代邢可， 陳水月

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266033）

0 引言

鉆孔嵌巖鋼管樁在近海條件下的承載力預(yù)測(cè)，特別是在水平循環(huán)荷載作用下的水下嵌巖樁的承載力預(yù)測(cè)，已引起我國(guó)近海工程人員的高度重視。鉆孔鋼管樁的施工方法有3種［1］，其中套筒打樁的方法最為常用。首先將鋼護(hù)筒打至巖層表面，在護(hù)筒內(nèi)下鉆機(jī)，鉆至設(shè)計(jì)底標(biāo)高處，此后將鉆機(jī)取出并將單樁放入鉆好的鉆孔內(nèi)；再次，在樁外側(cè)及鋼護(hù)筒之間灌注混凝土；最后，將鋼護(hù)筒拔出。鉆孔嵌巖鋼管樁在海上工程中施工比其他樁更方便，鋼管與混凝土之間的協(xié)同作用使其具有較高的承載力和良好的抗彎性能。

由于海洋環(huán)境惡劣、施工工藝復(fù)雜、平臺(tái)水平荷載大，水下嵌巖樁在水平荷載作用下的受力機(jī)理一直是海洋工程工作者研究的重點(diǎn)。在文獻(xiàn)中有大量關(guān)于水平荷載嵌巖樁的研究。其中，Reese［2］通過考慮p-y曲線的非線性特征和樁的抗彎剛度，對(duì)單樁的p-y分析方法進(jìn)行了擴(kuò)展。LEBLANCC等［3］建立了樁頂水平循環(huán)累積轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)模型。這些方法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)被應(yīng)用于分析支撐海洋和民用結(jié)構(gòu)的樁側(cè)承載力，如港口（Kim et al.［4］）和橋梁（Zhang et al［5］）。上述研究均集中在水平荷載嵌巖樁承載預(yù)測(cè)上。到目前為止，大直徑嵌巖樁的受力性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究較少，特別是對(duì)橫向循環(huán)荷載作用下的水下嵌巖鋼管樁的受力性能現(xiàn)場(chǎng)研究手段更少（Kwon，et al［6］；Na and Kundu［7］）。

文中以青島市嶗山區(qū)為研究對(duì)象，利用新型加載和監(jiān)測(cè)裝置對(duì)鉆孔嵌巖鋼管樁在水平循環(huán)荷載作用下的變形特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究。

1 試驗(yàn)情況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

場(chǎng)地介紹試驗(yàn)位于山東省青島市嶗山區(qū)某工地，場(chǎng)區(qū)地層由第四系和基巖組成。地下水類型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，水力性質(zhì)均屬于潛水。

該地區(qū)地層結(jié)構(gòu)組成與濱海地層條件相同，采用海洋單樁基礎(chǔ)施工方案，在地面預(yù)鉆好直徑180mm、深度為4m深的鉆孔。在鉆孔內(nèi)注滿混凝土并將樁體垂直靜壓置入，養(yǎng)護(hù)30d后進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)，樁體周圍巖層條件可分4層。

（1）填土層，由破碎花崗巖粒密實(shí)整平形成，黃色中致密，細(xì)粒厚度約0.5m。

（2）花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶，厚度0.5～1.2m褐黃色～肉紅色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，礦物蝕變強(qiáng)烈，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈砂土狀。地基承載力特征值fak=1000kPa，變形模量E0=40MPa。

（3）花崗巖中等風(fēng)化帶，厚度1.5～2.7m肉紅色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石及云母，節(jié)理裂隙較發(fā)育。地基承載力特征值fa=2500kPa，彈性模量E=15×103MPa。

（4）花崗巖微風(fēng)化帶，肉紅色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石及云母，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，地基承載力特征值fa=5000kPa，彈性模量E=25×103MPa。

傳感器布置位置與地層相對(duì)關(guān)系見圖1，樁身每隔0.5m布置一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 傳感器布置與地層相對(duì)關(guān)系

1.2 模型樁參數(shù)

為模擬海洋樁基承載特性，故采用海洋樁基最常用的鋼管樁。試驗(yàn)樁直徑146mm，壁厚5mm，長(zhǎng)5m。鋼管強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼管樁材料參數(shù)

1.3 加載裝置

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的樁頂水平循環(huán)荷載施加裝置，加速模擬試驗(yàn)樁基在水平循環(huán)荷載下長(zhǎng)周期演化特征。裝置基本原理是通過轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)其上遠(yuǎn)離圓心的質(zhì)量塊做快速繞心轉(zhuǎn)動(dòng)，讓圓盤上的質(zhì)量塊產(chǎn)生一個(gè)與質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量m、運(yùn)動(dòng)半徑r及勻速圓周運(yùn)動(dòng)角速度ω相關(guān)的離心力Fn如圖2所示，轉(zhuǎn)盤每?jī)蓚€(gè)為一組相互抵消x方向合力，僅留下y方向且加載大小呈正弦波動(dòng)的荷載，式（1）、式（2）分別為x、y方向的力。

圖2 加載裝置基本原理

圖3為加載裝置實(shí)物圖，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速率以及質(zhì)量塊密度使裝置能夠?qū)崿F(xiàn)荷載幅值精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，并在裝置底部安裝懸臂式稱重傳感器實(shí)現(xiàn)了加載的實(shí)時(shí)檢測(cè)。與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)千斤頂加載方式相比，裝置拆裝簡(jiǎn)易、自重較小，簡(jiǎn)化了加載過程中的人為操作。且自動(dòng)化程度高，降低了人工成本，也避免了試驗(yàn)對(duì)反力樁的破壞，極大的降低了施工成本。

圖3 樁頂水平循環(huán)荷載施加裝置

1.4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

因裝置本身加載頻率遠(yuǎn)高于經(jīng)典加載方式，便要求采集設(shè)備具有超高動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)掃描頻率，固有位移計(jì)+滑動(dòng)式測(cè)斜儀采集方式無法滿足試驗(yàn)需求。試驗(yàn)將革新數(shù)據(jù)采集技術(shù)，運(yùn)用國(guó)際領(lǐng)先手段創(chuàng)新監(jiān)測(cè)方案。

樁頭布置監(jiān)測(cè)頻率可達(dá)500Hz的自動(dòng)化激光位移傳感器，采集加載處水平位移數(shù)據(jù)，高頻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁頂位移過程。

樁身內(nèi)部安裝圖4所示新型樁身形變測(cè)斜儀，該設(shè)備以iFEM方法為基本理論［8］，結(jié)合位移重構(gòu)算法與逆有限元法推算樁身位移數(shù)據(jù)。算法基本思想：首先將結(jié)構(gòu)離散化分為若干個(gè)單元，在每個(gè)單元內(nèi)基于形函數(shù)和節(jié)點(diǎn)位移建立截面應(yīng)變的理論值。利用表面粘貼或內(nèi)部埋入被測(cè)結(jié)構(gòu)主體的傳感器系統(tǒng)獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息，基于平面或空間應(yīng)變狀態(tài)理論建立截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值?；诮孛鎽?yīng)變理論值和實(shí)測(cè)值建立加權(quán)最小二乘泛函，并應(yīng)用變分法求解泛函極值，實(shí)現(xiàn)單元節(jié)點(diǎn)位移向量求解，結(jié)合單元內(nèi)部形函數(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)全域位移場(chǎng)重構(gòu)，采集頻率可高達(dá)1000Hz。并將逆有限元算法作為子VI嵌入光纖光柵解調(diào)程序中，實(shí)現(xiàn)樁基應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及水平位移的可視化讀取。

圖4 新型樁身形變測(cè)斜儀

1.5 試驗(yàn)方案

圖5為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁布置，三根樁呈三角形布置，樁心間距1.5m，1#反力樁埋深6m，為實(shí)心鋼管混凝土樁，淺層地表裙式加固。其余各樁皆為直徑146mm空心鋼管樁。由于樁心距大于樁徑十倍以上，可忽略群樁效應(yīng)，所有試驗(yàn)樁皆認(rèn)為是單樁。以1#樁為反力樁對(duì)3#樁進(jìn)行水平單調(diào)加載試驗(yàn)，采用《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》［9］中要求的單向單循環(huán)水平維持荷載法進(jìn)行測(cè)試。2#試驗(yàn)樁進(jìn)行3000次1.5kN單軸雙向循環(huán)荷載試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加載穩(wěn)定性驗(yàn)證

為驗(yàn)證加載裝置穩(wěn)定性，將水平循環(huán)加載裝置拼裝在2#試驗(yàn)樁樁頂，調(diào)節(jié)荷載預(yù)設(shè)值H=1.5kN，加載時(shí)間t=40min，加載頻率4Hz，共計(jì)循環(huán)N=10000次。

圖6為懸臂式稱重傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，從圖中看出在整個(gè)試驗(yàn)過程中加載值Hmax維持在1.5kN，加載形式與設(shè)計(jì)構(gòu)想相同呈穩(wěn)定的正弦波長(zhǎng)，加載循環(huán)總數(shù)經(jīng)軟件計(jì)數(shù)與人工核實(shí)后證明長(zhǎng)時(shí)間加載不會(huì)引起其加載頻率變化，裝置加載穩(wěn)定性得以確認(rèn)。

圖6 懸臂式稱重傳感器數(shù)據(jù)

2.2 加載準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為方便對(duì)比，分別采取2#試驗(yàn)樁循環(huán)次數(shù)N=1內(nèi)的荷載位移曲線與3#試驗(yàn)樁單調(diào)加載荷載位移曲線比較，對(duì)比結(jié)果如圖7所示，兩根試驗(yàn)樁曲線特征基本重合。兩試驗(yàn)樁設(shè)置條件相同即水平靜剛度Kh相同的情況下根據(jù)式（3）：

式中，Ht與Yt分別為樁所受水平荷載與樁的水平變形。受力平衡與變形關(guān)系推導(dǎo)，計(jì)算出裝置實(shí)際荷載輸出值與預(yù)設(shè)值相同，加載裝置準(zhǔn)確性得以驗(yàn)證。

圖7 循環(huán)加載與單調(diào)加載荷載位移曲線

2.3 樁頂循環(huán)位移數(shù)據(jù)與剛度弱化分析

分析樁側(cè)循環(huán)剛度變化趨勢(shì)，能夠更直觀呈現(xiàn)出樁側(cè)巖土體變形特征，采用如圖8所示的循環(huán)荷載與變形增量模式，根據(jù)樁頂位移與加載幅值探究單樁水平循環(huán)剛度khN變化：

式中，Hmax、Hmin分別為循環(huán)荷載最大值與最小值；yNmax、yNmin分別為第N次循環(huán)加載時(shí)的最大累積位移及最小累積位移。通過式（4）計(jì)算得到循環(huán)加載下嵌巖單樁水平循環(huán)剛度見圖9。嵌巖單樁水平循環(huán)剛度弱化特性類似于砂土單樁，隨著循環(huán)累積單樁水平循環(huán)剛度逐漸減小，循環(huán)加載導(dǎo)致單樁剛度持續(xù)性弱化，而弱化集中表現(xiàn)在前150次循環(huán)內(nèi)。

圖8 水平循環(huán)剛度計(jì)算方法

圖9 樁頂位移與循環(huán)剛度隨加載次數(shù)變化曲線

圖9中灰線為試驗(yàn)樁樁頂水平循環(huán)位移試驗(yàn)結(jié)果，其中y為樁頂水平位移幅值，N為循環(huán)次數(shù)，在加載幅值Hmax=1.5kN時(shí)y150/y3000達(dá)到90.7%。由圖可見，不同荷載位移幅值下樁頂水平循環(huán)位移幅值隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)兩階段變化特征，位移幅值增長(zhǎng)速率在第一階段內(nèi)急速增快，隨后第二階段內(nèi)趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)緩慢，第一階段為位移累計(jì)主要階段，集中在前150次循環(huán)以內(nèi)。據(jù)Chen等［10］以往對(duì)嵌巖樁研究發(fā)現(xiàn)，嵌巖樁水平循環(huán)位移變形主要集中在巖層上部砂石層，其變形特征與砂土單元在循環(huán)荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)特征密切相關(guān)。趙彥平［11］在砂土累計(jì)變形動(dòng)力三軸試驗(yàn)中也提到砂土循環(huán)累計(jì)應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化呈兩個(gè)階段，前期變形增長(zhǎng)速率明顯大于后期，此細(xì)觀響應(yīng)正驗(yàn)證了宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象。

2.4 樁身循環(huán)位移數(shù)據(jù)分析

圖10為2#試驗(yàn)樁樁身位移隨循環(huán)累積變化曲線。Z為樁身埋置深度，可以看出，樁身位移累積特征與樁頂?shù)南嗤?，位移累積主要集中在前1000次循環(huán)內(nèi)，且位移集中在巖層上部覆土部分。在埋深Z=1.7m土巖交界面處樁身位移產(chǎn)生較大的突變，隨著循環(huán)的進(jìn)行，樁身的最大彎曲點(diǎn)在逐漸的下移并越來越不明顯，說明嵌巖樁在循環(huán)荷載作用下土巖交界處產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的疲勞破壞。

圖10 樁身水平位移幅值

3 結(jié)語

（1）首次將以iFEM為基本理論的新型樁身形變傳感器與現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)相結(jié)合，成功取得了高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）自主創(chuàng)新研發(fā)了樁頂水平循環(huán)荷載施加裝置，并在試驗(yàn)過程中驗(yàn)證了裝置的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，增添了基礎(chǔ)水平承載力測(cè)試新方法。

（3）鉆孔嵌巖鋼管樁在水平循環(huán)荷載情況下其樁頂位移累積與剛度弱化主要集中于前150次循環(huán)，后續(xù)累積仍在持續(xù)卻極為緩慢。

（4）樁身變形主要發(fā)生在巖層上部覆土部分，土-巖交界面受疲勞特性影響尤為突出。