砂性土中鋼管樁水平承載特性模型試驗

王小龍，顧圣東，任亞群，龔維明

(1. 中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，南京210024； 2. 中國人民解放軍92301部隊，北京100841； 3. 東南大學土木工程學院，南京210096)

鋼管樁單樁基礎(chǔ)是海上風電工程中的主要基礎(chǔ)形式，占總基礎(chǔ)形式的25%～30%。鋼管樁單樁在水中承受波浪、海流、潮汐等長期循環(huán)作用，受力情況復(fù)雜，其中水平荷載占主導(dǎo)作用，研究其水平承載特性具有十分重要的工程意義。對于海上風電基礎(chǔ)，針對單樁水平承載特性的理論研究和室內(nèi)試驗研究較多。劉新榮等[1]對變截面單樁在橫向靜載荷作用下的變形及承載特性進行了研究，分析了4種不同變截面位置的階梯型變截面樁樁身拉、壓應(yīng)變曲線、樁頂水平荷載位移曲線；顧明等[2]在砂土中開展了一系列離心機模型試驗，對比了直樁群樁和斜樁群樁抵抗水平及偏心荷載的不同特性；尤漢強等[3]對水平循環(huán)荷載下單樁的樁土相互作用進行了分析，并深入研究影響樁土相互作用的基本因素；莊培芝等[4]依據(jù)現(xiàn)場實測資料合理確定數(shù)值計算方法，對軟弱地基條件下影響管樁單樁水平承載力的主要因素進行了控制分析；呂偉華等[5]通過縮尺模型箱試驗進行樁、土承載特性和樁身荷載傳遞規(guī)律的研究；朱照清等[6]在東海大橋附近海域?qū)Ｉ巷L電場大直徑鋼管樁進行了水平承載力試驗；劉君等[7]、劉明亮等[8]、胡耘等[9]研究了數(shù)字圖像技術(shù)在振動臺模型試驗、錨板抗拉試驗、離心試驗中的應(yīng)用?，F(xiàn)有研究未為對樁周土體對樁基的相互作用進行細部分析。為此，本研究對不同樁徑的鋼管樁模型進行分析，揭示不同直徑鋼管樁水平承載特性的變化規(guī)律，通過半模型試驗研究不同直徑樁土界面的受力機理，得到直徑對水平承載特性影響的規(guī)律，并采用PIV成像技術(shù)，研究不同直徑模型樁在水平荷載作用下的樁土界面受力機理。

1 鋼管樁承載特性模型試驗

1.1 試驗方法

為得到兩種不同直徑鋼管樁的水平承載力特性，采用1 g條件下縮尺模型試驗對大直徑鋼管樁承載性能進行模擬研究，為觀察水平力作用下樁側(cè)土體的變化，設(shè)計了不同直徑的鋼管樁半模型試驗，利用PIV技術(shù)觀察樁周土體的變化過程，并得出相應(yīng)的規(guī)律。

1.2 試驗過程

試驗中所用模型槽長2.8 m、寬1.4 m、高1.57 m，底板及周邊三邊為鋼板，另外一邊為玻璃，模型槽骨架采用角鋼(圖1a)。箱體上部無蓋，方便制備和養(yǎng)護試驗土體。箱體底部對稱設(shè)置12個排水孔，可有效避免在試驗箱四周設(shè)置排水邊界造成箱內(nèi)四周土體強度過大，保證了同一深度試驗土體強度的均勻性。在試驗箱底部鋪設(shè)厚度5 cm、直徑2～3 cm礫石作為反濾層，并在礫石表面及試驗箱四周鋪設(shè)土工布，可縮短滲流路徑，加快排水速度，加速土層固結(jié)。

如圖1b～d所示，模型鋼管樁壁厚均為4.32 mm，鋼管直徑分別為4和8 cm，樁長度為120 cm，樁表面每隔10 cm貼應(yīng)變片，相同高度處沿樁長對稱貼設(shè)，半模型樁沿一邊貼設(shè)。如圖1e～f所示，全模型鋼管樁位于模型箱中心，其加載點設(shè)置在樁的中心。半模型鋼管樁緊貼透明玻璃一側(cè)，加載點設(shè)置在基礎(chǔ)的形心位置。

試驗土樣選用細砂土，本次試驗土樣采用南京本地砂，物理指標如下：顆粒比重為2.65，最大與最小干密度分別為1.74和1.45 g/cm3，最大與最小孔隙比分別0.793和0.494。試驗時控制密實度為70%。

如圖1f所示，在半模型試驗中，為觀察土體顆粒細觀特性，需在加載箱側(cè)壁埋設(shè)彩砂，彩砂布置在樁前側(cè)頂部，布置300 mm×300 mm連續(xù)拍照區(qū)域。模型中的位移跟蹤點量測采用數(shù)碼相機結(jié)合圖像分析技術(shù)。相機架設(shè)于帶有雙向調(diào)平裝置的相機支架，拍攝時輔以專業(yè)鎂燈。

圖1 鋼管樁模型試驗Fig. 1 Steel pipe pile model tests

試驗采集數(shù)據(jù)有樁身各截面應(yīng)變、樁頂應(yīng)力、樁頂及土層沉降、樁周土壓力等。樁頂及土層沉降用百分表測得，其位置布置在砂土表面的樁身處。應(yīng)變片采用BX120-4BB型號應(yīng)變片，布置點如圖1b所示，其基底為8.0 mm×4.4 mm、電阻值(120±0.2%)Ω、具有一定防水性的精密級聚氨酯，測試靈敏系數(shù)為2.08。每根樁分兩個截面，每個截面對稱貼2個應(yīng)變片，線路采用半橋接線法。應(yīng)變儀采用靜態(tài)應(yīng)變儀DH3816采集系統(tǒng)。試驗數(shù)據(jù)最終通過計算機自動采集、顯示和處理樁應(yīng)變、應(yīng)力。在半模試驗中，樁側(cè)土體的位移采用相機拍照，并經(jīng)過PIV測試技術(shù)進行判斷[10-15]。

1.3 鋼管樁全模型試驗

全模型試驗采用先將土樣分層夯實到設(shè)計高度，再打入模型樁的方式。加載采用慢速維持荷載法進行加載。加載速率控制在0.05 m/s，方向為從右向左，每級加載15 min后，進行數(shù)據(jù)采集，其后進行下一級加載。應(yīng)力及變形量測試驗前記錄兩次初讀數(shù)。打入試驗共做兩組，主要分析樁在加載至破壞過程中樁側(cè)位移、彎矩及樁身剪力的變化情況。試驗組如表1所示。

表1 半模型和全模型試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of half and full model tests

1.4 鋼管樁半模型試驗

半模試驗是先預(yù)埋模型半樁，再將土樣分層裝入模型槽，分層夯實到樁端標高。頂部用絲線固定在模型槽邊，以確保填土過程中模型樁不偏位繼續(xù)填土。在觀測區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置變形觀測點、染色砂標志層及追蹤觀測區(qū)，直至樁頂。加載及量測加載采用慢速維持荷載法進行試驗。在每級加載開始前，用數(shù)碼相機拍攝記錄變形觀測點和染色砂標志層的變位。每級加載后，分別進行土體位移場記錄、樁頂位移讀取、荷重傳感器讀數(shù)。預(yù)埋試驗共做兩組，主要分析樁在加載至破壞過程中樁側(cè)位移的變化情況(表1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)試驗采集的測點處拉應(yīng)變εiR和壓應(yīng)變εiL，得到該截面彎曲應(yīng)變Δε=εiR-εiL(該公式可以剔除軸力的影響)，進而計算出相應(yīng)的彎矩，樁身彎矩計算式如下：

(1)

(2)

式中：Mi為樁身截面彎矩；b0為拉、壓應(yīng)變測點的間距；εiR和εiL分別為樁截面對稱兩個應(yīng)變片測得的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變值；I為全截面對中性軸的慣性矩；W為樁身抗彎截面抵抗矩；E為鋼管樁的彈性模量。

把彎矩通過一次微分得到樁身剪力Q，如下式所示：

(3)

2.2 PIV數(shù)據(jù)處理方法

PIV技術(shù)(particle image velocimetry，顆粒圖像測速)是在流動顯示技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種二維無擾動流場測試技術(shù)。該技術(shù)使用時需在流場中散播一些跟蹤性與反光性良好且比重與流體相當?shù)氖聚櫫Ｗ?，利用自然光或激光對所測平面進行照射，形成光照平面，使用CCD(電荷耦合元件，用于把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號)等攝像設(shè)備獲取示蹤粒子的運動圖像，然后對示蹤粒子的運動圖像進行分析，以獲取二維流場的速度矢量分布。在每級加載開始前，用數(shù)碼相機拍攝記錄變形觀測點和染色砂標志層的原始位置，并導(dǎo)入軟件進行分析。每級加載后，分別再次拍攝記錄土體位置，導(dǎo)入軟件與土顆粒原始位置進行對比分析，從而得到加載后的土體變位場。

2.3 全模型數(shù)據(jù)結(jié)果分析

各全模型樁基礎(chǔ)的水平荷載-位移曲線如圖2所示。在對應(yīng)樁頂水平位移為18.15 mm情況下，直徑4 cm鋼管樁模型的水平承載力為2.4 kN，直徑8 cm鋼管樁模型的水平承載力為5.0 kN。8 cm鋼管樁模型水平承載力為明顯大于4 cm鋼管樁。

對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，水平荷載作用下，不同樁直徑單樁基礎(chǔ)的樁身彎矩、剪力、樁側(cè)土抗力分布曲線見圖3～5。由圖3可知，單樁彎矩沿樁身向下呈拋物線型，樁身彎矩總體呈先增大后減小的趨勢。隨著荷載的增加，樁身彎矩最大值呈增大的趨勢，最大彎矩點向樁端移動。兩組模型樁各級加載值下的最大彎矩點位置均在樁身中部偏上位置附近。

圖2 全模型水平位移-荷載曲線圖Fig. 2 Lateral displacement-load curves of full model tests

圖3 全模型樁身彎矩分布曲線圖Fig. 3 Moment distribution curves on pile body of full model tests

圖4 全模型樁身剪力分布曲線圖Fig. 4 Shearing strength distribution curves on pile body of full model tests

圖5 全模型樁側(cè)土抗力分布曲線圖Fig. 5 Soil resistance distribution curves at pile lateral of full model tests

由圖5可知，8 cm鋼管樁樁側(cè)土抗力由樁頂向下呈先正向減小至零，再負向增大的趨勢，土抗力最大正值在土表面處，最大負值在靠近樁端處；而4 cm鋼管樁趨勢相反，土抗力最大正值在靠近樁端處，最大負值在土表面處。隨著荷載的增加，土抗力零點向樁端移動。其中對于直徑為4 cm的鋼管樁，在樁端處存在剪應(yīng)力再次變?yōu)檎默F(xiàn)象，這是由于該模型樁為柔性樁，其土抗力變化存在柔性樁特有的規(guī)律，而對于直徑為8 cm的樁基，也在一定程度上表現(xiàn)出柔性樁特性。

從以上結(jié)果可知，樁徑大小對其水平承載力影響很大。在加載初期，當樁徑增大1倍時，相同荷載作用下的樁身位移差別不大，這是由于模型樁帶動土體發(fā)生位移的區(qū)域很小，且該區(qū)域內(nèi)土體處于小變形階段，導(dǎo)致模型樁尺寸效應(yīng)表現(xiàn)不明顯；隨著荷載的增加，土體發(fā)生變形的區(qū)域越來越大，直徑大的樁會帶動更多的土體發(fā)生變形，從而調(diào)動更多的土抗力，故而小直徑樁與較大直徑樁相比，水平位移荷載曲線更早進入非線性階段，且需要調(diào)動更多的位移來平衡樁頂荷載，模型樁尺寸效應(yīng)的影響在非線性階段表現(xiàn)十分明顯；樁身的剛?cè)嵝允怯绊憳渡砑袅巴量沽Ψ植嫉闹匾蛩?，其中柔性樁與剛性樁相比，樁側(cè)土抗力達到最大負值后存在減小的趨勢。

2.4 半模型數(shù)據(jù)結(jié)果分析

各半模型樁基礎(chǔ)的水平荷載-位移曲線如圖6所示。由圖可知，直徑4 cm鋼管樁模型的最后一級加載為1.10 kN，對應(yīng)水平位移為50.1 mm；直徑8 cm鋼管樁模型的最后一級加載為1.93 kN，對應(yīng)水平位移為31 mm。說明與直徑為4 cm的鋼管樁相比，直徑為8 cm鋼管樁模型水平承載力顯著增大。

圖6 半模型水平位移-荷載曲線圖Fig. 6 Lateral displacement-load curves of half model tests

直徑4 cm半模型鋼管樁不同加載的土體位移等值線云圖見圖7。從圖中可以看出，4 cm直徑的鋼管樁基礎(chǔ)上端部分40 mm范圍內(nèi)前側(cè)土體位移變形的發(fā)展過程。水平加載方向為從右向左，隨著加載的持續(xù)，左上側(cè)顏色變化最為顯著，左下側(cè)與右上側(cè)次之，右下側(cè)相對不明顯。這表明左上側(cè)土體位移隨時間變化的移動最大，而右下側(cè)土體位移變化相對較小。

圖7 直徑為4 cm鋼管樁側(cè)土位移分布云圖Fig. 7 Cloud diagram of soil displacement distribution at the lateral of steel pipe pile with diameter of 4 cm

直徑8 cm半模型鋼管樁不同加載的土體位移等值線云圖見圖8。從圖中可以看出，8 cm直徑的鋼管樁基礎(chǔ)上端部分40 mm范圍內(nèi)前側(cè)土體位移變形的發(fā)展過程。水平加載方向為從左向右，隨著加載的持續(xù)，右中側(cè)顏色變化最為顯著，右下側(cè)與右上側(cè)次之，左上側(cè)相對不明顯。這是由于樁在水平變位過程中表面土體受擾度影響了密實度，導(dǎo)致右上側(cè)土體位移隨時間變化移動最大，而左下側(cè)土體位移變化相對較小。

圖8 直徑為8 cm鋼管樁側(cè)土位移分布云圖Fig. 8 Cloud diagram of soil displacement distribution at the lateral of steel pipe pile with diameter of 8 cm

同樣，對比圖7、圖8可知，隨著荷載的增加，土體發(fā)生變形的區(qū)域隨之增加，相比于小直徑的樁，直徑大的樁會帶動更大范圍的土體發(fā)生位移，從而調(diào)動更多的土抗力，故小直徑樁與較大直徑樁相比，水平位移荷載曲線更早進入非線性階段，且需要調(diào)動更多的位移來平衡樁頂荷載。

由以上結(jié)果可知，樁側(cè)土體位移主要集中于5倍樁徑以上位置，且表層土體不僅存在水平位移，還存在豎向位移。表層土體的抗力對樁基礎(chǔ)水平承載力的影響非常大。

3 結(jié) 論

本試驗是在1 g條件下采用縮尺模型試驗對大直徑鋼管樁承載性能進行模擬研究。由于試驗結(jié)果受土體應(yīng)力場影響比較大，并不能完全滿足現(xiàn)場實際情況，但根據(jù)試驗得出的一般規(guī)律，可以為工程實踐提供參考。通過本次試驗，可以得出以下結(jié)論：

1)樁徑大小對其水平承載力影響較大，其中樁的直徑增大1倍后，水平承載力增大成倍數(shù)增長，在水平位移荷載曲線的非線性階段樁端水平位移減少十分明顯，模型樁尺寸效應(yīng)的影響在非線性階段表現(xiàn)十分明顯。

2)鋼管樁在水平荷載作用下其最大彎矩點在樁身中部靠上位置，且隨著荷載的增加最大彎矩點向下移動，故在設(shè)計過程中可重點驗算樁身中部附近的抗彎承載力。

3)鋼管樁的剛?cè)嵝詫渡砑魬?yīng)力分布具有較大的影響，對于柔性樁，其樁身剪力樁底部靠上的位置，變化較為復(fù)雜，而對于剛性樁，由于變位更傾向于剛體的轉(zhuǎn)動，故最大剪應(yīng)力在樁底部附近。

4)根據(jù)位移云圖分析可推斷出樁端附近土體在加載初期最先發(fā)揮承載性能，并隨著加載的進行進一步向下發(fā)揮，樁側(cè)土體位移主要集中于5倍樁徑以上位置。故對于實際工作情況下的鋼管樁，表層土體對于抵抗水平荷載的作用較大。