沖刷作用下水平承載單樁靜動力特性試驗(yàn)研究＊

胡 丹 李 芬 張開銀

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

對于跨江河的橋梁樁基礎(chǔ)和近海結(jié)構(gòu)物樁基礎(chǔ)，沖刷一直以來是橋梁和結(jié)構(gòu)物失效或垮塌的主要原因之一，因此在樁基設(shè)計(jì)計(jì)算中，除了要考慮恒載或活載作用外，水流沖刷也不容忽視.

有關(guān)樁基受到?jīng)_刷之后的承載力性狀變化的試驗(yàn)研究的成果相對較少，Reese［1］總結(jié)了橋梁沖刷現(xiàn)象，通過模型試驗(yàn)的方法分析總結(jié)了沖刷對樁基水平承載力的影響，Kishore等［2］探討了沖刷分別對柔性樁和剛性樁的單樁水平承載力的影響.趙春風(fēng)［3］開展了室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過自主開發(fā)的組合加載裝置（豎向載荷和彎矩荷載），研究組合加載對單樁水平承載性狀的影響規(guī)律.目前采用較多的是數(shù)值擬合方法，梁發(fā)云等［4］用Ansys有限元軟件建立沖刷狀態(tài)下承受豎向荷載的單樁，主要研究的是在不同沖刷深度和不同沖刷范圍下樁基豎向承載力的變化規(guī)律.王楠［5］通過采用有限元法分析沖刷作用對樁基豎向承載力的影響，采用生死單元功能，通過將樁靴周圍一定深度、范圍內(nèi)的土體單元逐步移去來模擬沖刷過程.

由于目前采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法對單樁靜動力特性的研究較少，本文將結(jié)合實(shí)際工程中單樁的受力情況設(shè)計(jì)加工水平加載裝置，進(jìn)行一系列單樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，討論不同的沖刷深度對樁基水平承載特性及其動力特性的影響規(guī)律.

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒鄣膸缀纬叽鐬? 000mm（L）×1 000mm（B）×1 200mm（H），將模型樁預(yù)埋于砂土中.加載裝置通過滑輪一端與模型樁連接，一端掛砝碼，通過鋼絲繩將砝碼的力施加到樁頭，由于滑輪摩擦很小，近似將砝碼重量等同為施加的水平荷載，見圖1.

為測得在不同水平荷載作用下沿樁身各點(diǎn)應(yīng)力的變化，選擇在泥面以下沿樁身兩側(cè)對稱布置10個應(yīng)變片測點(diǎn)；為測量樁頭水平位移，在砂面處（沿水平力作用方向）安裝一只百分表.

圖1 試驗(yàn)加載裝置

1.2 樁土材料參數(shù)

本文的模型試驗(yàn)屬于定性模型試驗(yàn)，只需確定基本的相似比（如幾何相似比CL和彈性模量相似比CE），就能通過討論若干沖刷因素并分析主要影響因素而達(dá)到反映實(shí)際工程樁基礎(chǔ)承載特性的目的.在海洋平臺樁基實(shí)例中，模型樁的原型是直徑2.5m、樁長82m的海洋自升式平臺樁腿，樁彈性模量為206GPa；模型樁材料對試驗(yàn)結(jié)果影響較大，經(jīng)查閱大量模型試驗(yàn)參考文獻(xiàn)分析比較后，選定有機(jī)玻璃管作為模型樁材料，模型樁外徑為30mm，壁厚為3mm，樁長為1 000mm，經(jīng)彈性模量標(biāo)定試驗(yàn)測得樁身材料彈性模量為2 500MPa，對應(yīng)CL＝82，CE＝82.4.

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得試驗(yàn)用砂土密度為1.33g／cm3，含水率為12.6%.為測定試驗(yàn)用砂土的強(qiáng)度指標(biāo)，采用應(yīng)變式手動直剪儀對試驗(yàn)用砂土進(jìn)行了快剪試驗(yàn)，測得試驗(yàn)砂土的內(nèi)摩擦角為33.8°，粘聚力為3.35kPa.為測定試驗(yàn)用砂土的壓縮模量，采用固結(jié)儀對試驗(yàn)用土進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn).根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)用砂土的側(cè)限壓縮模量為Es＝4MPa.

1.3 水平加載試驗(yàn)方案

一般而言，樁基礎(chǔ)周圍的沖刷深度可達(dá)數(shù)米以上，而沖刷對于樁基承載性狀的諸多影響因素中，沖刷深度是最重要的影響因素，因此，本文將主要考慮沖刷深度的變化.

將單樁埋入砂土中并分層回填壓實(shí)，為減少土層擾動的影響，設(shè)置連續(xù)6組試驗(yàn)（6組不同的沖刷深度），每做完一組試驗(yàn)，將沖刷坑回填至初始狀態(tài)再重新開挖.樁頭原始出露200mm，再按照樁的設(shè)計(jì)沖刷深度移去樁周上覆土層，以模擬沖刷深度的變化.圖2為單樁在沖刷深度為50 mm的模型試驗(yàn)圖.

加載方式：加載方式為逐級加載，第一級加載為砝碼掛鉤，等效力為3.6N，此后每級加載都是10N，分8次進(jìn)行，因此最大荷載為83.6N；在沖刷深度較大時，在相同的水平力作用下，樁頭位移較大，會采取每級加載5N.在百分表讀數(shù)穩(wěn)定后用應(yīng)變自動采集儀采集各點(diǎn)應(yīng)變值，再進(jìn)行下一級加載.

圖2 單樁在挖深50mm后的試驗(yàn)圖

1.4 自振頻率測試

在試驗(yàn)中一般采用自由振動法獲得結(jié)構(gòu)自振頻率，即采用初位移或初速度的突卸或突加荷載的方法，使結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊荷載而產(chǎn)生自由振動，并將傳感器布置在結(jié)構(gòu)最可能產(chǎn)生最大振幅的部位，同時要避開某些桿件可能產(chǎn)生的局部振動.本文選用在樁頭固定加速度傳感器，采用重錘對單樁一側(cè)進(jìn)行敲擊，使用數(shù)據(jù)采集儀和個人電腦采集并記錄數(shù)據(jù)，分別在5組不同的沖刷深度及不同的沖刷寬度下完成試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單樁水平極限承載力

當(dāng)水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值時，認(rèn)為達(dá)到了單樁的水平極限承載能力.在實(shí)際設(shè)計(jì)要求中，一般將水平位移允許值定義為樁徑的20%.

本次試驗(yàn)按照由淺到深的沖刷深度進(jìn)行水平靜載試驗(yàn)，圖3為不同沖刷深度下水平載荷與樁頭位移之間的關(guān)系.由圖3可見，隨著沖刷深度的增加，在同一水平載荷下，樁頭水平位移增大.圖4為單樁靜載試驗(yàn)水平極限承載力－沖刷深度曲線.由圖4可見，樁基水平極限承載力隨著沖刷深度的增加呈減小趨勢.當(dāng)沖刷深度（S）小于1.5倍樁徑（S／D＜1.5）時，水平極限承載力受沖刷影響較小；當(dāng)沖刷深度達(dá)到大于2倍樁徑，小于8倍樁徑（2＜S／D＜8）時，水平極限承載力受沖刷影響較大，下降幅值達(dá)到80%；隨著沖刷深度繼續(xù)增大（S／D＞8），水平極限承載力下降曲線趨于平緩.

2.2 沿樁身彎矩圖

考慮到實(shí)驗(yàn)過程中可能存在著粘貼應(yīng)變片或人為操作的各種誤差，首先對沿樁身各點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行修正，再根據(jù)修正后的應(yīng)變值計(jì)算得到不同測點(diǎn)的彎矩值，作出在同一沖刷深度，不同水平力作用下各點(diǎn)的彎矩圖.

式中：M為該斷面處的彎矩值；E為材料彈性模量；I為截面慣性矩；ε為試樣應(yīng)變；a為中性軸到截面最外緣距離，此時a＝R.

圖3 水平載荷－樁頭位移曲線圖

圖4 極限承載力－沖刷深度／樁徑曲線圖

圖5 不同水平力作用下沿樁身彎矩變化曲線圖

以沿樁身深度為縱坐標(biāo)，各點(diǎn)算得彎矩為橫坐標(biāo)，作出在同一沖刷深度，不同水平力作用下沿樁身彎矩變化曲線圖見圖5.

由圖5可知，在靠近樁－土接觸面位置的彎矩值為負(fù)值，這是由于集中力加載導(dǎo)致樁變形產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差.沿樁身的彎矩值先增大，達(dá)到最大彎矩后又逐漸較小，且隨著水平荷載的增大而顯著增大.在未沖刷時，最大彎矩點(diǎn)位置為距樁－土接觸面0.25m（8D）處，隨著沖刷深度的增加，最大彎矩點(diǎn)位置逐漸上移，當(dāng)沖刷深度達(dá)到30.0cm時，最大彎矩點(diǎn)位置為距樁－土接觸面0.15m（5D）處.說明在樁基設(shè)計(jì)過程中要注意滿足該位置的抗彎承載力.

在同一水平力作用下，隨著沖刷深度的增加，最大彎矩先增加后減小.這是由于樁身存在變形，會對土體產(chǎn)生擠壓，這樣就形成了樁－土相互作用的復(fù)雜體系.

2.3 單樁模態(tài)分析

采用Cras系統(tǒng)進(jìn)行信號采集及分析，具體過程為：力脈沖信號及加速度響應(yīng)信號經(jīng)電荷放大器放大，經(jīng)低通濾波器去除直流分量和干擾信號，進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行雙通道FFT分析，最后進(jìn)入結(jié)構(gòu)模態(tài)分析模塊，識別出各階模態(tài)參數(shù).

圖6為各階頻率隨沖刷深度變化曲線圖，由圖可知各階頻率隨著沖刷深度增大而降低，當(dāng)沖刷深度大于3倍樁徑（S＞3D）時，各階頻率模態(tài)的變化較為顯著，可通過頻率變化來識別沖刷深度.圖7為沖刷深度為150mm，沖刷寬度分別為80，110，150mm時各階頻率的變化，由圖可知沖刷寬度變化對各階頻率模態(tài)的影響不顯著.

3 結(jié)束語

1）樁基水平極限承載力隨著沖刷深度的增加呈減小趨勢.當(dāng)沖刷深度小于1.5倍樁徑時，水平極限承載力受沖刷影響較?。欢?dāng)沖刷深度達(dá)到大于2倍樁徑，小于8倍樁徑時，水平極限承載力受沖刷影響較大，下降幅值達(dá)到80%；當(dāng)沖刷深度繼續(xù)增大，水平極限承載力下降曲線又趨于平緩.這是由于沖刷深度加深，樁周土體減少，樁側(cè)土體提供的側(cè)向摩阻力減小，樁基承受外荷載的能力降低，即樁基承載力減小.

2）用實(shí)測的應(yīng)變值計(jì)算得到不同測點(diǎn)的彎矩值，作出在不同沖刷深度，不同水平力作用下各點(diǎn)的彎矩圖.由各沖刷深度下的彎矩圖可知，沿樁身的最大彎矩會隨著沖刷深度的增加而減小，且最大彎矩點(diǎn)位置會隨著沖刷深度的增加而上移.彎矩的主要影響范圍都是在距樁－土接觸面（5～8）D處.說明在樁基設(shè)計(jì)過程中要注意滿足該位置的抗彎承載力.

3）單樁各階模態(tài)頻率隨沖刷深度的增加而有所降低，當(dāng)沖刷深度大于3倍樁徑（S／D＞3）時，各階頻率模態(tài)的變化較為顯著，說明通過頻率模態(tài)來反推沖刷深度是可行的.而在同一沖刷深度下，隨著沖刷范圍的增大，頻率有所降低，但變化不顯著，說明沖刷寬度對各階頻率模態(tài)的影響不顯著.

圖6 不同沖刷深度下頻率變化曲線圖

圖7 不同沖刷范圍下頻率變化曲線圖

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