水平周期荷载作用下支盘桩受力性状的模型试验_高笑娟.pdf

第43卷第3期 2015年6月 文章编号I001-1986201503-0072-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY pile with plate and branch; model test; bearing behavior; loading台equency 近些年来，随着跨海大桥、外海开敞式码头和 海上采油平台的不断兴建，导致桩基不可避免地承 受动力荷载的作用。例如地震作用、汽车制动力、 风力、波浪、潮流、轮船及河流漂浮物的作用等。 所以水平荷载作用下桩基的研究日趋迫切，而在水 平动力及循环载荷作用下的桩土相互作用性能也引 起了工程技术研究人员的重视［1-2］。王富强等［3］采用 离心模型试验方法研究了水平循环荷载作用下桩和 土体之间的相互作用；金伟良等［4］对水平循环荷载下 基桩的动力特性进行了数值模拟分析；汪传顺等［5］对 收稿日期2013-11-08 基金项目河南省教育厅课题。0108560005 水平循环荷载作用下桩土的相互作用进行了细致的 研究。然而水平荷载作用下桩的工作性状十分复杂， 尤其横向动力载荷作用下，现有理论很难确切反映 桩－土相互作用的实际情况［6］。一方面是岩土本身力 学行为的复杂性和离散性，另一方面影响岩土工程 性质的因素的多样性［7］。支盘桩自从出现以来，由 于其优良的承载性能在工程中得到了广泛的应用。 但是由于承力盘或者分支的存在，使桩－土之间的相 互作用研究起来更为复杂。随着支盘桩在工程中的 应用越来越多，上述的荷载类型也将在工程中遇到， 作者简介高笑娟1973一），女，河南惺师人，博士，副教授，从事岩土工程方面的教学和科研工作． E-mail gaoxjly 引用格式高笑娟，李跃辉，吕冰，等．水平周期荷载作用下支盘桩受力性状的模型试验［J］.煤田地质与勘探，2015, 433 72-76. ChaoXing 第3期高笑娟等水平周期荷载作用下支盘桩受力性状的模型试验 73 当前尚未见到支盘桩在水平动荷载作用下受力性状 的相关研究，因此本文对周期荷载下模型支盘桩的 受力性状进行研究具有一定的理论和现实意义。 1 模型试验装置 1.1 加载装置和模型桩制作 对支盘桩进行模型试验的装置是自制的土箱， 放在自制的自平衡反力架上，如图1。土箱的尺寸 为1200 mm（长沙800mm（宽）1000 mm（高）。为了 能对模型桩施加动荷载，本次对原来用于桩基模型 静载荷试验的土箱进行改造，在箱体一端焊接支架， 上面固定激振器。一刚性杆件连在激振器上，具有 一定刚度的弹簧套在刚性杆件上并且一端与桩顶接 触。试验时，激振器产生一定频率的振动，通过自 制的频率控制器来控制振动频率的数值，通过与激 振器相连的构件为模型桩施加周期性荷载。 图l模型试验装置 Fig.1 Model test equipment 1.2 测试原件的埋设 模型桩采用0.8mm厚的钢材制作，桩身直径 60mm，承力盘直径130mm，高80mm，桩长900mm。 为了方便加载，桩顶露出土层表面100mmo为了测 试桩身以及其附近土中的压力和变形情况，在桩身 的不同位置对称地粘贴应变片，应变片的粘贴工艺 和相应的防潮措施参照有关规范执行，最后应变片 的导线从管桩内穿出。在桩附近土中埋设土压力盒， 用来测定桩侧土中的压力。应变片和土压力盒的埋 设位置如图2所示，图中编号1-16为应变片，Cl C3为土压力盒。 1.3 土质选择 最初试验用的土体采自河南科技大学新校区的 黠性土，经试验发现黠性太大，导致结果不够理想， 后来换做含有细沙的教性土，含水量为12.12。由 、，＼ .,., C。〉 。 e’飞 。。 ｜司|| ｜川J C3 15 模型桩1 、 | 斗一hI戈 模型桩2 图2测试原件位置示意图（单位mm Fig.2 Position of test originals 于模型桩壁厚较薄，刚度较小，为了保证能够得到 理想的结果，对箱中的土体击实时要控制击实度。 具体操作过程如下先在土箱底部填入200mm厚 的土体，刮平并且轻开逐点击实，保证箱内土体的 密实度基本一致，然后放入模型桩，再分层放入填 土并击实，填土过程中在合适的位置埋人土压力盒。 2 加载方式 对于加载方式，大量试验研究表明，一般的冲击 荷载均可表示为若干个半波正弦荷载的线性组合［8-9], 作用在路面上的车辆荷载可以近似看成是半正弦波 荷载［10］。为了能给模型桩施加水平向的周期荷载， 在与激振器相连接的刚性杆上装上弹簧，弹簧直接 与模型桩相接触，荷载通过弹簧传递给桩体，加载 位置为距离桩顶下部60mm处。试验前先测定4个 弹簧的弹簧系数，确定4个荷载峰值分别为45.08N、 78.4 N、141.12N、220.5N。弹簧只承受压力，不 承受拉力，因此可以对桩顶施加水平向的半正弦波 荷载，加载的频率分别为5Hz、10Hz, 15 Hz、30日z。 图3为荷载峰值为45.08N、加载频率为5Hz时的 时程曲线，图中纵坐标表示荷载的大小，横坐标表 示加载的时间。 3 实验结果分析 3.1 桩顶荷载的影晌 图4为加载频率为5Hz时模型桩l在不同等级 ChaoXing 74 煤田地质与勘探第43卷 50 45.08 N 40 nυnu 句3句，－ Z每想 0 0 2 3 时间／0.2s 4 5 图35 Hz时的加载时程曲线 Fig.3 Time history curve of loading under 5 Hz frequency 弯矩／例m - 50 0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 巨300 划400 5去 刊500 二600 ∞∞∞ 哼，。。 ny 一－45.08N 一’一78.4N 一击一141.12N 一，一220.5N 图4桩身弯矩随荷载的变化 Fig.4 The relation between pile body moment and load level 荷载作用下桩身的弯矩随着桩入土深度的变化情 况。从图中的变化规律可见，随着桩顶施加荷载的 增大，桩身弯矩呈增大趋势。桩身的最大弯矩位置 在承力盘的顶部附近；随着桩身入土深度的增加， 桩身的弯矩逐渐减小，并且出现反弯点，反弯点以 下为负弯矩。随着荷载的增大，反弯点出现的位置 向深部移动，桩身弯矩的变化表现出静荷载作用下 中长桩的受力特征。当荷载为45.08N时，反弯点 的位置在承力盘的底部附近、桩顶以下约330mm 处；当荷载为78.4N时，反弯点的位置在桩顶以下 530 mm处；当荷载为141.12N时，反弯点深度在 桩顶以下630mm附近；而当荷载为220.5N时，反 弯点的位置约在桩顶以下720mm附近。也就是说， 随着桩顶荷载幅值的增大，桩身在荷载方向的位移 增大，桩侧土体松动，反弯点的位置下移，但桩身 下部负弯矩的数值变化不大。 图5为不同桩顶荷载下桩身附近土压力盒表现 出来的土压力随深度的变化情况。由图可见，桩侧 土中的压力随着桩顶荷载的增加而增大，最上部的 压力盒由于距离桩顶较近，受桩顶荷载的影响最大； 而在承力盘的下部，土压力盒的数据虽然也随着荷 载有所增加，但是总体来说，压力数据较小，说明 承力盘下部土中的压力受上部荷载的影响不大，而 到靠近桩端部位，因为桩身弯矩出现反弯点，桩承 受负向弯矩，导致桩身后侧土体受压，桩前土体不 承受压力，因此压力盒数据几乎保持不变。但是由 于桩身对土体的作用，C3压力盒的读数并不为零， 说明仍有少量的压力存在。 土中压力/kPa 200 A 400 君500 吕600 700 800 900 一－45.08N －，一78.4N －击一14112N -T-220.5 N 图5土中压力随荷载的变化 Fig.5 The relation between compress and load 3.2 加载频率的影晌 图6所示为桩顶荷载幅值为45.08N，加载频率 分别为5Hz、10Hz、15Hz、30Hz时桩身不同部 位的弯矩变化。由图可以看出，在桩顶荷载一定的 情况下，加载的频率影响到桩身弯矩的变化，但桩 身上部正弯矩部分与下部负弯矩部分的变化规律有 所不同。桩身最大弯矩出现的位置仍在承力盘的顶 部附近，弯矩的大小随加载频率的不同有少量变化， 但没有表现出明显的规律性，桩身弯矩出现反弯点 的位置变化不大，而桩身下部负弯矩随着加载频率 的提高而有所增大。当加载频率为5Hz和10Hz时， 桩身上部正弯矩的数值非常接近，说明10Hz以下 的加载频率对该部分的弯矩没有产生明显影响，当 加载频率增加到15Hz时，桩顶附近的弯矩突然增 大，而桩身最大弯矩数值变化不大；当频率达到30 Hz时，桩身上部的正弯矩大幅减小，而下部负弯矩 却明显增大。分析此原因可能是由于频率过高，桩 侧土体达到最大压力而、出现松动，对桩身的抗力减 小所致。由此可见，桩顶加载的频率直接影响到桩 身弯矩的大小。因此在支盘桩的应用过程中，如果 使其承受动荷载，一定要注意动荷载的频率可能对 其抵抗力的影响。 图7是45.08N荷载作用下土巾压力随着加载 频率的变化情况。对于同一频率，桩侧土中的压力 ChaoXing 第3期高笑娟等水平周期荷载作用下支盘桩受力性状的模型试验 弯矩／Nm -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 100 200 300 毡400 雪500 二600 700 800 900 --sHz ---0一IOHz －击一15Hz -o-30Hz 图6桩身弯矩随加载频率的变化 Fig.6 The relation between pile moment and loading fre- quency 土中压力/kPa 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 or 100 200 300 最400 君500 600 700 --sHz ---10 Hz －卢15Hz 一，一30Hz 800 900 图7土中压力随加载频率的变化 Fig.7 The relation between soil compress and loading frequency 上部最大，越靠近下部数值越小。对于不同频率的 情况，总体上来说，土中的压力随着加载频率的增 大而增大。例如，当加载频率分别为5Hz、10Hz、 15 Hz和30Hz时，Cl压力盒的压jj分别为1.97kPa、 2.95 kPa、3.23kPa和3.52kPa，频率从5Hz增加到 10 Hz，压力盒的压力增大了约50左右，而频率由 10 Hz增加到15Hz，甚至从15Hz增加到30Hz, 压力增加的幅度基本相同。对于压力盒C2,15 Hz 频率之前，压力随频率增加的幅度基本相同，继 续增加到30Hz，压力增长的幅度变慢。对于C3 压力盒，加载频率的变化对其数值没有明显影响。 因此可以说，加载频率对支盘桩上部土层中压力 的影响比较明显，对接近桩端部位压力可以认为 没有影响。 3.3 承力盘位置的影晌 图8是对本次进行试验的两根承力盘位置不同 的支盘桩在荷载幅值为45.08N、加载频率为5Hz 时桩身弯矩随着桩长的变化情况。由图可见，在其 他条件均相同的情况下，模型桩1和模型桩2桩身 正弯矩部分表现出了巨大的差异，特别是桩身的最 大弯矩数值。对于模型桩l，其承力盘位置靠上， 75 此条件下最大弯矩为47.3Nm，而模型桩2的最大 弯矩竟达到330.1Nm，后者是前者的7倍左右。桩 身最大弯矩的位置相差不大，桩身反弯点以下负弯 矩部分受影响较小。这说明，承力盘的位置对桩身 最大弯矩的影响特别突出，支盘桩在使用过程中， 在条件允许的情况下，应使承力盘尽量靠近桩身的 上部，这样可以减小桩身的最大弯矩数值，增加桩 的抵抗力。 弯矩／。可m I 00 200 300 400 白内 影 的 矩 弯 身 桩 牛川J 守A 置 位 盘 力 川（叫 图 －AUAUAυ AUAUnυnU UnununυAU －－－匀 ’＆句 3A吨，、 J瓦V 守，。。 ny g 口气Mm 除刊〈提 一←模型桩l 一←筷型桩2 Fig.8 The relation between plate position and pile body mo- 口1ent 图9是桩顶荷载幅值为45.08N，加载频率为 5 Hz时桩侧土中压力随着深度的变化关系。由于 荷载时作用在桩顶附近，同样条件下模型桩I上 部对土体的压力为1.97kPa，模型桩2由于承力盘 靠近桩身下部，其上部对土体的压力为3.09kPa, 约为前者的1.6倍左右；而承力盘下部附近的压力 又远小于第一种情况，压力约为前者的20；到 接近桩端的C3压力盒处，两种情况下土中压力数 值接近。这说明承力盘的位置对土中压力有着显 著影响，工程实际中，要想减小桩身对土体的压 力，延缓土体的破坏，应使承力盘的位置设在靠 近桩顶的位置。 土中压力/kPa l 罢500 吕600 一←模型桩l 一←模型桩2 800 900 图9承力盘位置对土中压力的影响 Fig.9 The relation between plate position and compress in soil ChaoXing 献 文 束－考 配一参 K叮一 质一 出国－ ’布，－ 田一 煤一 76 4结论 本文研制出了一套能用于桩基模型动荷载试验 的加载装置，通过与激振器相连的弹簧给模型桩施 加半正弦波形的周期荷载。对两根承力盘位置不同 的支盘桩进行模型试验，研究了沙性土中支盘桩在 动荷载作用下桩身弯矩和桩身侧面土体中压力随着 桩顶荷载、加载频率、以及承力盘位置的变化规律， 主要得出了以下结论 a.对于同一根桩，随着桩顶荷载幅值的增加， 桩身上部正弯矩和弯矩的最大值均呈现出增大的趋 势，桩身的反弯点位置逐渐下移。土中的压力在桩 身上部增大突出，桩身下部受影响不大。 b.随着加载频率的增大，桩身上部弯矩先变 大，后又减小，土中压力一直呈增大趋势，但增大 的幅度减小。说明加载频率过大也直接影响到桩的 水平承载力，可能会导致桩侧土体的松动，桩身承 载力下降。因此在工程中，如果桩基要承受动荷载， 应关心该桩所能承受的动荷载的最大频率。 c.对于承力盘位置不同的支盘桩，承力盘位置 靠上的桩在同样条件下桩身正弯矩和最大弯矩值较 小，桩侧土中的压力也较小。因此，如果利用支盘 桩来承受水平向的动荷载，承力盘的位置在允许情 况下应尽量靠近桩顶部位，这样可以减小桩身弯矩 和对土体的压力，提高桩的承载力。 第43卷 ［）蔡可键．水平谐振荷载作用下桥梁基桩的动力反应［巧．岩土 力学，2009,305 1504-1508. 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