模型樁循環(huán)荷載試驗研究現(xiàn)狀

張強 潘希成 宋寧

中建八局第四建設(shè)有限公司

摘要： 隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，循環(huán)荷載下樁基礎(chǔ)的承載性能受到越來越多的關(guān)注，成為基礎(chǔ)研究的重中之重。本文總結(jié)國內(nèi)外循環(huán)荷載模型樁試驗研究現(xiàn)狀，對現(xiàn)有模型試驗的試驗?zāi)康?、試驗思路、試驗?nèi)容和試驗結(jié)論進行闡述，并對各試驗參數(shù)進行匯總分析得出相應(yīng)結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有模型試驗采用的土體大多為松軟土，其中以粉土和砂土為主，部分為黏土;模型樁模型試驗采用的模型樁大多為鋼管樁或鋁合金樁，部分為混凝土灌注樁，極少數(shù)為塑料管樁;加載方式為更加貼近真實受力情況，多采用正弦波型循環(huán)荷載。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ);循環(huán)荷載;模型樁試驗;研究現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的道路工程、橋梁工程、離岸工程陸續(xù)修建，樁基礎(chǔ)因承載力高、沉降小、抗彎剛度大等特點被廣泛使用。樁基礎(chǔ)在服役過程中不僅承受上部重力產(chǎn)生的恒載作用，還要承受具有顯著周期的循環(huán)荷載作用，循環(huán)荷載下樁基的承載性能受到學(xué)者越來越多的關(guān)注。循環(huán)荷載主要分為：道路工程中車輛行駛等對樁體產(chǎn)生的豎向循環(huán)荷載;橋梁工程和離岸工程中風(fēng)、波浪等對樁體產(chǎn)生的水平循環(huán)荷載。研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)荷載作用下，樁體承載特性與靜載作用下存在較大差異，如何保證循環(huán)荷載下樁體的承載特性滿足使用要求成為當(dāng)前樁體研究的重點。

國內(nèi)外研究者針對循環(huán)荷載下樁體的承載特性做了大量研究，研究方法主要包括：室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗是研究樁基的有效方法，但存在投入大、干擾因素多以及周期長等缺點，所以室內(nèi)模型試驗成為揭示樁體循環(huán)荷載下承載性能的常用手段。本文總結(jié)相關(guān)模型試驗，對比不同試驗的異同，期望對今后循環(huán)荷載下樁體承載性狀的研究提供參考依據(jù)。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黃雨等（2009）[2]研究不同循環(huán)荷載比對飽和砂土中模型樁沉降的影響。研究發(fā)現(xiàn)：循環(huán)荷載比與循環(huán)次數(shù)對飽和砂土中的單樁樁頂累積沉降產(chǎn)生較大影響;同一循環(huán)荷載比情況下，地基土的割線模量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加，并趨于某一極限值。根據(jù)不同循環(huán)荷載比對沉降的影響程度，進行了回歸分析，擬合出了沉降試驗曲線的回歸方程。

焦棟梁等（2010）[5]進行了波形為矩形和三角形的循環(huán)荷載下的樁承加筋土復(fù)合地基模型試驗。研究發(fā)現(xiàn)：隨著循環(huán)次數(shù)的增加復(fù)合地基的累積沉降量增加越來越少，且多次循環(huán)加載后的沉降量比單次沉降量增加較為明顯，并提出了復(fù)合地基沉降的計算經(jīng)驗公式;復(fù)合地基總的沉降隨著加載周期的減少而逐漸增加;隨著循環(huán)次數(shù)和加載峰值的增加，樁土應(yīng)力增加，隨著周期增加應(yīng)力減少。

王富強等（2011）[8]為研究近海風(fēng)力發(fā)電工程對樁基礎(chǔ)的承載力和變形的嚴格要求，通過離心機對單樁進行模型試驗。試驗結(jié)果表明水平循環(huán)荷載作用下的樁周土體的變形主要為擠壓或塌陷產(chǎn)生的沉降和水平向變形;變形的主要集中區(qū)為單樁周圍較小的范圍;變形具有逐漸累積的特性;樁身彎矩峰值出現(xiàn)在埋深上1/3處，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，彎矩的大小和分布幾乎不變。

C.H.C. Tsuha等（2012）[10]進行了“單樁在循環(huán)橫向載荷下的離心模擬”。試驗結(jié)果表明打入砂中的樁以穩(wěn)定、不穩(wěn)定還是元穩(wěn)定的方式來對豎向循環(huán)荷載做出反應(yīng)取決于循環(huán)荷載的均值和循環(huán)次數(shù);界面剪切特性、運動屈服、局部密度、斷裂界面剪切帶的生長和樁-土界面的約束膨脹都是影響樁軸向承載力的重要因素。

章敏等（2013）[11]進行了循環(huán)荷載作用下單樁動力模型試驗和樁土界面特性研究。結(jié)果表明循環(huán)荷載幅值對樁頂累積沉降有重要影響，并且樁頂累積沉降隨著循環(huán)荷載幅值的增加依次呈現(xiàn)出穩(wěn)定性、亞穩(wěn)定性以及非穩(wěn)定性三種變形;樁頂剛度最開始受加載次數(shù)的影響，隨后逐漸保持穩(wěn)定;循環(huán)荷載下樁周土的超孔隙水壓力很小，最終導(dǎo)致樁側(cè)阻力退化;土體的剪切模量比與lgN呈負線性關(guān)系，并且隨剪應(yīng)變越大，衰減越明顯;在CNS邊界條件下，樁側(cè)土在循環(huán)剪切作用下出現(xiàn)明顯的剪縮行為，切向和法向應(yīng)力逐漸降低。

顧明等（2014）[12]進行了3[×]3鋼管群樁水平循環(huán)加載試驗，研究了循環(huán)荷載下群樁的水平剛度、內(nèi)力及荷載分配變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：循環(huán)荷載作用對群樁的影響大于對單樁的影響;隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加樁基的水平剛度逐漸減小，并且后期的水平加載剛度受到前期循環(huán)加載情況的影響;循環(huán)荷載次數(shù)的增加影響群樁中各排樁分擔(dān)的荷載比例，前排樁分擔(dān)的荷載隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

吳亞平等（2015）[14]為明確凍土地區(qū)混凝土樁基在循環(huán)荷載作用下樁土的流變效應(yīng)的影響，通過試驗得出如下結(jié)論：循環(huán)荷載大小、頻率和凍土溫度是影響混凝土單樁-凍土流變效應(yīng)的主要因素;凍土流變效應(yīng)使得樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力隨時間推移而降低，樁端阻力隨時間推移而逐漸變大;荷載頻率增大，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力隨之變大，而趨于穩(wěn)定的時間較短;隨著溫度的升高，樁端位移增大，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力減小，趨于穩(wěn)定的時間較長。

Christina Rudolph等（2015）[15]研究水平循環(huán)載荷作用下樁的漂移，并將靜載結(jié)果與循環(huán)模型試驗的結(jié)果相結(jié)合，解釋了在服役期間位移或旋轉(zhuǎn)的累積原因。通過小規(guī)模建模和離心機測試發(fā)現(xiàn)加載方向的改變會顯著增加樁的旋轉(zhuǎn)和位移的累積量。

高柏松等（2015）[16]為了研究循環(huán)荷載作用下降雨前后對無砟軌道樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基動力特性的影響，開展了4組大比例尺動力模型試驗。試驗結(jié)果表明樁土差異沉降受加載力和降雨條件影響較大，而受加載頻率影響不明顯;試驗時樁的中性點大致位于0.63L處，且基本不受加載力、頻率、降雨等外界因素影響;樁側(cè)摩阻力在加載力、加載頻率、降雨等影響下均有明顯增長。

Giulio Nicolai等（2015）[18]為研究循環(huán)荷載對單樁橫向阻力的影響，進行了稠密飽和砂土中的小型單樁模型的試驗性能，對單樁施加靜力荷載以及上千次循環(huán)荷載。研究發(fā)現(xiàn)：循環(huán)荷載下使樁-土體系承載力增加承載力增加幅度取決于循環(huán)荷載的次數(shù)，施加循環(huán)荷載后樁的承載力（capacity）提高10%-20%，;隨著循環(huán)荷載的增加，樁的旋轉(zhuǎn)剛度增加。

俞劍等（2017）[19]為研究海上風(fēng)機的大直徑單樁基礎(chǔ)在風(fēng)、浪等水平循環(huán)荷載下的循環(huán)弱化特性，開展了大直徑單樁基礎(chǔ)模型和傳統(tǒng)長樁基礎(chǔ)模型對比研究。研究表明在同樣水平力循環(huán)荷載作用下，大直徑單樁抵抗循環(huán)荷載的能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)長樁;在海上風(fēng)機的大直徑單樁設(shè)計中采用基于黏土殘余強度的循環(huán)后穩(wěn)定水平承載力更為合理;并依據(jù)骨干曲線和荷載-位移曲線，提出了在水平循環(huán)荷載作用下單樁基礎(chǔ)循環(huán)弱化的理論方法，建立了荷載循環(huán)次數(shù)、幅值等與樁周土的循環(huán)弱化特性之間的聯(lián)系。

三、結(jié)語

本文通過對近年來循環(huán)荷載下模型樁試驗的總結(jié)、分析，列舉了現(xiàn)有循環(huán)荷載下模型樁試驗的研究成果，期望對今后循環(huán)荷載下樁體承載性狀的研究提供參考依據(jù)。結(jié)論如下：

（一）模型試驗采用的土體70%為Ⅰ類土（松軟土），其中以粉土和砂土為主，部分為黏土。循環(huán)荷載對粉土、砂土產(chǎn)生的影響較大，長期循環(huán)荷載作用下，粉土、砂土與樁基礎(chǔ)界面接觸力發(fā)生較大程度弱化。循環(huán)荷載對黏土中樁基礎(chǔ)的影響也尤為重要，特別是土中水在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生固結(jié)，形成負摩阻力，從而影響樁體的承載能力。國內(nèi)外學(xué)者進行模型樁試驗時大多選用所在地區(qū)的工程用土，研究成果可對當(dāng)?shù)貥痘O(shè)計提供相關(guān)借鑒，具有較好的實用價值，還可就地取材節(jié)約成本。

（二）模型試驗采用的模型樁75%左右為鋼管樁或鋁合金樁，部分為混凝土灌注樁，極少數(shù)為塑料管樁?，F(xiàn)有工程中樁體大多采用鋼管樁或混凝土管樁，鋁合金的泊松比較為接近鋼管和混凝土，選用鋼管樁或鋁合金管樁與更加接近真實工程，試驗數(shù)據(jù)更加可靠。預(yù)制管樁制作方便，便于傳感器的安裝，減小試驗阻力，對于現(xiàn)有工程預(yù)制樁的設(shè)計、施工具有較高的參考意義。

（三）樁基礎(chǔ)在服役期間受到風(fēng)、浪或車等引起的具有顯著周期性的循環(huán)荷載，模型試驗中為更加貼近真實受力情況，采用的循環(huán)荷載多為正弦波型循環(huán)荷載。循環(huán)次數(shù)根據(jù)試驗條件和模擬條件的不同而有所區(qū)別，在幾十次和幾萬次之間不等，可根據(jù)具體情況進行調(diào)節(jié)。

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