá)到嚴(yán)格控制工后沉降的目的［1］.因此，高速鐵路中的橋梁基礎(chǔ)所占比例遠(yuǎn)高于普通鐵路.以京滬高鐵為例，沿線橋梁占線路總長為80.5%，其中相當(dāng)部分為跨越河流的橋梁［2］.對(duì)于跨越河流的橋梁，其橋墩基礎(chǔ)不可避免地要受到水流的沖刷作用，河流沖刷會(huì)引起原有橋墩基礎(chǔ)工作條件的明顯改變，由此引起的橋梁損毀和橋墩基礎(chǔ)裸露已成為既有橋梁嚴(yán)重的安全隱患［3］，這對(duì)于高速鐵路橋墩安全狀態(tài)的影響更是不容忽視的.目前的相關(guān)研究大多集中于橋梁基礎(chǔ)沖刷發(fā)生機(jī)理的分析［4～6］，很少涉及到?jīng)_刷作用對(duì)其基礎(chǔ)循環(huán)加載性狀的研究.

Reese［7］和 Kishore等［8］分別通過模型試驗(yàn)研究沖刷作用對(duì)樁基水平承載性狀的影響；閆澍旺等［9］建立三維有限元模型對(duì)水流沖刷作用下樁基的豎向承載特性進(jìn)行數(shù)值分析，這些研究均是針對(duì)靜力條件下的樁基沖刷性狀進(jìn)行分析.在高鐵列車長期豎向循環(huán)荷載作用下，樁基礎(chǔ)承載性狀可能發(fā)生變化且會(huì)產(chǎn)生一定的累積沉降，長期循環(huán)荷載作用下的累積沉降往往是設(shè)計(jì)中需要控制的關(guān)鍵參數(shù)［10］.

目前對(duì)于循環(huán)荷載作用下樁基沖刷特性的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，但是關(guān)于循環(huán)荷載作用下常規(guī)樁基承載性狀已取得了較多的研究成果.Bea［11］研究表明，循環(huán)荷載作用下單樁的豎向承載力可能會(huì)降低10%～20%；Poulos等［12］對(duì)鈣質(zhì)砂土中樁的循環(huán)特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)，研究成果表明，在等幅循環(huán)荷載作用下樁頂累積位移隨著荷載水平和循環(huán)次數(shù)而增長.徐和等［13］通過砂土模型試驗(yàn)，分析樁在循環(huán)荷載下累積位移和動(dòng)位移幅值隨振動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律；楊龍才等［10］針對(duì)軟黏土地層中的鉆孔灌注樁進(jìn)行了高速列車循環(huán)荷載作用下的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)；黃雨等［14］通過飽和砂土中的模型樁在不同循環(huán)荷載比時(shí)的沉降試驗(yàn)，研究了模型樁的樁頂累積沉降和動(dòng)位移幅值隨振動(dòng)次數(shù)的變化而改變的規(guī)律.朱斌等［15］開展了單樁受豎向下壓循環(huán)荷載作用的大比尺模型試驗(yàn)，獲得了不同側(cè)和端阻比下樁基的循環(huán)承載力，以及樁頂循環(huán)累積沉降.

結(jié)合已有文獻(xiàn)的研究成果，本文采用模型試驗(yàn)對(duì)沖刷作用下單樁的豎向循環(huán)加載性狀進(jìn)行研究.首先通過靜載荷試驗(yàn)確定單樁的豎向承載性能，再通過豎向循環(huán)加載試驗(yàn)研究沖刷深度對(duì)單樁循環(huán)加載性狀的影響，探討單樁循環(huán)累積沉降發(fā)展規(guī)律.

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹫殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，幾何尺寸為3 000mm（長）×2 100mm（寬）×3 200mm（高），壁厚300mm，模型槽地下部分深1.8m，地上部分高1.4m，如圖1所示.加載裝置采用同濟(jì)大學(xué)軟土物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，量測(cè)裝置集成在該模型試驗(yàn)系統(tǒng)中，通過力傳感器和位移傳感器同步量測(cè)力和位移數(shù)據(jù).

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒跢ig.1 Model test apparatus

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?/h3>

試驗(yàn)所用模型樁為無縫空心鋁管，上下封底，樁外徑為83mm，壁厚4mm，樁長為2.2m，模型樁彈性模量為70GPa.

為適應(yīng)加載裝置的位置調(diào)節(jié)要求，選取部分模型槽作為試驗(yàn)區(qū)域.已有研究表明［16-17］，當(dāng)豎向受荷樁的間距S大于6D（D為樁徑）時(shí)，樁與樁之間的相互影響已較小.結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地條件，試驗(yàn)選取S=600mm（7.5D），近似忽略樁的相互作用影響，模型樁布置如圖2所示.

圖2 模型樁布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of piles installation

1.3 試驗(yàn)地基土

試驗(yàn)用土取自常州某工程的原型場(chǎng)地土，填土方法參照文獻(xiàn)［18］，嚴(yán)格按照分層填鋪，每層土填鋪一定的質(zhì)量，以質(zhì)量控制填土的均勻性.室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得主要土性參數(shù)如表1所示.

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physico-mechanical indexes of soils

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

已有研究表明［8-9］，沖刷深度是影響樁基承載性狀的重要因素之一.本次試驗(yàn)重點(diǎn)考察沖刷深度對(duì)樁基豎向承載性狀的影響.如圖3所示，在模型槽中預(yù)埋模型樁，樁頭初始出露高度為S0=20cm，原始泥面以下樁長L0=200cm.試驗(yàn)時(shí)，沖刷深度采用挖掉上覆土層的方法模擬沖刷深度的變化，這也是目前模型試驗(yàn)中模擬沖刷作用的常用方法［6-8］.各樁的設(shè)計(jì)沖刷深度Sd如表2所示.

試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，分別是單樁豎向靜載荷試驗(yàn)和豎向循環(huán)加載試驗(yàn).

表2 各樁沖刷深度Tab.2 Scour depth of piles

圖3 樁基沖刷示意圖Fig.3 Scour on pile foundation

單樁靜載荷試驗(yàn)依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2003）［19］，采用快速維持荷載法測(cè)試單樁承載力.試驗(yàn)以0.5kN為一級(jí)，逐級(jí)施加.

對(duì)于模擬高鐵列車循環(huán)加載試驗(yàn)，首先需要確定加載波形.參照楊龍才等［10］采用的動(dòng)載試驗(yàn)樁頂荷載形式，如式（1）所示，其加載波形如圖4.

式中：Q（t）為實(shí)際加在樁頂?shù)暮奢d，kN；Q0為樁頂?shù)念A(yù)估恒載，kN；W為動(dòng)荷載的平衡重力，kN；A0為動(dòng)荷載的半幅值，kN；ω為動(dòng)載的圓頻率.

圖4 循環(huán)加載波形示意圖Fig.4 Waveform of cyclic loading

參照文獻(xiàn)［12-15］，并考慮試驗(yàn)設(shè)備豎向加載作動(dòng)器的性能，確定本次試驗(yàn)的預(yù)估恒載為樁基極限承載力Qu的0.25倍，即Q0=0.25Qu；動(dòng)載幅值為樁基極限承載力的0.125倍，即W=A0=0.062 5Qu；加載頻率設(shè)置為1Hz.因此，單樁豎向靜承載力確定后，循環(huán)加載試驗(yàn)的各加載參數(shù)即可確定.

循環(huán)加載試驗(yàn)開始前，先加上預(yù)估恒載Q0，待其沉降穩(wěn)定后，保持靜載值不變，再加上循環(huán)荷載W+A0sinωt進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn).

2 單樁循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單樁靜載荷試驗(yàn)

首先通過靜載荷試驗(yàn)確定單樁的豎向承載性能，試驗(yàn)按照?qǐng)D2所示編號(hào)的順序?qū)Ω鳂哆M(jìn)行豎向靜載試驗(yàn).圖5為各樁靜載試驗(yàn)荷載與沉降Q-s曲線.結(jié)果表明，四根樁的Q-s曲線大致均為緩變型曲線，樁基端阻力占主要作用，當(dāng)沉降量超過60mm時(shí)，認(rèn)為達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，停止加載，取前一級(jí)荷載為極限承載力.

圖5 單樁靜載Q-s曲線Fig.5 Q-s curves of piles

試驗(yàn)得出各樁的豎向靜承載力見表3所示.從表3和圖5可以看出，隨著沖刷深度的增加，樁基豎向極限承載力呈減小趨勢(shì).1＃和2＃樁的極限承載力相同且曲線較為接近，這是因?yàn)閷?duì)于端阻為主的樁，被沖刷掉的0.1L0（也即20cm）淺層地基土提供的摩阻力較小，對(duì)樁基承載力造成的損失相對(duì)較小.

表3 各樁極限承載力Tab.3 Ultimate capacity of piles

2.2 單樁循環(huán)加載試驗(yàn)

2.2.1 循環(huán)加載試驗(yàn)參數(shù)

橋梁樁基受到上部結(jié)構(gòu)傳遞來的豎向循環(huán)荷載作用，為研究循環(huán)荷載作用下橋梁樁基礎(chǔ)承載性狀隨沖刷深度的變化情況，根據(jù)未沖刷的1＃樁極限承載力來確定循環(huán)加載試驗(yàn)的恒載Q0和循環(huán)荷載幅值2A0.循環(huán)荷載比是指循環(huán)荷載幅值與樁基極限靜承載力的比值，為循環(huán)加載試驗(yàn)中的重要參數(shù)，試驗(yàn)采用的循環(huán)荷載比約為0.15.循環(huán)加載試驗(yàn)中對(duì)各樁施加相同的荷載，具體參數(shù)見表4.

表4 循環(huán)加載試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Parameters of cyclic loading test

2.2.2 循環(huán)累計(jì)沉降發(fā)展過程

圖6為各樁循環(huán)次數(shù)與沉降N-s曲線，橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，sc為考慮循環(huán)加載階段的累積沉降.從圖6可以看出，各樁累積沉降量隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，1＃～3＃樁曲線逐漸趨于平緩，累積沉降基本穩(wěn)定，而4＃樁并沒有最終趨于平緩，而是保持持續(xù)下降的趨勢(shì)，若繼續(xù)加載，樁頂累積位移會(huì)進(jìn)一步增長.4條曲線從上到下依次排列，1?！?＃各樁曲線間隔比較接近，而4＃與其他樁曲線間隔很大，說明沖刷深度越大，樁頂循環(huán)累積沉降量越大，且與沖刷深度不再保持為線性關(guān)系，而是超過某一沖刷深度后，循環(huán)累積沉降會(huì)急劇增大.

圖6 循環(huán)累積沉降隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.6 Accumulated settlement versus number of cycles

圖7為相同循環(huán)次數(shù)下各樁循環(huán)累積沉降量的比較.從圖7可以看出，在相同循環(huán)加載次數(shù)下，沖刷深度越大，樁頂循環(huán)累積沉降量越大，淺層土（0～0.2L0）被沖刷掉后，累積沉降的增幅較為緩慢；而深層土（0.2L0～0.4L0）被沖刷掉后，累積沉降增幅顯著.同時(shí)，1?！?＃樁在前50次循環(huán)產(chǎn)生的累積沉降依次為0.174，0.383，0.488和1.908mm，占10 000次循環(huán)累積沉降量的88.3%，88.2%，90.9%和87.3%，說明各樁的循環(huán)加載初期的沉降非常明顯.對(duì)于1?！?＃樁來說，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其累積沉降量很快趨于穩(wěn)定；而對(duì)于4＃樁，50～10 000次循環(huán)產(chǎn)生的沉降量為0.277mm，且仍存在繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì).因此，當(dāng)沖刷深度較大時(shí)，需要特別重視長期循環(huán)加載產(chǎn)生的循環(huán)累積沉降對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的影響.

圖7 循環(huán)累積沉降隨沖刷深度的變化Fig.7 Accumulated settlement versus scour depth

2.2.3 沉降速率發(fā)展過程

定義沉降平均速率v為循環(huán)累積沉降sc除以加載時(shí)間t.圖8為相同循環(huán)次數(shù)時(shí)各樁累積沉降平均速率的比較.從圖8可看出，在無沖刷作用時(shí)，樁基沉降發(fā)展速率與文獻(xiàn)［10，14］試驗(yàn)得到的隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，樁的沉降發(fā)展速率趨于減少是一致的；當(dāng)沖刷深度越大時(shí)，相同循環(huán)次數(shù)時(shí)的沉降平均速率明顯更大，表明沉降達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間更長，沖刷作用增強(qiáng)了樁基的循環(huán)累積沉降效應(yīng).

圖8 沉降平均速率隨沖刷深度的變化Fig.8 Average rate of displacement versus scour depth

2.2.4 動(dòng)位移幅值發(fā)展過程

樁頂動(dòng)位移幅值ρc為荷載循環(huán)1周時(shí)樁頂豎向動(dòng)位移的最大值與最小值之差，樁在豎向荷載下的動(dòng)剛度Kd表示樁土系統(tǒng)產(chǎn)生單位樁頂位移所需施加的外力，即Kd=2A0/ρc.圖9為1?！?＃樁的樁頂動(dòng)位移幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo).

從圖9可看出，按沖刷深度的增加，曲線從上到下依次排列，說明沖刷深度越大，樁頂動(dòng)位移幅值越大，動(dòng)剛度越小.其中1?！?＃樁動(dòng)位移幅值隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降，且下降的速率逐漸減小，循環(huán)達(dá)到100次左右即基本穩(wěn)定；而4＃樁動(dòng)位移幅值變化趨勢(shì)與其他三根樁相反，在循環(huán)10 000次內(nèi)呈上升趨勢(shì)，超過10 000次循環(huán)開始出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，但依然沒有達(dá)到穩(wěn)定.根據(jù)動(dòng)位移幅值與動(dòng)剛度的反比例關(guān)系，說明1?！?＃樁的動(dòng)剛度先隨循環(huán)次數(shù)的增加呈增大趨勢(shì)，很快便趨于一個(gè)穩(wěn)定值.在楊龍才等［10］的試驗(yàn)中，也觀察到類似單樁的動(dòng)剛度區(qū)域穩(wěn)定的現(xiàn)象.在沖刷深度較小時(shí)，樁的振動(dòng)主要表現(xiàn)為彈性振動(dòng)；而4＃樁的動(dòng)剛度則在經(jīng)歷相當(dāng)大的循環(huán)次數(shù)后逐漸減小，后期有緩慢增長趨勢(shì)，說明沖刷深度較大時(shí)，樁更易發(fā)生循環(huán)累積沉降，與前文的循環(huán)累積沉降發(fā)展規(guī)律一致.

圖9 動(dòng)位移幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.9 Cyclic amplitude of settlement versus number of cycles

圖9從側(cè)面反映了可能存在一個(gè)臨界沖刷深度，當(dāng)沖刷深度小于該臨界值時(shí)，樁的振動(dòng)處于彈性范圍，沉降很快趨于穩(wěn)定，當(dāng)沖刷深度大于該臨界值時(shí)，樁的循環(huán)累積沉降持續(xù)增長以致破壞.

3 結(jié)論

本文通過模型試驗(yàn)分別進(jìn)行了單樁靜載試驗(yàn)和循環(huán)加載試驗(yàn)，主要研究了不同沖刷深度下單樁的循環(huán)加載特性，得到的主要結(jié)論如下：

（1）樁基循環(huán)累積沉降隨循環(huán)次數(shù)和沖刷深度增加而增加.對(duì)于未沖刷或沖刷深度較小的樁，循環(huán)累積沉降主要發(fā)生在循環(huán)加載初期，沉降量和沉降平均速率均在較少的循環(huán)次數(shù)內(nèi)趨于穩(wěn)定，由于長期循環(huán)作用產(chǎn)生的累積沉降效應(yīng)較小.而對(duì)于沖刷深度較大的樁，循環(huán)累積沉降量較大且發(fā)展快，達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間長，甚至持續(xù)發(fā)展以致破壞，需重視長期循環(huán)累積沉降對(duì)其承載力的影響.

（2）對(duì)于未沖刷或沖刷深度較小的樁，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，動(dòng)剛度隨之增大，但其增幅呈逐漸減小的趨勢(shì)，且在較小的循環(huán)次數(shù)內(nèi)便趨于穩(wěn)定值，動(dòng)力特性主要表現(xiàn)為彈性性質(zhì).而對(duì)于沖刷深度較大的樁，動(dòng)剛度在相當(dāng)多的循環(huán)次數(shù)內(nèi)呈減小趨勢(shì)，循環(huán)次數(shù)的增加將促進(jìn)其沉降發(fā)展，應(yīng)考慮其長期循環(huán)累積沉降產(chǎn)生的不利影響.

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