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局部沖刷下群樁水平承載試驗(yàn)研究

2015-12-16 907 0

 
何泓男1, 3，戴國亮1, 3，楊炎華2，龔維明1, 3, 代 浩1, 3
（1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000；3.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）
　　摘 要：基于典型沖刷坑形態(tài)，通過改變沖刷深度來模擬不同局部沖刷作用，對典型的9樁群樁進(jìn)行了沖刷前、后水平承載試驗(yàn)，對相同參數(shù)的單樁進(jìn)行了平行對比試驗(yàn)，詳細(xì)分析了荷載-位移特性、樁身彎矩分布、群樁效率系數(shù)以及荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著沖刷深度增加，單樁和9樁基礎(chǔ)水平承載力均呈現(xiàn)減弱趨勢，水平群樁效率系數(shù)逐漸增大，承臺(tái)約束作用效應(yīng)更加明顯，樁身彎矩增大，最大彎矩點(diǎn)位置向樁端移動(dòng)，前排樁荷載分擔(dān)比增大，中、后排樁荷載分擔(dān)比減?。磺芭沤菢妒軟_刷深度和水平荷載影響最大，設(shè)計(jì)時(shí)需采取有效的加強(qiáng)措施。
　　關(guān) 鍵 詞：樁基礎(chǔ)；局部沖刷；水平承載；試驗(yàn)研究
　　1 引 言
　　跨海、跨江大橋的建設(shè)需求與日俱增，常用的樁基礎(chǔ)形式應(yīng)用廣泛，而深水環(huán)境中樁基礎(chǔ)受水流沖刷作用明顯，承載能力減弱，在風(fēng)荷載、波浪荷載、船撞荷載等作用下樁基礎(chǔ)水平受力特性將發(fā)生變化。許多學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究，Reese[1]和Kishore[2]較早試驗(yàn)研究了樁基礎(chǔ)的沖刷問題，揭示了沖刷對水平樁設(shè)計(jì)的影響；Lin等[3]采用FLAC3D分析了砂土中水平樁的受力特性，并對沖刷深度、寬度及坡度進(jìn)行了影響因素分析，認(rèn)為沖刷深度對水平樁承載性能的影響最大；湯虎[4]在此基礎(chǔ)上對邊界效應(yīng)、樁長徑比、土體彈性模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角進(jìn)行了敏感性因素分析；Qi等[5]也通過有限元模型模擬樁-土接觸面，研究了海上風(fēng)電高承臺(tái)樁基礎(chǔ)在沖刷狀態(tài)下的水平承載力。上述關(guān)于沖刷對水平樁承載性能影響的研究較多以數(shù)值模擬進(jìn)行定性分析，本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，基于典型沖刷坑形態(tài)，通過改變沖刷深度來模擬不同局部沖刷作用，對典型的9樁群樁進(jìn)行了沖刷前、后水平承載試驗(yàn)，研究沖刷條件下水平樁的承載特性及演變規(guī)律，可為工程設(shè)計(jì)提供一定參考。
　　2 試驗(yàn)概況
　　2.1 模型土的準(zhǔn)備
　　試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯吝x取天然長江砂，分層填鋪砂土并夯實(shí)，保證土樣的均勻密實(shí)性，砂土參數(shù)見表1。
表1 模型土物理力學(xué)參數(shù)
密實(shí)
重度g
/ (kN/m3)
干重度gd
/ (kN/m3)
中值
粒徑d50
/ mm
相對
密實(shí)度Dr
/ %
壓縮
模量Es
/ MPa
內(nèi)摩
擦角j
/ (°)
26.5
14.6
0.204
60～80
33
30
　　2.2 模型樁制作
　　本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸邽?:30，單樁和群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意見圖1，樁身由鋼管制作，樁外徑，壁厚，樁長。群樁采用9樁布置，樁中心間距為3D（18 cm），模型樁的彈性模量為212 GPa，模型實(shí)物見圖2。

(a) 側(cè)視圖

(b) 俯視圖
圖1 樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意（單位：cm）

圖2 模型樁實(shí)物圖　　
　　承臺(tái)的底部采用厚1 cm的鋼板制成，承臺(tái)內(nèi)部焊接1 cm厚格構(gòu)柵鋼板，以保證承臺(tái)足夠的剛度，為便于施加荷載，承臺(tái)側(cè)面采用薄鋼片繞承臺(tái)焊接而成，鋼片高為5 cm，承臺(tái)內(nèi)部通過螺絲頂柱樁頂，使樁與承臺(tái)固結(jié)。
　　2.3 試驗(yàn)場地條件
　　試驗(yàn)槽的長 寬 高為5 m 3 m 1.2 m，壁厚為30 cm，沿加載方向，群樁邊樁與槽壁的距離為225 cm，約為37D，樁端與槽底的距離為40 cm，約為7D，可忽略邊界效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響。
　　2.4 測量設(shè)備與布置
　　樁身應(yīng)變采用應(yīng)變傳感器測量，由樁端向上每隔10 cm對稱布置應(yīng)變片于鋼管內(nèi)側(cè)，應(yīng)變片的類型為傳感器用電阻應(yīng)變計(jì)，型號為BX120-4BB，電阻為120.2 0.2 Ω，靈敏度系數(shù)為2.081%，應(yīng)變片布置如圖3。位移量測采用百分表，百分表沿水平加載方向背向布置，樁身應(yīng)變測讀應(yīng)與位移測量同步進(jìn)行，各級荷載下的應(yīng)變值讀取通過DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試采集箱進(jìn)行。

圖3 應(yīng)變片測點(diǎn)布置（單位：cm）

　　2.5 加載設(shè)備與方案
　　試驗(yàn)加載反力架可提供200 kN的反力，遠(yuǎn)大于預(yù)估極限水平承載力。采用電動(dòng)高壓油泵和千斤頂組成的液壓加載系統(tǒng)，電動(dòng)油泵最大加壓20 MPa，沿槽長度方向加載，如圖4所示。水平加載時(shí)考慮上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的豎向作用，且豎向千斤頂與承臺(tái)之間安置滾動(dòng)軸承支座，減小水平加載效應(yīng)，根據(jù)Karthigeyan[6]的研究，豎向荷載的適當(dāng)增加可以提高樁基礎(chǔ)的水平承載力，這里豎向荷載取極限承載力的1/3，由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[7]所提供的豎向承載力計(jì)算公式，根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定其單樁極限豎向承載力為10 kN，9樁為70 kN。

 
(a) 液壓泵　　　　　　　　 (b) 千斤頂
圖4 加載設(shè)備
　　沖刷和加載示意如圖5所示，圖中為沖刷深度，為自由長度，為初始入土深度，為沖刷坑頂?shù)膶挾龋?img alt="" src=https://jcgcw.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/storage/upload/201512/16/16-52-52-17-1.jpg />為沖刷坑底的寬度。Lin[3]的研究認(rèn)為，沖刷深度、寬度及坡度對水平樁承載性能均有影響，其中沖刷深度影響最大，本試驗(yàn)以沖刷深度為變量進(jìn)行研究。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，，。在試驗(yàn)槽中預(yù)埋模型樁，初始自由長度45 cm，入土深度55 cm，試驗(yàn)采取人工開挖上覆土層的方法模擬沖刷過程，設(shè)計(jì)沖刷深度如表2所示。不同沖刷深度時(shí)，9樁加載現(xiàn)場照片如圖6。
表2 設(shè)計(jì)沖刷深度
試驗(yàn)組次
1#
2#
3#
沖刷深度Sd / cm
0
15
30

圖5 樁基沖刷和加載示意圖

(a) 無沖刷

(b) 沖刷深度15 cm

(c) 沖刷深度30 cm
圖6 群樁基礎(chǔ)沖刷過程
 
　　根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[9]，采用慢速維持荷載法測試單樁和9樁的承載力，試驗(yàn)分10級加載，當(dāng)水平位移超過30～40 mm或水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值時(shí)，終止加載；水平極限承載力根據(jù)H-Y曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的水平荷載值確定。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[10]，在某級荷載下，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)明顯斜裂縫時(shí)終止加載；試樁水平極限承載力根據(jù)H-Y曲線上第2折點(diǎn)前一級荷載。本次試驗(yàn)結(jié)合兩種規(guī)范綜合確定。
　　3 試驗(yàn)結(jié)果分析
　　3.1 單樁分析
　　豎向荷載3 kN時(shí)，單樁的荷載與位移H-Y曲線如圖7所示，由圖可知，H-Y曲線為緩變型曲線，極限水平承載力如表3所示。由圖7和表3可知，隨著沖刷深度的增加，樁基水平極限承載力呈減小的趨勢，沖刷使得樁基入土深度減小，自由長度增大，土抗力影響深度減小。

圖7 單樁的H-Y曲線
表3 水平極限承載力分析
類型
沖刷深度Sd
/ cm
水平承載力H
/ kN
群樁效應(yīng)系數(shù)
單樁
 0
 4.0
  
15
 2.5
  
30
 2.0
  
9樁
 0
42.5
1.18
15
27.9
1.24
30
23.9
1.33
　　對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同沖刷深度條件下單樁樁身彎矩沿樁深的分布曲線如圖8所示。限于試驗(yàn)條件，樁頂處未布置應(yīng)變片，僅研究了樁頂以下樁身彎矩。由圖可知，彎矩沿樁深以拋物線形式變化，先增大后減小，樁身最大彎矩隨著水平荷載增大而增大，最大彎矩點(diǎn)出現(xiàn)在泥面以下以及樁身下部范圍。最大彎矩點(diǎn)位置隨沖刷向樁端移動(dòng)，當(dāng)沖深為15 cm時(shí)，由樁身60 cm向下移動(dòng)至65 cm，當(dāng)沖深為30 cm時(shí)，最大彎矩點(diǎn)向下移動(dòng)至70 cm。同級荷載下，樁身最大彎矩值隨沖刷呈增大趨勢，單樁入土深度減小，土抗力影響深度減小，樁周土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，樁身下部所受土抗力增大，樁身彎矩增大，總之，隨著沖刷深度增大，上覆土層厚度減小，樁基的水平承載力得到極大削弱。
　　3.2 群樁分析
　　群樁的荷載與位移H-Y曲線如圖9所示，由圖可知，群樁的H-Y曲線同樣為緩變型曲線，其水平承載力見表3。由圖9和表3可知，隨著沖刷深度的增大，上覆土層厚度減小，樁基水平承載力降低。
　　群樁基礎(chǔ)常存在群樁效應(yīng)[11]，由于群樁各樁與地基相互作用，其變形性狀和承載力與單樁有所差異。群樁效率系數(shù)為群樁中基樁的變形性狀或承載力與同一條件下單樁的比值，即群樁效率系數(shù)為

(a) 無沖刷

(b) 沖刷深度15 cm

(c) 沖刷深度30 cm
圖8 單樁樁身彎矩分布

圖9 群樁的H-Y曲線
　　式中：H為群樁的水平承載力或變位，為單樁的水平承載力或變位，n為群樁的樁數(shù)。
　　群樁效率系數(shù)隨沖深變化如圖10。由圖可知，承臺(tái)的整體約束作用使得群樁基礎(chǔ)整體剛度增大，群樁中各樁的水平承載力大于單樁基礎(chǔ)的水平承載力；群樁效率系數(shù)在1.18～1.33之間，沖刷深度15 cm時(shí)，系數(shù)增大5.1%，沖刷深度30 cm時(shí)，系數(shù)增大12.7%，隨著沖刷深度的增加，樁端土體的嵌固作用削弱，承臺(tái)對基樁的約束效應(yīng)增大，因此，群樁效率系數(shù)呈逐漸增大的趨勢。
圖10 群樁效率系數(shù)與沖刷深度關(guān)系
　　限于篇幅，文中選取群樁中具有代表性的中心樁進(jìn)行內(nèi)力分析，基樁樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)得到樁身彎矩分布，基樁樁頂邊界條件與單樁相同，不同沖刷深度條件下，中心樁樁身彎矩沿樁深的分布規(guī)律如圖11所示。由圖可知，樁身彎矩呈先增大后減小的趨勢，彎矩在泥面以下某位置出現(xiàn)最大值。隨著沖刷深度的增大，同級荷載下，樁身最大彎矩值呈增大趨勢，最大彎矩點(diǎn)位置向樁端移動(dòng)，這與單樁的趨勢相同。同級荷載下，群樁中心樁的樁身彎矩小于單樁，這主要是由于承臺(tái)的約束作用，群樁基礎(chǔ)整體性加強(qiáng)，群樁內(nèi)力重分布，基樁受力均勻且較小。
　　通過樁身彎矩計(jì)算出樁頂剪力，從而可計(jì)算出各樁占總荷載的分擔(dān)比例，限于篇幅，以前排樁、中排樁、后排樁為研究對象，不同沖刷條件下各樁荷載分擔(dān)比如圖12所示。由圖可知，隨著水平荷載的增大，前排樁荷載分擔(dān)比逐漸增大，中、后排樁的荷載分擔(dān)比逐漸減小，在加載后期基本不變。荷載分擔(dān)比前排樁大于中、后排樁，中、后排樁荷載分擔(dān)比相近，這與群樁效應(yīng)理論一致。
　　水平荷載25 kN時(shí)，各樁荷載分擔(dān)比隨沖深變化曲線如圖13所示。由圖可知，隨著沖刷深度的增加，前排樁的荷載分擔(dān)比呈增加的趨勢，樁身受力變大，中、后排樁的荷載分擔(dān)比逐漸減小，樁身受力較小，沖刷后前排樁的樁前剩余土體可提供一定的土抗力，前排樁荷載分擔(dān)比大于中、后排樁。
　　不同水平荷載下，前排邊樁和前排角樁荷載分擔(dān)比如圖14所示。由圖可知，同一級荷載下，角樁荷載分擔(dān)比的變化幅度大于邊樁，隨著水平荷載的增大，角樁受力增幅大于邊樁。由圖13、14可知，前排角樁受沖刷深度和水平荷載的影響最大，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議對前排角樁進(jìn)行特殊處理，如提高配筋率、增加樁徑等加強(qiáng)方法。
(a) 無沖刷

(b) 沖刷深度15 cm

(c) 沖刷深度30 cm
圖11 群樁中心樁樁身彎矩分布

(a) 無沖刷

(b) 沖刷深度15 cm

(c) 沖刷深度30 cm
圖12 群樁各樁荷載分擔(dān)比曲線

圖13 各樁荷載分擔(dān)比隨沖刷深度變化曲線

(a) 前排邊樁

(b) 前排角樁
圖14 前排邊樁、角樁與中心樁荷載分擔(dān)比變化
　　4 結(jié) 論
　　（1）由荷載-位移曲線可知，隨著沖刷深度的增加，樁基礎(chǔ)水平承載力呈減小的趨勢，沖刷使得樁基入土深度減小，自由長度增大，土抗力影響深度減小。承臺(tái)的約束效應(yīng)隨沖刷而增大，水平群樁效率系數(shù)隨沖刷深度的增加呈逐漸增大的趨勢，效率系數(shù)在1.18～1.33之間，沖刷深度15 cm時(shí)，系數(shù)增大5.1%，沖刷深度30 cm時(shí)，系數(shù)增大12.7%。
　?。?）由樁身內(nèi)力分布曲線可知，單樁樁身彎矩沿樁身以拋物線形式變化，樁身最大彎矩在泥面以下范圍，隨著水平荷載的增大而增加。同級荷載下，隨沖刷深度增加，樁身最大彎矩呈增大趨勢，最大彎矩點(diǎn)位置向樁端移動(dòng)。群樁中心樁樁身彎矩分布趨勢與單樁相同，前排樁受力大于中、后排樁，承臺(tái)約束作用使得群樁內(nèi)力重分布，群樁基樁樁身受力小于單樁。
　　（3）由荷載分擔(dān)比曲線可知，隨著水平荷載的增大，前排樁荷載分擔(dān)比逐漸增大，中、后排樁逐漸減小，在加載后期基本不變。荷載分擔(dān)比前排樁大于中、后排樁，與群樁效應(yīng)理論一致。隨著沖刷深度的增加，前排樁的荷載分擔(dān)比呈增加的趨勢，中、后排樁的荷載分擔(dān)比逐漸減小。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議對前排角樁采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。
　　參 考 文 獻(xiàn)
　　[1] REESE L C. Scour from cyclic lateral loading of pile[C]// Offshore Technology Conference. Houston: [s. n.], 1989: 395－402.
　　[2] KISHORE Y N, RAO S N, MANI J S. The behavior of laterally loaded piles subjected to scour in marine environment[J]. KSCE Journal of Civil Engineering, 2009, 13(6): 403－406.
　　[3] LIN C. evaluation of lateral behavior of pile-supported bridges under scour conditions[D]. Kansas: University of Kansas, 2012.
　　[4] 湯虎. 沖刷對海洋平臺(tái)樁基水平承載性能影響的研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2012.
　　[5] QI W G, TIAN J K, ZHENG H Y, et al. Bearing capacity of the high-rise pile cap foundation for offshore wind turbines[C]//International Conference on Sustainable Development of Critical Infrastructure. Shanghai: American Society of Civil Engineers, 2014: 413－420.
　　[6] KARTHIGEYAN S, RAMAKRISHNA V V G S T, RAJAGOPAL K. Numerical investigation of the effect of vertical load on the lateral response of piles[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(5): 512－521.
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　　[8] RICHARDSON E V, DAVIS S R. evaluating scour at bridges[M]. 4th ed. Washington, D. C.: Office of Bridge Technology, FHWA, 2001.
　　[9] 中國建筑科學(xué)研究院. JGJ 106-2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2014.
　　[10] 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司. JTS 167-4- 2012港口工程樁基規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.
　　[11] 張忠苗. 樁基工程[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2007.
 
（本文摘自第十二屆全國樁基工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集）

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