劉建磊

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國交通工程的發(fā)展，對橋梁的養(yǎng)護、病害診斷、加固維修的需求日益增加且逐年增長。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)檢測方法無法辨別其病害位置和病害程度，定量計算橋墩基礎(chǔ)的承載能力亦更加困難。對于服役橋墩基礎(chǔ)，動測法是評估其狀態(tài)的重要手段。低應(yīng)變動測方法通常用于檢查樁基礎(chǔ)的完整性[1-3]，而通過機械阻抗法并借助動剛度指標在一定程度上可以評估樁基礎(chǔ)的承載能力[4]。羊建勛[5]根據(jù)基樁振動彈性模型和模態(tài)分析理論，提出了適用于不同條件下瞬態(tài)激勵時的3種 確定樁土系統(tǒng)等效剛度的方法。趙志淵等[6]通過對基樁動力學(xué)特性的討論，提出了根據(jù)速度導(dǎo)納曲線提取相關(guān)信息并進行靜剛度計算的基本理論和方法，給出了估算單樁承載力的簡化計算公式。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)計分析了動剛度與承載能力的相關(guān)性。上述研究主要針對樁基礎(chǔ)開展，而對于其他橋墩基礎(chǔ)形式，能否借鑒機械阻抗法進行動力測試，評估基礎(chǔ)狀態(tài)尚待研究。本文通過室內(nèi)模型試驗，進行瞬態(tài)機械阻抗法測試和靜載試驗，分析對于不同基礎(chǔ)形式，動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)動剛度與靜剛度的關(guān)系。

1 試驗概況

針對鐵路橋墩常用的群樁承臺基礎(chǔ)、擴大基礎(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個模型，其中：對于擴大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)，每種基礎(chǔ)形式澆筑大、小2個模型作為對比；對于樁基礎(chǔ)分別澆筑雙樁、四樁，樁長在1.0～1.4 m間的4個模型基礎(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)

試驗時，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的細砂土。測試動剛度時，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。試驗包括動剛度測試和靜載試驗2部分內(nèi)容。動剛度測試采用瞬態(tài)機械阻抗法。動剛度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 機械阻抗法測試

2.1 擴大基礎(chǔ)

圖3為2種尺寸擴大基礎(chǔ)動剛度對比。由圖可知，頻率為0處動剛度值為0；在10～50 Hz動剛度曲線是斜率較小的一段斜線；大于50 Hz動剛度曲線斜率逐漸增大，動剛度值急劇增大。動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處的動剛度值進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1?？芍?，在上述頻率處大擴大基礎(chǔ)動剛度值為小擴大基礎(chǔ)動剛度值的1.6～1.7倍，而大擴大基礎(chǔ)與小擴大基礎(chǔ)的底面積之比為0.64/0.36=1.78，接近大擴大基礎(chǔ)與小擴大基礎(chǔ)間的動剛度比值。因此，可以初步判斷動剛度與基礎(chǔ)承載狀態(tài)、靜剛度間存在相關(guān)性。

圖3 2種尺寸擴大基礎(chǔ)動剛度對比

基礎(chǔ)類型動剛度/(107 N/m)20 Hz30 Hz40 Hz50 Hz小擴大基礎(chǔ)2.262.603.033.67大擴大基礎(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)動剛度曲線(見圖4)與擴大基礎(chǔ)動剛度曲線類似，體積較大的模型基礎(chǔ)動剛度值也較大。對不同尺寸沉井基礎(chǔ)動剛度測試結(jié)果進行分析，選擇低頻段對動剛度值進行統(tǒng)計計算，結(jié)果見表2。大沉井基礎(chǔ)的動剛度值為小沉井基礎(chǔ)動剛度值的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)動剛度對比

基礎(chǔ)類型動剛度(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)測試了如圖2所示的4種模型，分別簡寫為2×1.3 m,4×1.0 m,4×1.3 m和4×1.4 m。測得的動剛度如圖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)動剛度值進行分析，動剛度值與不同基礎(chǔ)的樁長存在一定的相關(guān)性?；A(chǔ)基樁數(shù)目越多，動剛度越大。在基礎(chǔ)基樁數(shù)目相同的情況下，基樁越長，動剛度越大。

圖5 4種群樁基礎(chǔ)動剛度對比

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)的動剛度值進行分析，動剛度與樁長的關(guān)系見圖6。在20,30,40,50 Hz處不同基礎(chǔ)的動剛度值隨樁長的增加均呈現(xiàn)增大的趨勢，且基本呈線性相關(guān)。

圖6 群樁基礎(chǔ)動剛度與樁長的關(guān)系

3 靜載試驗

靜載加載設(shè)備借助實驗室內(nèi)疲勞試驗機架作為反力架，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，加載時采用10 t手搖式千斤頂進行加載，如圖7所示。

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

圖7 靜載試驗示意(單位：cm)

圖8 不同類型基礎(chǔ)的靜載試驗P-S曲線

不同類型基礎(chǔ)的靜載試驗荷載-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值較大，即靜剛度較大。此外，擴大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)P-S曲線中拐點的位置相應(yīng)的容許承載力也較大。以上兩點均與模型基礎(chǔ)的設(shè)計尺寸和實際情況相吻合。

選擇各基礎(chǔ)P-S曲線中直線段的數(shù)據(jù)點進行直線擬合，以獲得各試驗基礎(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

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

分別按基礎(chǔ)類型將靜剛度、動剛度(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)、擴大基礎(chǔ)隨基礎(chǔ)尺寸的變化靜剛度與動剛度的變化率基本一致，即擴大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)的動剛度與靜剛度間的對比系數(shù)基本恒定。隨著樁基礎(chǔ)樁長的增加動剛度與靜剛度均呈現(xiàn)增加的趨勢，動剛度比靜剛度增加得快。造成該現(xiàn)象的原因可能為：在進行縮尺試驗時，試驗砂池深度有限，為1.5 m，隨著樁基礎(chǔ)樁長的增加，樁底砂土厚度逐漸減小，對樁基礎(chǔ)的支撐作用增強。

圖10 不同類型基礎(chǔ)動、靜剛度對比

4 結(jié)論

通過縮尺模型試驗對不同形式橋墩基礎(chǔ)進行了動剛度測試和靜載試驗。主要結(jié)論如下：

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

2)在樁長相同的情況下，基樁數(shù)目越多基礎(chǔ)動剛度越大。

3)擴大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)動剛度與靜剛度的對比系數(shù)隨基礎(chǔ)尺寸的變化基本保持穩(wěn)定。

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