張召陽,吳亞平,杜兆金,陳林海,蔣 碩

(1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司,南京 210028； 2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075)

引言

近年來，為了促進(jìn)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國開展了大量的寒區(qū)道路工程建設(shè)，樁基礎(chǔ)因其具有承載力高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在寒區(qū)工程建設(shè)中得到了廣泛采用。樁基礎(chǔ)在正常使用過程中除了受到上部橋梁結(jié)構(gòu)的恒荷載作用，還會受到車輛運(yùn)行帶來的動荷載作用，動荷載作用會使得凍土樁基的力學(xué)特性發(fā)生變化，影響樁基礎(chǔ)的正常使用[1-5]。動載作用下的凍土樁基荷載傳遞函數(shù)對于確定樁基礎(chǔ)的受力狀態(tài)、判斷樁基礎(chǔ)破壞模式以及指導(dǎo)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)具有重大意義。

目前國內(nèi)外科研工作者對凍土樁基的力學(xué)特性做了諸多相關(guān)研究，并開展了一系列的現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)研究工作，取得了較為豐碩的相關(guān)研究成果[6-9]。其中YANG[10]利用靜荷載試驗(yàn)，研究了單樁在泥質(zhì)粉砂巖層中承載力大小的問題，并對其適用范圍作了詳細(xì)闡述。KESETE[11]分析了不同土壤層中豎向靜載作用對單樁沉降規(guī)律的影響機(jī)理，得到了均質(zhì)土層與組合土層中樁基的沉降特性變化規(guī)律。YOU[12]根據(jù)青藏鐵路某旱橋樁基的長期現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行分析，得到地下水熱效應(yīng)是凍土樁基沉降的主要原因并揭示了凍土樁基的破壞機(jī)理。PETR[13]根據(jù)蠕變-松弛狀態(tài)下的凍土長期強(qiáng)度計(jì)算方法，同時考慮凍土樁基的相似參數(shù)，提出了一種可以測試不同負(fù)溫條件下凍土樁基承載力的方法。王海新[14]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對凍土樁基施加水平荷載，通過模擬不同的凍土溫度及上層融土環(huán)境來研究凍土樁基的水平承載性能。劉亞尊[15]利用熱敏電阻模擬樁側(cè)熱源對室內(nèi)凍土模型樁基進(jìn)行分級加載，分析了靜荷載下的凍土樁基在有無熱源存在時樁土流變效應(yīng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凍土的流變效應(yīng)會導(dǎo)致樁基極限承載力降低。吳亞平等[16]通過對室內(nèi)凍土樁基采用不同的加載方式，在充分考慮凍土流變性的情況下，以傳統(tǒng)的S-P曲線為基礎(chǔ)，提出采用S-P-T三維曲線來確定凍土樁基極限承載力的準(zhǔn)則。謝長群[17]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了模型樁在不同的溫度、荷載幅值及動載頻率條件下的流變效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著時間的變化，樁身軸力、樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力、樁頂位移的發(fā)展趨勢大致相同。蔣碩[18]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用地下水管模擬凍土樁基的水熱效應(yīng)，對模型樁施加正弦式循環(huán)動荷載，發(fā)現(xiàn)地下水熱效應(yīng)使得樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力減小，單樁承載力極限值隨著動荷載頻率的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，對于樁土體系穩(wěn)定之后的樁基力學(xué)特性未做研究。吳亞平等[19]通過室內(nèi)凍土-鋼管樁靜載試驗(yàn)，研究了靜載作用下的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力及樁端阻力與樁土相對位移之間的關(guān)系，分析得出鋼管樁的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力傳遞函數(shù)曲線大致呈拋物線。吳志堅(jiān)等[20]通過對凍土橋梁樁基進(jìn)行現(xiàn)場強(qiáng)振動測試，并分析了加速度響應(yīng)及傅里葉譜響應(yīng)，結(jié)果表明機(jī)車振動在橋梁樁基上的傳遞具有明顯的衰減效應(yīng)。吳亞平[21]等人通過室內(nèi)混凝土模型樁試驗(yàn)得到了循環(huán)荷載下影響樁土流變效應(yīng)的因素，并且分析了凍土溫度的變化對樁基承載特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力減小，樁土體系趨于穩(wěn)定的時間變長。吳亞平等[22]利用室內(nèi)混凝土模型試驗(yàn)，在考慮樁底水的影響下，對樁基逐級加載，發(fā)現(xiàn)樁底水加大了樁-凍土的流變效應(yīng)，并且得到了樁身切向應(yīng)力傳遞函數(shù)曲線以及樁端阻力傳遞函數(shù)曲線，對于循環(huán)動荷載下的凍土樁基傳遞函數(shù)未做研究。

以往對于凍土樁基的相關(guān)研究主要集中在樁土的回凍及流變特性和靜荷載下的樁基傳遞函數(shù)及承載力等方面[23-28]，目前尚未見到動荷載作用下的凍土樁基傳遞函數(shù)方面的研究。本次試驗(yàn)在以往研究的基礎(chǔ)上，模擬靜載及動載的共同作用，對考慮動荷載作用下的凍土樁基傳遞函數(shù)及其動載影響系數(shù)進(jìn)行了研究，研究成果可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

試驗(yàn)采用的是現(xiàn)澆鋼筋混凝土單樁模型，其長度L=400 mm，直徑D=45 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，彈性模量E=3.0×104MPa，選用2根直徑均為6 mm、長度為360 mm的Q235鋼筋編制鋼筋骨架。根據(jù)試驗(yàn)要求需要測試樁身應(yīng)變，由于鋼筋與應(yīng)變片的粘結(jié)性好，本次試驗(yàn)是把應(yīng)變片粘貼到模型樁埋置的鋼筋上，首先用銼刀在鋼筋上的應(yīng)變片布置點(diǎn)處銼出一個尺寸略大于應(yīng)變片的矩形平臺，其長邊與鋼筋軸向平行，然后將應(yīng)變片用強(qiáng)力膠水粘貼到平臺上，應(yīng)變片粘貼方向?yàn)殚L邊平行鋼筋軸向，鋼筋骨架和樁身混凝土可近似視為共同受力和變形，此應(yīng)變片可測量模型樁軸向方向的應(yīng)變。

根據(jù)模型樁身長度，從鋼筋骨架一端開始，每根鋼筋的底端處作為第一處應(yīng)變片布置點(diǎn)，每向上間隔60 mm為一處應(yīng)變片布置點(diǎn)，每根鋼筋共布置6處應(yīng)變片粘貼點(diǎn)，2根鋼筋上相同位置布置的應(yīng)變片為一組，同時，在樁外露部分對稱粘貼一組應(yīng)變片，從第1處至第7處依次進(jìn)行編號，制作完成的鋼筋骨架如圖1所示，帶有鐵環(huán)的一端為樁底。

圖1 制作完成的鋼筋骨架

試驗(yàn)中所用模型鐵桶尺寸為：高430 mm，直徑280 mm。試驗(yàn)用土為蘭州地區(qū)Q3黃土，該種黃土最大干密度1.65 g/cm3，液限24.6%，塑限17.7%，其顆粒組成見表1，土層壓實(shí)后的密度為2.17 g/cm3。凍土具有高含冰量的特點(diǎn)，在室溫環(huán)境下其含水率一般在20%左右，因此，將本試驗(yàn)的樁土模型室溫拌制含水率設(shè)置為20%。

表1 試驗(yàn)用土顆粒組成

將取回的黃土晾曬之后，按照上述參數(shù)加水拌和，將拌和均勻的土體分層填筑于試驗(yàn)桶內(nèi)，每一層填筑高度約為50 mm，根據(jù)要求分層壓實(shí)，填筑高度距桶底100 mm時在試驗(yàn)桶中心放入制作好的混凝土樁，將填筑好的樁土模型置于低溫冷凍箱中冷凍72 h。本次試驗(yàn)的樁土模型示意如圖2所示，考慮到青藏公路沿線高溫凍土與低溫凍土的界限為-1.5 ℃，為了更好地模擬高溫凍土環(huán)境，將凍土溫度控制在-1 ℃。

圖2 樁土模型示意(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)裝置的制備

模型試驗(yàn)采用MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)，可選擇負(fù)荷、頻率等多種加載形式進(jìn)行控制，并能保證0.2%的速度精度。所用DH3817動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)具有邊采樣、邊存盤等功能，其自動平衡范圍可達(dá)±10 000 με(即應(yīng)變計(jì)阻值的±1%)，能滿足試驗(yàn)測試的精度要求。樁頂位移數(shù)據(jù)的采集，使用GHSI750-4-20mA位移傳感器，其能夠利用最小平方法求出最佳直線，最大線性誤差為滿量程輸出的±0.1%，因此具有精度高、可連續(xù)測量的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)車輛速度、軸重、路面平順性、面層剛度、面層平整度、基層強(qiáng)度等因素分析，車輛對路面產(chǎn)生的荷載變化可近似看作穩(wěn)態(tài)正弦波振動，模型試驗(yàn)所施加的動荷載為正弦波荷載，是因?yàn)橹芷谛宰兓暮瘮?shù)可以通過傅里葉變換來變成正弦波函數(shù)，所以正弦波函數(shù)具有很強(qiáng)的代表性，正弦式動荷載加載示意如圖3所示。

圖3 正弦式動荷載

樁體施加的外荷載可表示為

(1)

根據(jù)《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于樁基靜載荷試驗(yàn)的要求，分級加載時，第一級荷載宜為預(yù)估極限荷載的25%，每級加載值可為預(yù)估極限荷載的15%，根據(jù)本次混凝土模型樁的材料參數(shù)以及以往相關(guān)凍土樁基的研究成果，預(yù)估該模型樁的極限荷載為6 kN左右，因此在分級加載試驗(yàn)中，加載等級可設(shè)置為1.5，2.5，3.5，4.5，5.5，6.5 kN。在本次室內(nèi)試驗(yàn)中，動荷載參數(shù)P1及P2可參考樁基靜載荷分級加載試驗(yàn)確定。

P(f，t)=P0+Pdsin(2πft)

(2)

式中，f為正弦波荷載頻率；P0為恒荷載；Pd為動荷載幅值。在本次模型試驗(yàn)中P0分別取2.0，2.5，3.0 kN，Pd=0.5 kN，規(guī)定荷載方向向下時為正。由于車輛在行駛過程中傳遞到樁基上動載的頻率在3 Hz左右，本次試驗(yàn)中動荷載加載頻率設(shè)置為0，2，4，6，8，10 Hz。

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)共6組加載工況，每組工況根據(jù)恒荷載大小不同分3次加載試驗(yàn)，當(dāng)動載頻率f=0時，外荷載取P(t)=P0+Pd，加載方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)加載方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動荷載對樁頂位移的影響

圖4 樁頂位移隨時間的變化曲線

圖5 穩(wěn)定后的樁頂位移-頻率變化曲線

由圖4可知，在動載作用下，樁頂位移在荷載施加的初始階段增加較大，隨著時間的推移，樁頂位移增加的趨勢變緩，最后趨于穩(wěn)定。在同一頻率的動載作用下，隨著恒荷載的增大，樁頂位移增大。在同一恒荷載作用下，隨著動載頻率的增大，穩(wěn)定后的樁頂位移減小，說明低頻動荷載對樁基沉降的影響較大，在車輛行駛過程中應(yīng)盡量避免低頻動荷載的情況。在不同恒荷載作用下，隨著動載頻率的增大，頻率對樁頂位移的影響程度增大。在同一頻率的動荷載作用下，隨著恒荷載的增大，恒荷載對樁頂位移的影響程度減弱。

2.2 動荷載對樁土相對位移的影響

在動荷載作用下，凍土樁基傳遞函數(shù)與樁土相對位移密不可分，研究樁土相對位移沿樁體埋深的分布曲線函數(shù)尤其重要。任意時刻t，任意埋深z處樁土相對位移Sa(z，t)可由樁頂位移S(t)，樁周土層位移Sc(z，t)，樁身壓縮量SP(z，t)表示，樁土相對位移公式為

Sa(z，t)=S(t)-Sp(z，t)-Sc(z，t)

(3)

式中，S(t)與Sc(z，t)由位移傳感器測得，經(jīng)測試，任意時刻，任意埋深處樁身壓縮量可表示為

(4)

式中，ε0為露出土體部分樁段校正后的樁身應(yīng)變；l0為露出土體的樁長部分。由圖4可見，當(dāng)時間大于12 h后，樁頂位移趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定后，對荷載作用下產(chǎn)生的樁土相對位移取相應(yīng)時間段內(nèi)的平均值，按照應(yīng)變片的分布將樁體分段分析，任意時刻第zi截面處樁身壓縮量公式可表示為

(5)

式中，zi為埋入凍土內(nèi)的樁體第i截面的坐標(biāo)值；Δli=zi-zi-1；εi為樁體第i截面的應(yīng)變；k為第zi截面所包含的分段數(shù)。樁土體系穩(wěn)定后的樁土相對位移可表示為

(6)

根據(jù)樁頂受力特點(diǎn)，并忽略露出土體樁長部分的彈性壓縮量，可得其邊界條件為

(7)

圖6 動荷載對樁土相對位移的影響

由圖6可知，樁體在動荷載作用下，樁土相對位移沿埋深的變化呈現(xiàn)為1/4正弦波長規(guī)律，如圖7所示。在樁土體系穩(wěn)定后的某一時刻樁土相對位移沿埋深的變化可表示為

(8)

(9)

圖7 樁土相對位移沿埋深變化的模擬曲線

由式(9)與邊界條件(7)可得

(10)

由以上公式推導(dǎo)可得樁土相對位移公式的表達(dá)式為

(11)

(12)

2.3 動荷載對樁身軸力與樁端阻力的影響

在本次室內(nèi)模型試驗(yàn)中，樁身軸力取樁土體系穩(wěn)定后的軸力值，根據(jù)材料力學(xué)知識，樁身軸力可表示為

(13)

當(dāng)Z=l時，可得樁端阻力，利用測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)可計(jì)算出樁身軸力沿樁深的變化曲線，如圖8所示。

圖8 動荷載對樁身軸力的影響

由圖8可知，在動荷載作用下，樁身軸力隨著樁體埋深的增加逐漸減小，最終在樁底趨于穩(wěn)定，樁體埋深在100～200 mm的樁身軸力衰減速度最快。在同一恒荷載作用下，隨著動載頻率的增大，樁體同一埋深處的樁身軸力減小，樁端阻力減小，根據(jù)圖9可知，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力發(fā)揮更加充分。在同一頻率動載作用下，隨著恒荷載的增大，樁體在同一埋深處的樁身軸力增大，樁端阻力增大，隨樁體埋深的增加，恒荷載對樁身軸力的影響程度減弱。

圖9 模型樁受力示意

2.4 動荷載作用下樁基傳遞函數(shù)

設(shè)樁的質(zhì)量為m，由圖9所示的模型樁的動平衡條件可得樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力q(z，f，t)的計(jì)算公式為

(14)

由公式(11)可知

(15)

樁土體系穩(wěn)定后的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力為

(16)

為了計(jì)算簡便，按動力影響最大考慮，式(16)可簡化為

(17)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(17)繪制出樁土體系穩(wěn)定后的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力沿樁身的變化曲線，如圖10所示。

圖10 動荷載對樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力的影響

由圖10可知，在動載作用下，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力沿樁身先增大后減小，基本呈現(xiàn)一個“D”字形，在樁體埋深1/2處達(dá)到最大值，在樁體兩端趨于一致，隨著動載頻率的增大，樁體同一埋深處的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力增大。隨著恒荷載的增大，樁體同一埋深處的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力增大，在埋深為150～200 mm的樁體部位，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力的差異最大。

由式(12)及式(17)聯(lián)立可得樁體任一埋深zi處的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力傳遞函數(shù)

(18)

圖11 樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力傳遞曲線

2.5 傳遞函數(shù)的動載影響系數(shù)

由式(18)可知，動荷載對樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力的影響不能忽視，目前在樁基的設(shè)計(jì)及使用過程中都沒有考慮動荷載的影響，導(dǎo)致所得出的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力偏小，在一定動載頻率條件下，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力可能會突破凍結(jié)強(qiáng)度使樁基破壞，為此定義樁體任一埋深zi處的動荷載影響系數(shù)

(19)

由式(18)及式(19)可得

(20)

圖12 動荷載影響系數(shù)隨動載頻率的變化

車輛傳到樁基上動載的主要頻率與車速、路況及橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在1～3 Hz之間[29]，從圖12可見，當(dāng)f=2 Hz時，η沿埋深變化的最大值可接近2，平均也可達(dá)到1.5左右，說明在傳遞函數(shù)中考慮動載的影響是十分必要的。在工程建設(shè)過程中，可根據(jù)動荷載影響系數(shù)計(jì)算動荷載下的樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力，為凍土樁基強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)在動荷載作用下，隨著動載頻率的增大，樁頂位移、樁土相對位移、樁身軸力以及樁端阻力減小，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力增大。

(2)在不同恒荷載作用下，隨著動載頻率的增大，頻率對樁頂位移的影響程度增大。在同一頻率的動荷載作用下，隨著恒荷載的增大，恒荷載對樁頂位移的影響程度減弱。

(3)在動荷載作用下，樁身軸力與樁土相對位移沿樁深逐漸減小，樁土相對位移沿樁深的變化曲線為1/4正弦波長，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力沿樁深先增大后減小，在樁體埋深150 mm達(dá)到最大值。

(4)在動荷載作用下，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力沿樁深的傳遞函數(shù)可表示為樁土相對位移與動載頻率的函數(shù)，在樁基給定埋深處，樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力隨頻率與樁土相對位移的增大呈現(xiàn)上升趨勢。

(5)凍土樁基傳遞函數(shù)的動荷載系數(shù)可有效反映動載對凍土樁基凍結(jié)應(yīng)力的影響，而且這種影響隨著動載在總荷載中的占比及頻率的增大而增大，必須在設(shè)計(jì)中給以考慮。