胡娟 胡敏萍

(1.浙江樹(shù)人大學(xué)城建學(xué)院 浙江杭州 310015；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西渭南 714000)

基樁模型試驗(yàn)及時(shí)效性研究現(xiàn)狀
——豎向循環(huán)荷載作用

胡娟1,2胡敏萍1

(1.浙江樹(shù)人大學(xué)城建學(xué)院 浙江杭州 310015；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西渭南 714000)

樁基礎(chǔ)理論研究與工程應(yīng)用比較廣泛，文章總結(jié)了學(xué)者們對(duì)砂土、粘土、粉土及紅粘土等地基土中樁基模型模擬海洋平臺(tái)中的受力，如豎向循環(huán)荷載作用下樁頂沉降和樁基承載力與樁側(cè)摩擦系數(shù)與循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載比以及循環(huán)加載速率有關(guān)，而地基土的種類以及土的參數(shù)不同時(shí)，結(jié)果也不相同。研究現(xiàn)狀表明，對(duì)于在役公路的黃土地基樁基在軸向循環(huán)荷載方面研究甚少，有待深入進(jìn)行探討。對(duì)于模型試驗(yàn)研究的總結(jié)，能夠?yàn)閺?fù)雜施工條件下樁基承載機(jī)理的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

基樁；軸向循環(huán)荷載；模型試驗(yàn)；研究現(xiàn)狀

0 引言

樁基礎(chǔ)的理論研究與工程應(yīng)用極為廣泛，而樁基不僅用于海洋工作平臺(tái)、房屋基礎(chǔ)、鐵路橋梁而且廣泛用于公路橋梁基礎(chǔ)。我國(guó)新建公路橋梁以及已運(yùn)營(yíng)的65萬(wàn)余座公路橋梁中，多數(shù)采用樁基礎(chǔ)。而這些樁基長(zhǎng)期在活載的運(yùn)營(yíng)下工作，而交通荷載則隨車輪移動(dòng)而產(chǎn)生循環(huán)荷載[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)手段和方法主要著眼于樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工，對(duì)于服役期樁基礎(chǔ)的性能評(píng)定還局限于采取以表觀病害為主進(jìn)行評(píng)定的方法。而在服役橋梁樁基礎(chǔ)的承載力發(fā)揮機(jī)理研究、樁周土對(duì)服役期樁基承載性能的影響等均涉及較少，而對(duì)在役橋梁樁基的承載力檢測(cè)[3-4]、評(píng)定方法和手段均無(wú)相關(guān)規(guī)范可參考。因此，對(duì)服役期內(nèi)橋梁的樁基礎(chǔ)承載機(jī)理越來(lái)越得到研究者的關(guān)注。

迄今為止，樁基的理論模型試驗(yàn)[5-9]研究與應(yīng)用內(nèi)容極為廣泛，水平循環(huán)作用下樁基的研究也較多，但對(duì)于豎向循環(huán)作用下樁基模型試驗(yàn)相對(duì)較少。以下主要從不同地基土、樁基時(shí)效性及檢測(cè)方法等幾個(gè)方面對(duì)豎向循環(huán)荷載作用下樁基承載特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1 不同地基土中豎向循環(huán)荷載下樁基承載現(xiàn)狀研究

1.1 粘土地基

H.G.Poulos[10](1982)在樁基承載力研究中考慮循環(huán)荷載作用下樁的剛度、土的種類(粘土和砂土)、加載速率及加載幅值變化與否等方面進(jìn)行了綜合探討。文章指出循環(huán)荷載不僅使樁的承載力和剛度降低，而且會(huì)影響樁側(cè)表面摩擦及土的壓縮模量。

Briaud J L and Felio G Y.[11](1986)分析了以往學(xué)者研究的循環(huán)荷載作用下粘土地基中模型樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型樁尺寸、加載數(shù)據(jù)等，探討了樁在循環(huán)荷載下的承載性能。文中表明，對(duì)于慢的不排水循環(huán)荷載比快速不排水循環(huán)荷載更具破壞性，而且循環(huán)加載系數(shù)值隨土的類型不同而不同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為低于0.6。并提出當(dāng)循環(huán)系數(shù)總和為1時(shí)，單樁的極限靜承載力會(huì)減少40%。

陳竹昌[12](1990)模擬海浪和風(fēng)暴對(duì)海洋平臺(tái)中樁的作用，對(duì)粘土中模型樁進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗(yàn)。模型試驗(yàn)樁外徑為3.0cm，長(zhǎng)度為1.15m的鋁合金管，以0.1Hz頻率進(jìn)行氣壓循環(huán)加載。文中提出用靜荷載比、循環(huán)荷載比、最大(循環(huán))荷載比、最小(循環(huán))荷載比等參數(shù)來(lái)反應(yīng)循環(huán)加載情況。試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)試驗(yàn)條件的結(jié)果比較合理，且給出了歸一化樁承載力建議值。其歸一化承載力隨著循環(huán)荷載比的減小而增大，且承載力發(fā)生最急劇變化的部位是在雙荷載區(qū)內(nèi)。

1.2 砂土地基

C．Y．Lee and H.G.Poulos[13](1988)對(duì)鈣質(zhì)砂土中的灌注樁進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)研究，主要模擬了近海平臺(tái)的樁的軸向承載能力。模型樁徑直徑2.4cm，樁長(zhǎng)0.256cm，試驗(yàn)采用2種不同靜態(tài)測(cè)試階段，第一階段是降低土的上覆有效應(yīng)力，然后樁土系統(tǒng)靜止1.5h，再逐級(jí)加載至破壞(沉降為10%的樁徑時(shí))并對(duì)每個(gè)加載階段進(jìn)行荷載試驗(yàn)；第二個(gè)階段是增加土的上覆有效應(yīng)力，即對(duì)土壤的背壓是減小的，測(cè)試與第一步相同。試驗(yàn)表明在鈣質(zhì)土中的有效應(yīng)力隨孔隙水壓力的變化而變化，則樁側(cè)摩阻力與有效正應(yīng)力成正比，且推薦樁土接觸面的摩擦系數(shù)取0.8。

徐和[14-15](1989)模擬在砂土中的深水海域海洋平臺(tái)的樁基在海浪及風(fēng)暴荷載作用下進(jìn)行軸向循環(huán)荷載模型試驗(yàn)，模型樁采用外徑為3.5cm，長(zhǎng)為1.2m的硬鋁合金管，采用氣壓加荷設(shè)備施加應(yīng)力控制式的靜、動(dòng)荷載。加載頻率為0.1Hz的等幅循環(huán)荷載，試驗(yàn)完成5組靜拔試驗(yàn)、20組單向循環(huán)荷載試驗(yàn)和6組雙向循環(huán)荷載試驗(yàn)。動(dòng)、靜荷載綜合作用下，單向循環(huán)荷載結(jié)果表示，樁的動(dòng)承載力隨動(dòng)荷載與靜荷載比值的減小而增大，而動(dòng)承載力比靜承載力降低10%～30%；雙向循環(huán)加載時(shí)，樁的動(dòng)承載力變化趨勢(shì)隨動(dòng)荷載與靜荷載比值的增大而顯著降低，比靜承載力降低40%～85%左右。循環(huán)荷載影響樁的動(dòng)剛度降低，單向循環(huán)荷載，樁的動(dòng)剛度約為4.0kN/mm～11.5kN/mm，雙向循環(huán)下約為1.0kN/mm～3.5kN/mm，且雙向循環(huán)時(shí)樁的動(dòng)剛度降低是單向循環(huán)下的2～4倍。

C.Y.Lee and H.G.Poulos[16](1991)對(duì)澳大利亞西北大陸架的鈣質(zhì)砂土地基中的灌注樁進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，為了模擬近海岸樁基的承載機(jī)理，在對(duì)循環(huán)荷載控制和位移控制下樁側(cè)摩阻力變化以及樁徑的影響因素進(jìn)行了分析。試驗(yàn)采用直徑為3cm，長(zhǎng)0.634cm的鋁合金管作為模型樁，樁端處通過(guò)放置一軟橡膠墊來(lái)消除端阻。采用空氣壓力進(jìn)行加載。試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種加載方式均會(huì)弱化樁側(cè)摩阻力，且成正比關(guān)系變化。Riadh H.Al-Douri and Harry G.Poulos[17](1995)也對(duì)澳大利亞西北大陸架的鈣質(zhì)砂地基中的樁基進(jìn)行循環(huán)荷載作用下模型試驗(yàn)。模型樁為3mm厚,直徑為25mm厚的鋁合金管，長(zhǎng)為0.4m。模型箱尺寸為直徑為59cm，深0.48m的不銹鋼。底部墊有橡膠墊消除端阻。試驗(yàn)結(jié)果表明，在固定循環(huán)荷載時(shí)，位移累積隨荷載水平和荷載次數(shù)增加而增加，而位移累積的增加速度隨循環(huán)次數(shù)的增大而減小，而且荷載水平是影響位移累積的主要因素。在循環(huán)荷載作用時(shí)，循環(huán)荷載極限值為靜載極限值的0.6倍。

黃雨[18]等(2009)對(duì)上海市崇明東灘地區(qū)砂土地基中的單樁進(jìn)行豎向循環(huán)荷載及試驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。循環(huán)荷載采用了與吊車工作時(shí)的加卸載情況比較接近的三角波，循環(huán)加載周期為120s，如圖1所示。試驗(yàn)指出，循環(huán)荷載比一定時(shí)，單樁沉降量與循環(huán)次數(shù)成正向變化關(guān)系，并且位移沉降量增加的趨勢(shì)逐漸減緩。循環(huán)荷載比超過(guò)一個(gè)臨界值后沉降發(fā)展加快。不同幅值的循環(huán)荷載作用下，樁頂累積沉降隨循環(huán)振次變化的發(fā)展規(guī)律具有相似性。

圖1 黃雨(2009)模型試驗(yàn)加載曲線

1.3 粘土和砂土地基

律文田[19](2005)對(duì)京滬高速鐵路某標(biāo)段橋梁跨徑為20m和32m簡(jiǎn)支梁進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，此標(biāo)段為粘土和砂質(zhì)地基。試驗(yàn)樁是3根埋設(shè)有鋼筋計(jì)的PHC管樁，預(yù)制管樁直徑為55cm，樁長(zhǎng)24m。加載方式先將靜載逐級(jí)加載至樁的工作荷載，在此基礎(chǔ)上施加循環(huán)次數(shù)100萬(wàn)次動(dòng)載(動(dòng)力幅值40kN，頻率3HZ)，然后再卸載至零。分析了高速列車動(dòng)荷載作用下樁頂動(dòng)位移與動(dòng)載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，樁頂動(dòng)位移幅值與動(dòng)載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，軸力和樁側(cè)摩阻力隨深度和振動(dòng)次數(shù)的變化，樁身動(dòng)應(yīng)力幅值和動(dòng)摩阻力幅值沿深度方向的變化。樁側(cè)動(dòng)摩阻力承擔(dān)了樁頂絕大部分的樁頂動(dòng)力荷載，主要集中在樁側(cè)上部1/3的范圍內(nèi)。試驗(yàn)顯示，在加載初期會(huì)對(duì)樁側(cè)摩阻力和軸力的調(diào)整產(chǎn)生影響，基本不影響樁的承載力。

1.4 粉土地基

朱斌[20](2009)對(duì)粉砂土地基中剛性單樁開(kāi)展了1g 條件下巖土工程問(wèn)題的大比例或足尺模型試驗(yàn)，如圖2所示。通過(guò)對(duì)樁外徑11.4cm，長(zhǎng)3m，壁厚2.5mm的鋼管樁進(jìn)行周期為15s的波形荷載加載，如圖2所示。試驗(yàn)指出，循環(huán)荷載比達(dá)到最小循環(huán)荷載比以下時(shí)，樁頂累積沉降可忽略，而最小循環(huán)荷載比隨著樁基側(cè)阻力與樁端阻力之間的比值的增大而減小，且循環(huán)累積沉降與循環(huán)次數(shù)的比值近似與樁頂循環(huán)荷載比呈線性關(guān)系。

圖2 朱斌(2009)循環(huán)荷載波形及荷載比定義

陳仁朋[21](2011)、任宇[22](2013)對(duì)高鐵所處飽和粉土地基中的樁基進(jìn)行了1g條件下大比例豎向循環(huán)加載模型試驗(yàn)。模型樁尺寸為樁徑為16.8cm，樁長(zhǎng)為4.2m壁厚為7mm的鋼管樁。試驗(yàn)結(jié)果表明單周循環(huán)荷載作用下的樁基承載力隨振次增加而減小，樁頂累積沉降隨循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅值增加而增大。循環(huán)荷載作用后樁身上部軸力減小，下部端部軸力增加，樁身軸力產(chǎn)生下移。且樁端強(qiáng)度及剛度均大幅提高，側(cè)摩阻強(qiáng)度及剛度均有明顯弱化，而循環(huán)加載對(duì)樁基的靜力承載特性影響較小。同時(shí)也提出循環(huán)荷載對(duì)于不同樁長(zhǎng)影響不同，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁基承載力的循環(huán)弱化程度越小，循環(huán)累積變形較靜載變形的增加幅度減小。此試驗(yàn)為深入了解飽和粉土地基中剛性樁基動(dòng)力加載性狀提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1.5 紅粘土地基

章敏[23](2013)研究了埋入土中深度為1.6m，樁徑13cm和樁長(zhǎng)1.72m的單樁在紅黏土中不同加載頻率和循環(huán)荷載比下單樁承載特性。采用正弦波形加載形式來(lái)模擬列車對(duì)樁基礎(chǔ)的動(dòng)力影響。結(jié)果表明，樁頂沉降隨著循環(huán)荷載幅值的不同分為非穩(wěn)定、亞穩(wěn)定和穩(wěn)定3種形式；樁的動(dòng)承載力隨著加載中動(dòng)荷載所占比例的增加而降低，循環(huán)加載初期，樁頂動(dòng)剛度經(jīng)過(guò)迅速降低的短暫過(guò)渡階段趨于穩(wěn)定。在常法向剛度邊界條件下，土體隨著循環(huán)剪切發(fā)生明顯的剪縮行為，切向和法向應(yīng)力隨之降低。

2 鉆孔樁基礎(chǔ)承載力時(shí)效性研究現(xiàn)狀

鉆孔樁是目前我國(guó)橋梁工程中應(yīng)用最為廣泛的樁基類型。但其承載力的時(shí)效性研究目前開(kāi)展較少，對(duì)于鉆孔樁承載力時(shí)間效應(yīng)的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有預(yù)制樁深入[24-25]。但是近年來(lái)也開(kāi)展了成樁后不同時(shí)間的鉆孔樁承載力試驗(yàn)，工程技術(shù)人員對(duì)承載力的時(shí)效性也有較為直觀的了解。

樓曉明，陳強(qiáng)華[26-27]等(1987)針對(duì)上海地區(qū)飽和軟土鉆孔樁(樁長(zhǎng)40.15m，樁徑60cm)的極限承載力隨休止期的變化規(guī)律做了靜載試驗(yàn)，提出樁端阻力變化可以忽略，樁側(cè)摩阻力隨休止期的增長(zhǎng)而增加，軟土中灌注樁短期時(shí)效不明顯。

為了研究灌注樁單樁承載力更長(zhǎng)休止期的時(shí)效，鄭剛等[28](2003)對(duì)天津廣達(dá)大廈的2根單樁進(jìn)行了承載力試驗(yàn)。分別于1996年1月底和2000年10月底進(jìn)行2次靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)間隔達(dá)57個(gè)月，2次試驗(yàn)結(jié)果顯示注樁隨時(shí)間效應(yīng)其單樁承載力增加顯著。

2009年交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所[29-30]在澳門氹仔碼頭工程中對(duì)同一根樁基的試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔樁在休止一定時(shí)期后，在相同的試驗(yàn)荷載下，休止后的樁頂沉降量要小于休止前的樁頂沉降量。

趙楠[31](2011)采用堆載試驗(yàn)，對(duì)同1根人工挖孔樁進(jìn)行了2次靜載試驗(yàn)。認(rèn)為二次復(fù)壓的單樁承載力明顯大于首次試驗(yàn)的承載力。

陳蘭云等[32](2006)對(duì)建于湖濱沖積平原上的2根鉆孔灌注樁試樁在成樁后不同時(shí)間進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。陳蘭云等認(rèn)為單樁豎向承載力在28d以前增長(zhǎng)較快，28 d以后樁基承載力呈緩慢增加趨勢(shì)。

鉆孔樁成樁時(shí)由水下泥漿護(hù)壁形成一層軟弱泥皮，鉆孔樁的承載力時(shí)效性表現(xiàn)較明顯。根據(jù)陳志堅(jiān)[33]等(2008)的研究，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的成樁過(guò)程存在對(duì)樁周土擠密作用。

上述試驗(yàn)資料認(rèn)為鉆孔樁的承載力是具有時(shí)效性的，但承載力的時(shí)效性對(duì)樁基的最終承載力的影響到底能達(dá)到什么程度，如何進(jìn)行計(jì)算，目前尚無(wú)法有效分析。盡管上述方法還需要完善，但均反映了一定土質(zhì)條件下單樁承載力隨時(shí)間的變化特征。鉆孔樁時(shí)效性的產(chǎn)生和發(fā)展需要一定的條件。由于鉆孔樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和相關(guān)研究開(kāi)展較少，對(duì)于鉆孔樁時(shí)效性的產(chǎn)生條件和產(chǎn)生機(jī)理還需要深入研究和完善。

3 樁身應(yīng)變測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀

樁基的承載力是通過(guò)埋設(shè)在樁體表面或體內(nèi)的測(cè)試原件應(yīng)變的測(cè)試，從而計(jì)算出樁身軸力以及樁側(cè)摩阻力沿樁身深度方向上的分布情況。目前針對(duì)樁身進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試主要采取電阻應(yīng)變片法[34-35]、滑動(dòng)測(cè)微計(jì)法和光纖光柵測(cè)試技術(shù)等[36-37]。

(1)電阻應(yīng)變片法

根據(jù)粘貼在樁身各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片與樁身共同變形的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)試樁身應(yīng)變計(jì)算出樁身軸力，而樁側(cè)平均摩阻力取樁身兩相臨微段間的軸力差進(jìn)行計(jì)算。

電阻應(yīng)變片法在樁基模型試驗(yàn)中應(yīng)用較廣，但由于此方法受環(huán)境影響大，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致誤差較大，且模型樁制作過(guò)程中以及試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中應(yīng)變片的粘貼效果和引線均會(huì)受到不同程度的影響，故成活率較低，造成數(shù)據(jù)收集不全或精度不準(zhǔn)等問(wèn)題。

(2)滑動(dòng)測(cè)微計(jì)方法

此方法測(cè)試連續(xù)性及精度均優(yōu)于電阻應(yīng)變片方法?；瑒?dòng)測(cè)微計(jì)法測(cè)點(diǎn)多，可以連續(xù)地對(duì)樁身上各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，可以有效地修正零點(diǎn)漂移，適合長(zhǎng)期觀測(cè)同，也可用于爆破開(kāi)挖區(qū)進(jìn)行測(cè)試。這種方法用于試樁的靜載、循環(huán)荷時(shí)測(cè)試可以得出樁端阻力、樁側(cè)摩阻力、各級(jí)荷載下側(cè)摩阻力沿樁身深度變化的連續(xù)分布曲線以及端阻力與側(cè)摩阻力隨荷載變化的曲線等參數(shù)。但樁端阻力和樁側(cè)摩阻力不能直接通過(guò)實(shí)測(cè)應(yīng)變值計(jì)算，必須對(duì)其進(jìn)行平滑處理才可以。

(3)光纖光柵傳感器法

在光纖上連續(xù)刻寫(xiě)光柵串，并與樁身共同受力而將樁身軸力轉(zhuǎn)換成光學(xué)波長(zhǎng)測(cè)量，將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成樁身測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

目前，光纖光柵傳感器被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“光纖機(jī)敏材料”“光纖靈巧結(jié)構(gòu)”的理想測(cè)試器件?？稍?.5MPa水壓中以及強(qiáng)沖擊等惡劣環(huán)境正常工作。此測(cè)試方法應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)豎向循環(huán)荷載下單樁的沉降、承載性能、時(shí)效性開(kāi)展了一些研究，發(fā)展了一些常用的試驗(yàn)測(cè)試方法，產(chǎn)生了一系列富有成效的理論，這些研究顯示了在豎向循環(huán)加載下的樁基承載性能與靜力計(jì)算結(jié)果存在差異。而現(xiàn)有的研究多是針對(duì)建筑工程、海洋工程及廠房荷載進(jìn)行開(kāi)展，對(duì)公路服役期橋梁承受的活載對(duì)樁基礎(chǔ)的作用特性、活載作用頻次、頻率等對(duì)沉降及樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的影響方面的研究幾乎空白。

由于土體以及樁—土間工作特性的隱蔽性，使樁—土間的研究仍然存在許多復(fù)雜的問(wèn)題，亟需對(duì)不同土體中考慮公路橋梁樁基在靜載及活載長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中其承載性能開(kāi)展深入、系統(tǒng)的研究。

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Research Status of the Pile Model Test and Pile Timeliness——Vertical Cyclic Loading

HUJuan1,2HUMinping1

(1.School of Civil Engineering of Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015；2.Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000)

The theoretical research and engineering applications of foundation piles were used more widely today, the paper summed up the findings of the modeling test on pile foundation by the axial cyclic loading in the sand, clay, silt and red clay soil.The results showed that the influences of the pile bearing capacity and the skin friction, were the number of cycles, maximum cyclic load and the cyclic loading rate.Whereas the result is not the same as the foundation soil types and soil parameters are different.The scholars mainly simulated the pile foundation in the sand and clay by the ocean storm loading, however, the studies on the pile foundation in the loess on highway loading were little.The summary of the study on the pile foundation modeling test will provide scientific basis for the study and application of the pile foundation’s capacity and skin friction mechanism under the complicated construction conditions.

Foundation piles; Axial cyclic loading; Modeling test; Research status

浙江樹(shù)人大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(2016R001)，陜西省教育廳項(xiàng)目(15JK1168)，交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2012-319223020)。

胡娟(1976.8- )，女，副教授。

E-mail:hujuane_816@163.com

2016-11-03

TU473.1

A

1004-6135(2017)03-0063-05