不同形式橋墩基礎(chǔ)的動(dòng)靜剛度模型試驗(yàn)研究

劉建磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)交通工程的發(fā)展，對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)、病害診斷、加固維修的需求日益增加且逐年增長(zhǎng)。與橋梁上部結(jié)構(gòu)不同，橋墩基礎(chǔ)由于埋置于土層中，依靠常規(guī)檢測(cè)方法無法辨別其病害位置和病害程度，定量計(jì)算橋墩基礎(chǔ)的承載能力亦更加困難。對(duì)于服役橋墩基礎(chǔ)，動(dòng)測(cè)法是評(píng)估其狀態(tài)的重要手段。低應(yīng)變動(dòng)測(cè)方法通常用于檢查樁基礎(chǔ)的完整性[1-3]，而通過機(jī)械阻抗法并借助動(dòng)剛度指標(biāo)在一定程度上可以評(píng)估樁基礎(chǔ)的承載能力[4]。羊建勛[5]根據(jù)基樁振動(dòng)彈性模型和模態(tài)分析理論，提出了適用于不同條件下瞬態(tài)激勵(lì)時(shí)的3種 確定樁土系統(tǒng)等效剛度的方法。趙志淵等[6]通過對(duì)基樁動(dòng)力學(xué)特性的討論，提出了根據(jù)速度導(dǎo)納曲線提取相關(guān)信息并進(jìn)行靜剛度計(jì)算的基本理論和方法，給出了估算單樁承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。趙撫民等[7-8]利用類比模擬法、高云霞[9]利用灰色理論直接建立動(dòng)剛度與承載力之間的關(guān)系。劉建磊等[10-11]通過大樣本統(tǒng)計(jì)分析了動(dòng)剛度與承載能力的相關(guān)性。上述研究主要針對(duì)樁基礎(chǔ)開展，而對(duì)于其他橋墩基礎(chǔ)形式，能否借鑒機(jī)械阻抗法進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，評(píng)估基礎(chǔ)狀態(tài)尚待研究。本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，進(jìn)行瞬態(tài)機(jī)械阻抗法測(cè)試和靜載試驗(yàn)，分析對(duì)于不同基礎(chǔ)形式，動(dòng)剛度能否反映其支撐條件和基礎(chǔ)幾何尺寸的變化，并分析基礎(chǔ)動(dòng)剛度與靜剛度的關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

針對(duì)鐵路橋墩常用的群樁承臺(tái)基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)3種基礎(chǔ)形式分別制作小體積模型。模型材料采用混凝土。共制作了8個(gè)模型，其中：對(duì)于擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)，每種基礎(chǔ)形式澆筑大、小2個(gè)模型作為對(duì)比；對(duì)于樁基礎(chǔ)分別澆筑雙樁、四樁，樁長(zhǎng)在1.0～1.4 m間的4個(gè)模型基礎(chǔ)，樁均采用矩形截面。模型尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 沉井基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)模型尺寸(單位：cm)

圖2 群樁基礎(chǔ)模型尺寸示意(單位：cm)

試驗(yàn)時(shí)，將模型埋置于2.3 m×1.7 m×1.5 m的砂池內(nèi)，周圍填充含水率為1.54%、天然密度為1.551 g/cm3的細(xì)砂土。測(cè)試動(dòng)剛度時(shí)，采用1～2 kg鋼棒自由落體沖擊，采用速度傳感器采集速度響應(yīng)信號(hào)。試驗(yàn)包括動(dòng)剛度測(cè)試和靜載試驗(yàn)2部分內(nèi)容。動(dòng)剛度測(cè)試采用瞬態(tài)機(jī)械阻抗法。動(dòng)剛度Kd定義為

(1)

式中:GV(f)為速度導(dǎo)納，即速度譜v(f)與力譜F(f)之比;f為頻率。

2 機(jī)械阻抗法測(cè)試

2.1 擴(kuò)大基礎(chǔ)

圖3為2種尺寸擴(kuò)大基礎(chǔ)動(dòng)剛度對(duì)比。由圖可知，頻率為0處動(dòng)剛度值為0；在10～50 Hz動(dòng)剛度曲線是斜率較小的一段斜線；大于50 Hz動(dòng)剛度曲線斜率逐漸增大，動(dòng)剛度值急劇增大。動(dòng)剛度值在低頻段的量值與結(jié)構(gòu)的靜力特性相關(guān)性較好。因此，分別選取20,30,40,50 Hz處的動(dòng)剛度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1?？芍?，在上述頻率處大擴(kuò)大基礎(chǔ)動(dòng)剛度值為小擴(kuò)大基礎(chǔ)動(dòng)剛度值的1.6～1.7倍，而大擴(kuò)大基礎(chǔ)與小擴(kuò)大基礎(chǔ)的底面積之比為0.64/0.36=1.78，接近大擴(kuò)大基礎(chǔ)與小擴(kuò)大基礎(chǔ)間的動(dòng)剛度比值。因此，可以初步判斷動(dòng)剛度與基礎(chǔ)承載狀態(tài)、靜剛度間存在相關(guān)性。

圖3 2種尺寸擴(kuò)大基礎(chǔ)動(dòng)剛度對(duì)比

基礎(chǔ)類型動(dòng)剛度/(107 N/m)20 Hz30 Hz40 Hz50 Hz小擴(kuò)大基礎(chǔ)2.262.603.033.67大擴(kuò)大基礎(chǔ)3.584.205.016.29倍率1.601.621.651.70

2.2 沉井基礎(chǔ)

沉井基礎(chǔ)動(dòng)剛度曲線(見圖4)與擴(kuò)大基礎(chǔ)動(dòng)剛度曲線類似，體積較大的模型基礎(chǔ)動(dòng)剛度值也較大。對(duì)不同尺寸沉井基礎(chǔ)動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，選擇低頻段對(duì)動(dòng)剛度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見表2。大沉井基礎(chǔ)的動(dòng)剛度值為小沉井基礎(chǔ)動(dòng)剛度值的1.5～1.6倍。該值也與大沉井基礎(chǔ)與小沉井基礎(chǔ)底面積的比值0.39/0.20=1.95較為接近。

圖4 2種尺寸沉井基礎(chǔ)動(dòng)剛度對(duì)比

基礎(chǔ)類型動(dòng)剛度(107 N/m)20 Hz30 Hz40 Hz50 Hz小沉井基礎(chǔ)2.793.203.734.53大沉井基礎(chǔ)4.304.975.827.09倍率1.541.551.561.57

2.3 群樁基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)測(cè)試了如圖2所示的4種模型，分別簡(jiǎn)寫為2×1.3 m,4×1.0 m,4×1.3 m和4×1.4 m。測(cè)得的動(dòng)剛度如圖5所示?？芍涸?～100 Hz頻段內(nèi)，僅4×1.0 m 樁基礎(chǔ)動(dòng)剛度曲線在頻率大于50 Hz以后斜率存有較大增加外，其余3種樁基礎(chǔ)動(dòng)剛度曲線斜率在20～50 Hz內(nèi)基本保持穩(wěn)定。選擇20～50 Hz頻段內(nèi)動(dòng)剛度值進(jìn)行分析，動(dòng)剛度值與不同基礎(chǔ)的樁長(zhǎng)存在一定的相關(guān)性?；A(chǔ)基樁數(shù)目越多，動(dòng)剛度越大。在基礎(chǔ)基樁數(shù)目相同的情況下，基樁越長(zhǎng)，動(dòng)剛度越大。

圖5 4種群樁基礎(chǔ)動(dòng)剛度對(duì)比

分別選擇20,30,40,50 Hz處4×1.0 m,4×1.3 m及4×1.4 m 樁基礎(chǔ)的動(dòng)剛度值進(jìn)行分析，動(dòng)剛度與樁長(zhǎng)的關(guān)系見圖6。在20,30,40,50 Hz處不同基礎(chǔ)的動(dòng)剛度值隨樁長(zhǎng)的增加均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且基本呈線性相關(guān)。

圖6 群樁基礎(chǔ)動(dòng)剛度與樁長(zhǎng)的關(guān)系

3 靜載試驗(yàn)

靜載加載設(shè)備借助實(shí)驗(yàn)室內(nèi)疲勞試驗(yàn)機(jī)架作為反力架，使用手搖千斤頂作為加載設(shè)備。估算模型試件容許承載力約為60 kN，加載時(shí)采用10 t手搖式千斤頂進(jìn)行加載，如圖7所示。

采用慢速維持荷載法試驗(yàn)確定模型基礎(chǔ)的豎向抗壓極限承載力。試驗(yàn)中用壓力傳感器讀取豎向力，用千分表讀取豎向位移。

圖7 靜載試驗(yàn)示意(單位：cm)

圖8 不同類型基礎(chǔ)的靜載試驗(yàn)P-S曲線

不同類型基礎(chǔ)的靜載試驗(yàn)荷載-位移(P-S)曲線如圖8所示。可見：結(jié)構(gòu)尺寸較大、設(shè)計(jì)承載力較高的基礎(chǔ)較之相應(yīng)較小的基礎(chǔ)，其P-S曲線直線段斜率絕對(duì)值較大，即靜剛度較大。此外，擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)P-S曲線中拐點(diǎn)的位置相應(yīng)的容許承載力也較大。以上兩點(diǎn)均與模型基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)際情況相吻合。

選擇各基礎(chǔ)P-S曲線中直線段的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，以獲得各試驗(yàn)基礎(chǔ)的靜剛度值，見圖9。

圖9 不同類型基礎(chǔ)靜剛度擬合曲線

擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)隨基礎(chǔ)尺寸的變化，靜剛度和動(dòng)剛度均發(fā)生改變，基礎(chǔ)尺寸越大，靜剛度越大，動(dòng)剛度也越大。

分別按基礎(chǔ)類型將靜剛度、動(dòng)剛度(20,30,40,50 Hz 處)平均值加以比較，結(jié)果如圖10所示。沉井基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)隨基礎(chǔ)尺寸的變化靜剛度與動(dòng)剛度的變化率基本一致，即擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)的動(dòng)剛度與靜剛度間的對(duì)比系數(shù)基本恒定。隨著樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)的增加動(dòng)剛度與靜剛度均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，動(dòng)剛度比靜剛度增加得快。造成該現(xiàn)象的原因可能為：在進(jìn)行縮尺試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)砂池深度有限，為1.5 m，隨著樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)的增加，樁底砂土厚度逐漸減小，對(duì)樁基礎(chǔ)的支撐作用增強(qiáng)。

圖10 不同類型基礎(chǔ)動(dòng)、靜剛度對(duì)比

4 結(jié)論

通過縮尺模型試驗(yàn)對(duì)不同形式橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)剛度測(cè)試和靜載試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1)擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)隨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸的增大，動(dòng)剛度逐漸增大。在基樁數(shù)目相同的情況下隨基樁長(zhǎng)度的增加，樁基礎(chǔ)動(dòng)剛度逐漸增大。

2)在樁長(zhǎng)相同的情況下，基樁數(shù)目越多基礎(chǔ)動(dòng)剛度越大。

3)擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)動(dòng)剛度與靜剛度的對(duì)比系數(shù)隨基礎(chǔ)尺寸的變化基本保持穩(wěn)定。

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