基于陣列式位移計的鋼管樁基模型試驗研究

張炎飛， 高建財， 張 葦， 杜 湧， 白曉紅

(太原理工大學 建筑與土木工程學院， 山西 太原 030024)

基于陣列式位移計的鋼管樁基模型試驗研究

張炎飛， 高建財， 張 葦， 杜 湧， 白曉紅

(太原理工大學 建筑與土木工程學院， 山西 太原 030024)

陣列式位移計(SAA)是由包含微電子機械系統(tǒng)的加速度計的若干段連續(xù)體組成的. 具有精度高、 自動實時采集、 可重復利用等特點. 介紹了SAA測試原理及其首次在樁基礎模型試驗中的應用， 試驗中考慮了3個側向荷載作用角度和3個長徑比,研究了不同工況下樁基礎模型在側向荷載作用下的承載特性,分析了長徑比和荷載作用角度的影響. 試驗結果表明， SAA可監(jiān)測記錄樁體的實時位移； 長徑比越大， 極限承載力越高； 荷載作用方向越接近于水平方向， 極限承載力越高.

陣列式位移計； 鋼管樁基礎； 模型試驗； 位移； 轉角； 承載能力

0 引 言

伴隨海洋強國戰(zhàn)略的興起， 我國逐步迎來了海洋工程的快速發(fā)展. 如海上石油平臺、 海上風電、 海上輸電塔等. 目前， 鋼管樁較多地應用于海洋結構基礎， 施工時施加負壓， 貫入到設計深度. 而海洋結構基礎除了承受上部結構的豎向荷載， 還要承受來自風浪和船舶等的側向荷載[1]. 因此， 對鋼管樁基礎模型在側向荷載作用下的承載性能進行試驗研究具有重要的科學意義和工程價值.

目前， 已經(jīng)有不少針對海洋工程中的鋼管樁基礎的側向承載特性的研究成果. 李燦[2]通過ABAQUS對大直徑單樁水平承載力特性進行研究得到， 荷載作用高度越低， 樁徑越大， 水平承載力越高. 金書成等[3]對飽和砂土地基中吸力式桶形基礎水平承載力進行研究， 分析了長徑比的影響， 提出飽和砂土地基桶形基礎水平極限承載力計算公式. 韓智臣[4]利用三維模型計算得到了不同角度傾斜荷載的極限承載力， 考慮了長徑比、 加載角度和土體不排水抗剪強度的影響， 并與相關文獻的模型實驗結果進行了對比驗證. 但上述研究局限在模擬分析. Allersm[5]等進行了吸入式樁的室內(nèi)離心機試驗研究， 得到荷載作用點位置的最佳區(qū)域. 劉振紋[6]， 施曉春[7]也分別開展了桶型基礎的試驗研究， 但加載的作用點都選在樁頂位置. 因此， 有必要在此基礎上,在樁身的最佳荷載作用點處加載， 通過改變側向荷載作用角度和長徑比開展模型試驗研究. 為進一步減小尺寸效應影響， 特選用大尺寸模型鋼管樁基礎模型.

在鋼管樁基礎模型試驗中， 為了精確得到地基中整個樁基礎的實時位移， 本文試驗選用了加拿大Measurand公司生產(chǎn)的陣列式位移計(Shape Acceleration Array, SAA). SAA在國內(nèi)外已有部分應用. 國際上， 2006年ABDOUN等[8]在日本國立防災科學技術研究所的振動臺上運用SAA， 較好地取得了加速度、 位移結果. 國內(nèi)， 2014年倪克闖[9]和薛麗影等[10]將SAA應用在大型振動臺試驗中， 對地震動力作用下加速度和位移等動力響應進行了研究. 以上應用局限于模型試驗的動態(tài)測試， 本文首次將SAA應用于靜態(tài)下的模型試驗.

1 陣列式位移計(SAA)測試原理

陣列式位移計(SAA)， 如圖 1 所示， 由多段連續(xù)子陣列串接而成， 內(nèi)部由微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加速度計、 微處理器和連接關節(jié)組成. 加速度計通過加速度的變化來測量位移量， 微處理器用來收集和傳送子陣列的測試數(shù)據(jù)， 連接關節(jié)用來連接每個子陣列. 工作時， 須將SAA的一個端點固定作為參考點， 坐標為(0，0，0)， 而加速度計通過檢測各子陣列的重力場， 可以計算出各子陣列之間的彎曲角度θ， 利用計算得到的彎曲角度和已知的各子陣列長度L(30 cm或50 cm)， 便可確定各個子陣列的變形ΔX,即ΔX=sin(θ)·L， 再對各段求和∑ΔX， 可得到距固定端點任意長度位置的總的變形量X. 原理圖見圖 2. 因此， SAA可以作為放置在鉆孔中或嵌入結構內(nèi)部的變形監(jiān)測傳感器.

圖 1 陣列式位移計(SAA)Fig.1 Shape acceleration array

圖 2 SAA原理示意圖Fig.2 Principle of SAA

SAA具有可3D動態(tài)測量、 精度高、 可重復利用、 自動實時采集、 穩(wěn)定性高等特點. 其技術參數(shù)見表 1.

表 1 SAA技術參數(shù)

SAA可用于邊坡、 隧道、 路基沉降、 橋梁撓度等變形監(jiān)測， 也可用于動態(tài)下的位移、 加速度、 溫度等的測試.

2 試驗方案

2.1 試驗平臺

本文的鋼管樁基礎大尺寸模型試驗在太原理工大學巖土工程實驗室的大型土工槽內(nèi)展開. 該土工槽為平面尺寸9 m×4 m(長×寬)的鋼筋混凝土池， 深3 m. 土工槽四周做了進一步防水處理. 土工槽系統(tǒng)由地基材料、 飽和系統(tǒng)、 靜力加載系統(tǒng)及試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,可開展各類巖土工程問題的大尺寸模型試驗. 為了進行鋼管樁的側向靜載荷試驗， 在土工槽側壁上搭設了一套側向荷載施加系統(tǒng)， 采用液壓千斤頂， 通過置于混凝土側壁上的荷載轉向裝置可對鋼管樁施加不同角度的側向荷載.

2.2 SAA安裝、 試驗模型工況

試驗模型共有3組， 由直徑203 mm， 壁厚8 mm 的Q235無縫鋼管加工制作而成， 樁頂連接蓋板采用20 mm厚的Q235鋼. 為充分發(fā)揮鋼管樁基礎側向荷載作用下的承載性能， 在前人對基礎最佳荷載作用點的試驗研究和ABAQUS有限元分析結果的基礎上[11-14]， 本文選取距樁底H/3處作為加載作用點. 在樁吊耳部分用鋼絲繩施加與水平面分別呈15°， 30°， 45°的荷載， 加載示意圖如圖 3 所示， 樁身示意圖和實物如圖 4 所示.

圖 3 加載示意圖Fig.3 Loading sketch

加載參考《JTS 167-4-2012港口工程樁基規(guī)范》[15]， 加載時每級級差取最大荷載的1/10. 當某級荷載下出現(xiàn)橫向變形急劇增加、 變形速率明顯加快、 地基土出現(xiàn)明顯的斜裂縫即終止加載. 加載試驗工況見表 2.

表 2 加載試驗工況

SAA安裝在固定于樁基礎側面細長鋼管中， 與樁長度方向平行. 鋼管直徑略大于SAA直徑， 鋼管出口部分與SAA一起固定. SAA遠端到達樁底， 與樁底在同一水平位置， 近端固定在土工槽上方的一固定端點， 作為參考點. 由前述的測試原理， 再將SAA通過SAAUSB連接至計算機即可采集數(shù)據(jù). 安裝位置詳見圖 3～圖 5.

圖 4 鋼管樁圖Fig.4 Steel pipe piles photo

圖 5 鋼管樁及SAA試驗照片F(xiàn)ig.5 Steel pipe pile and SAA test photo

2.3 地基土

本模型試驗地基土選用砂土， 填筑前進行夯實. 填筑過程中， 每30 cm用夯實機夯實， 同時控制地基密實度. 之后， 通過土工槽側面注水飽和. 對地基土按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)進行了常規(guī)物理力學指標試驗， 有效內(nèi)摩擦角為28.8°. 篩分法得到的數(shù)據(jù)見圖 6，Cu=6.01，Cc=1.33， 級配良好.

圖 6 顆粒分析曲線Fig.6 Grain size accumulation curve

3 模型試驗結果

3.1 荷載與位移的關系

加載過程中， 通過鋼管樁側面安裝的SAA監(jiān)測5個工況下的樁身不同位置的位移， 得到了5組荷載-位移曲線.

圖 7 為A1工況下樁在側向荷載作用下的實測荷載-位移曲線， 樁頂位移略大于樁底位移， 但總體A1樁位移特性表現(xiàn)為平動. 其極限承載力為6 kN.

圖 7 A1工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.7 Relationship between lateral displacement and loading in A1

圖 8 為A2工況下樁在側向荷載作用下的實測荷載-位移曲線， 樁頂位移大于樁底位移， 樁身轉動角度大于A1樁的轉動角度， 總體A2樁位移特性表現(xiàn)為平動和轉動. 其極限承載力為13 kN.

圖 9 為A3工況下樁在側向荷載作用下的實測荷載-位移曲線， 樁頂位移大于樁底位移， 樁身轉動角度大于A1樁和A2樁的轉動角度， 總體A3樁位移特性表現(xiàn)為平動和轉動. 其極限承載力最大， 為32 kN.

圖 8 A2工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.8 Relationship between lateral displacement and loading in A2

圖 9 A3工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.9 Relationship between lateral displacement and loading in A3

圖 10 A4工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.10 Relationship between lateral displacement and loading in A4

圖 10 為A4工況下樁在側向荷載作用下的實測荷載-位移曲線， 樁頂位移大于樁底位移， 此時A4樁位移特性表現(xiàn)為平動和轉動. 其極限承載力為16 kN.

圖 11 A5工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.11 Relationship between lateral displacement and loading in A5

圖 11 為A5工況下樁在側向荷載作用下的實測荷載-位移曲線， 可以明顯看到， 隨著荷載的增大， 樁頂產(chǎn)生先往后， 再發(fā)生往前的位移. 此時， A5樁總體位移特性表現(xiàn)為小幅度轉動. 其極限承載力為12 kN.

3.2 荷載與樁身轉角的關系

從SAA得到的位移數(shù)據(jù)， 可知鋼管樁表現(xiàn)出剛性樁特性， 沒有明顯的樁身變形和破壞. 因此， 轉角數(shù)據(jù)由SAARecorder生成的原始數(shù)據(jù)導出. 樁身轉角為

式中： ΔS為樁頂與樁底的位移之差；L為樁長， mm；θ為樁身轉角， (°)， 轉角正值表示樁身前傾.

將3.1的5個工況荷載與位移關系結果代入式(1)中， 即可得到各個工況下荷載與樁身轉角的關系， 見圖 12. 在側向荷載試驗中， 試驗加載至極限承載力后， A1， A2， A3中， 樁基礎樁身最大轉角分別為： 0.2°， 0.7°， 1.8°. 即樁基礎在加載角度為15°的荷載作用下， 長徑比越大， 轉角越大. 在A3， A4， A5中， 樁基礎樁身最大轉角分別為： 1.8°， 0.75°， 0.06°. 即同一長徑比的樁基礎， 加載角度越大， 樁身的轉角越小.

圖 12 樁身轉角隨荷載變化圖Fig.12 Relationship between the turning angles of pile and loading

3.3 極限荷載與長徑比、 荷載作用角度的關系

為研究極限承載力與長徑比、 荷載作用角度的關系， 將各工況的數(shù)據(jù)進行對比， 得到的結果見圖 13 和圖 14.

由圖 13 可知， 當鋼管樁基礎長徑比為4.5時， 其極限承載力為6 kN, 當長徑比為6時， 極限承載力為13 kN， 長徑比為7.5時， 極限承載力為32 kN. 因此， 當加載角度為15°時， 長徑比最大， 極限承載力最高.

圖 13 極限承載力與比徑比關系曲線Fig.13 Relationships between aspect ratio and ultimate bearing capacity of steel pipe pile foundation

由圖 14 可知， 在荷載作用角度為15°時， 極限承載力為32 kN, 荷載作用角度為30°時， 極限承載力為16 kN， 荷載作用角度為45°時， 極限承載力為12 kN. 因此， 當荷載作用角度越小， 樁基礎極限承載力越高.

圖 14 極限承載力與荷載作用角度關系曲線Fig.14 Relationships between loading angle and ultimate bearing capacity of steel pipe pile foundation

4 結 論

通過在鋼管樁基礎模型側向荷載作用下的試驗中應用SAA， 研究了鋼管樁在側向荷載下的承載特性， 初步得到了如下結論：

1) SAA在試驗中能夠精確監(jiān)測和記錄鋼管樁基礎模型在不同位置的位移.

2) 在荷載作用角度一定時， 鋼管樁基礎的長徑比越大， 其極限承載力越高.

3) 在長徑比一定時， 側向荷載作用角度越小， 鋼管樁基礎極限承載力越高.

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Model Test Study on Steel Pipe Pile Foundation Based on Shape Acceleration Array

ZHANG Yan-fei , GAO Jian-cai , ZHANG Wei， DU Yong , BAI Xiao-hong

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The shape acceleration array (SAA) is composed of a continuum of segments of an accelerometer comprising a micro-electro-mechanical system with high precision, automatic real-time acquisition, reusable and so on. The principle of SAA and its application in pile foundation model test for the first time was introduced. Three different aspect ratios and three different loading inclination angles were considered in the tests. Lateral load behavior under lateral load and the effect of aspect ratio and loading inclination angle were studied. The test results show that SAA can easily and visually monitor and record the displacement of pile under different lateral loads; the bearing capacity can be improved significantly by increasing the aspect ratio. The more nearly horizontal the loading direction, the greater the bearing capacity of the steel pipe pile foundation is.

shape acceleration array； steel pipe pile foundation； model test； displacement； turning angle; bearing capacity

1673-3193(2017)04-0452-06

2017-02-17

山西省“百人計劃”項目(800101-02030017)； 131人才專項經(jīng)費(900198-02010018)； 山西省研究生教育創(chuàng)新項目(2017SY024)

張炎飛(1992-)， 男， 碩士生， 主要從事樁基工程的研究.

白曉紅(1959-)， 女， 教授， 博士， 主要從事巖土與基礎工程的研究.

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.010