張炎飛， 高建財(cái)， 張 葦， 杜 湧， 白曉紅

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

基于陣列式位移計(jì)的鋼管樁基模型試驗(yàn)研究

張炎飛， 高建財(cái)， 張 葦， 杜 湧， 白曉紅

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

陣列式位移計(jì)(SAA)是由包含微電子機(jī)械系統(tǒng)的加速度計(jì)的若干段連續(xù)體組成的. 具有精度高、 自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、 可重復(fù)利用等特點(diǎn). 介紹了SAA測試原理及其首次在樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)中的應(yīng)用， 試驗(yàn)中考慮了3個(gè)側(cè)向荷載作用角度和3個(gè)長徑比,研究了不同工況下樁基礎(chǔ)模型在側(cè)向荷載作用下的承載特性,分析了長徑比和荷載作用角度的影響. 試驗(yàn)結(jié)果表明， SAA可監(jiān)測記錄樁體的實(shí)時(shí)位移； 長徑比越大， 極限承載力越高； 荷載作用方向越接近于水平方向， 極限承載力越高.

陣列式位移計(jì)； 鋼管樁基礎(chǔ)； 模型試驗(yàn)； 位移； 轉(zhuǎn)角； 承載能力

0 引 言

伴隨海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的興起， 我國逐步迎來了海洋工程的快速發(fā)展. 如海上石油平臺(tái)、 海上風(fēng)電、 海上輸電塔等. 目前， 鋼管樁較多地應(yīng)用于海洋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)， 施工時(shí)施加負(fù)壓， 貫入到設(shè)計(jì)深度. 而海洋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)除了承受上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載， 還要承受來自風(fēng)浪和船舶等的側(cè)向荷載[1]. 因此， 對(duì)鋼管樁基礎(chǔ)模型在側(cè)向荷載作用下的承載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值.

目前， 已經(jīng)有不少針對(duì)海洋工程中的鋼管樁基礎(chǔ)的側(cè)向承載特性的研究成果. 李燦[2]通過ABAQUS對(duì)大直徑單樁水平承載力特性進(jìn)行研究得到， 荷載作用高度越低， 樁徑越大， 水平承載力越高. 金書成等[3]對(duì)飽和砂土地基中吸力式桶形基礎(chǔ)水平承載力進(jìn)行研究， 分析了長徑比的影響， 提出飽和砂土地基桶形基礎(chǔ)水平極限承載力計(jì)算公式. 韓智臣[4]利用三維模型計(jì)算得到了不同角度傾斜荷載的極限承載力， 考慮了長徑比、 加載角度和土體不排水抗剪強(qiáng)度的影響， 并與相關(guān)文獻(xiàn)的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證. 但上述研究局限在模擬分析. Allersm[5]等進(jìn)行了吸入式樁的室內(nèi)離心機(jī)試驗(yàn)研究， 得到荷載作用點(diǎn)位置的最佳區(qū)域. 劉振紋[6]， 施曉春[7]也分別開展了桶型基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究， 但加載的作用點(diǎn)都選在樁頂位置. 因此， 有必要在此基礎(chǔ)上,在樁身的最佳荷載作用點(diǎn)處加載， 通過改變側(cè)向荷載作用角度和長徑比開展模型試驗(yàn)研究. 為進(jìn)一步減小尺寸效應(yīng)影響， 特選用大尺寸模型鋼管樁基礎(chǔ)模型.

在鋼管樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)中， 為了精確得到地基中整個(gè)樁基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)位移， 本文試驗(yàn)選用了加拿大Measurand公司生產(chǎn)的陣列式位移計(jì)(Shape Acceleration Array, SAA). SAA在國內(nèi)外已有部分應(yīng)用. 國際上， 2006年ABDOUN等[8]在日本國立防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所的振動(dòng)臺(tái)上運(yùn)用SAA， 較好地取得了加速度、 位移結(jié)果. 國內(nèi)， 2014年倪克闖[9]和薛麗影等[10]將SAA應(yīng)用在大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中， 對(duì)地震動(dòng)力作用下加速度和位移等動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究. 以上應(yīng)用局限于模型試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)測試， 本文首次將SAA應(yīng)用于靜態(tài)下的模型試驗(yàn).

1 陣列式位移計(jì)(SAA)測試原理

陣列式位移計(jì)(SAA)， 如圖 1 所示， 由多段連續(xù)子陣列串接而成， 內(nèi)部由微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)、 微處理器和連接關(guān)節(jié)組成. 加速度計(jì)通過加速度的變化來測量位移量， 微處理器用來收集和傳送子陣列的測試數(shù)據(jù)， 連接關(guān)節(jié)用來連接每個(gè)子陣列. 工作時(shí)， 須將SAA的一個(gè)端點(diǎn)固定作為參考點(diǎn)， 坐標(biāo)為(0，0，0)， 而加速度計(jì)通過檢測各子陣列的重力場， 可以計(jì)算出各子陣列之間的彎曲角度θ， 利用計(jì)算得到的彎曲角度和已知的各子陣列長度L(30 cm或50 cm)， 便可確定各個(gè)子陣列的變形ΔX,即ΔX=sin(θ)·L， 再對(duì)各段求和∑ΔX， 可得到距固定端點(diǎn)任意長度位置的總的變形量X. 原理圖見圖 2. 因此， SAA可以作為放置在鉆孔中或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變形監(jiān)測傳感器.

圖 1 陣列式位移計(jì)(SAA)Fig.1 Shape acceleration array

圖 2 SAA原理示意圖Fig.2 Principle of SAA

SAA具有可3D動(dòng)態(tài)測量、 精度高、 可重復(fù)利用、 自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、 穩(wěn)定性高等特點(diǎn). 其技術(shù)參數(shù)見表 1.

表 1 SAA技術(shù)參數(shù)

SAA可用于邊坡、 隧道、 路基沉降、 橋梁撓度等變形監(jiān)測， 也可用于動(dòng)態(tài)下的位移、 加速度、 溫度等的測試.

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文的鋼管樁基礎(chǔ)大尺寸模型試驗(yàn)在太原理工大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室的大型土工槽內(nèi)展開. 該土工槽為平面尺寸9 m×4 m(長×寬)的鋼筋混凝土池， 深3 m. 土工槽四周做了進(jìn)一步防水處理. 土工槽系統(tǒng)由地基材料、 飽和系統(tǒng)、 靜力加載系統(tǒng)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,可開展各類巖土工程問題的大尺寸模型試驗(yàn). 為了進(jìn)行鋼管樁的側(cè)向靜載荷試驗(yàn)， 在土工槽側(cè)壁上搭設(shè)了一套側(cè)向荷載施加系統(tǒng)， 采用液壓千斤頂， 通過置于混凝土側(cè)壁上的荷載轉(zhuǎn)向裝置可對(duì)鋼管樁施加不同角度的側(cè)向荷載.

2.2 SAA安裝、 試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸r

試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸灿?組， 由直徑203 mm， 壁厚8 mm 的Q235無縫鋼管加工制作而成， 樁頂連接蓋板采用20 mm厚的Q235鋼. 為充分發(fā)揮鋼管樁基礎(chǔ)側(cè)向荷載作用下的承載性能， 在前人對(duì)基礎(chǔ)最佳荷載作用點(diǎn)的試驗(yàn)研究和ABAQUS有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上[11-14]， 本文選取距樁底H/3處作為加載作用點(diǎn). 在樁吊耳部分用鋼絲繩施加與水平面分別呈15°， 30°， 45°的荷載， 加載示意圖如圖 3 所示， 樁身示意圖和實(shí)物如圖 4 所示.

圖 3 加載示意圖Fig.3 Loading sketch

加載參考《JTS 167-4-2012港口工程樁基規(guī)范》[15]， 加載時(shí)每級(jí)級(jí)差取最大荷載的1/10. 當(dāng)某級(jí)荷載下出現(xiàn)橫向變形急劇增加、 變形速率明顯加快、 地基土出現(xiàn)明顯的斜裂縫即終止加載. 加載試驗(yàn)工況見表 2.

表 2 加載試驗(yàn)工況

SAA安裝在固定于樁基礎(chǔ)側(cè)面細(xì)長鋼管中， 與樁長度方向平行. 鋼管直徑略大于SAA直徑， 鋼管出口部分與SAA一起固定. SAA遠(yuǎn)端到達(dá)樁底， 與樁底在同一水平位置， 近端固定在土工槽上方的一固定端點(diǎn)， 作為參考點(diǎn). 由前述的測試原理， 再將SAA通過SAAUSB連接至計(jì)算機(jī)即可采集數(shù)據(jù). 安裝位置詳見圖 3～圖 5.

圖 4 鋼管樁圖Fig.4 Steel pipe piles photo

圖 5 鋼管樁及SAA試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Steel pipe pile and SAA test photo

2.3 地基土

本模型試驗(yàn)地基土選用砂土， 填筑前進(jìn)行夯實(shí). 填筑過程中， 每30 cm用夯實(shí)機(jī)夯實(shí)， 同時(shí)控制地基密實(shí)度. 之后， 通過土工槽側(cè)面注水飽和. 對(duì)地基土按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)進(jìn)行了常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)， 有效內(nèi)摩擦角為28.8°. 篩分法得到的數(shù)據(jù)見圖 6，Cu=6.01，Cc=1.33， 級(jí)配良好.

圖 6 顆粒分析曲線Fig.6 Grain size accumulation curve

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 荷載與位移的關(guān)系

加載過程中， 通過鋼管樁側(cè)面安裝的SAA監(jiān)測5個(gè)工況下的樁身不同位置的位移， 得到了5組荷載-位移曲線.

圖 7 為A1工況下樁在側(cè)向荷載作用下的實(shí)測荷載-位移曲線， 樁頂位移略大于樁底位移， 但總體A1樁位移特性表現(xiàn)為平動(dòng). 其極限承載力為6 kN.

圖 7 A1工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.7 Relationship between lateral displacement and loading in A1

圖 8 為A2工況下樁在側(cè)向荷載作用下的實(shí)測荷載-位移曲線， 樁頂位移大于樁底位移， 樁身轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于A1樁的轉(zhuǎn)動(dòng)角度， 總體A2樁位移特性表現(xiàn)為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng). 其極限承載力為13 kN.

圖 9 為A3工況下樁在側(cè)向荷載作用下的實(shí)測荷載-位移曲線， 樁頂位移大于樁底位移， 樁身轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于A1樁和A2樁的轉(zhuǎn)動(dòng)角度， 總體A3樁位移特性表現(xiàn)為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng). 其極限承載力最大， 為32 kN.

圖 8 A2工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.8 Relationship between lateral displacement and loading in A2

圖 9 A3工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.9 Relationship between lateral displacement and loading in A3

圖 10 A4工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.10 Relationship between lateral displacement and loading in A4

圖 10 為A4工況下樁在側(cè)向荷載作用下的實(shí)測荷載-位移曲線， 樁頂位移大于樁底位移， 此時(shí)A4樁位移特性表現(xiàn)為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng). 其極限承載力為16 kN.

圖 11 A5工況下樁身位移隨荷載變化圖Fig.11 Relationship between lateral displacement and loading in A5

圖 11 為A5工況下樁在側(cè)向荷載作用下的實(shí)測荷載-位移曲線， 可以明顯看到， 隨著荷載的增大， 樁頂產(chǎn)生先往后， 再發(fā)生往前的位移. 此時(shí)， A5樁總體位移特性表現(xiàn)為小幅度轉(zhuǎn)動(dòng). 其極限承載力為12 kN.

3.2 荷載與樁身轉(zhuǎn)角的關(guān)系

從SAA得到的位移數(shù)據(jù)， 可知鋼管樁表現(xiàn)出剛性樁特性， 沒有明顯的樁身變形和破壞. 因此， 轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)由SAARecorder生成的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出. 樁身轉(zhuǎn)角為

式中： ΔS為樁頂與樁底的位移之差；L為樁長， mm；θ為樁身轉(zhuǎn)角， (°)， 轉(zhuǎn)角正值表示樁身前傾.

將3.1的5個(gè)工況荷載與位移關(guān)系結(jié)果代入式(1)中， 即可得到各個(gè)工況下荷載與樁身轉(zhuǎn)角的關(guān)系， 見圖 12. 在側(cè)向荷載試驗(yàn)中， 試驗(yàn)加載至極限承載力后， A1， A2， A3中， 樁基礎(chǔ)樁身最大轉(zhuǎn)角分別為： 0.2°， 0.7°， 1.8°. 即樁基礎(chǔ)在加載角度為15°的荷載作用下， 長徑比越大， 轉(zhuǎn)角越大. 在A3， A4， A5中， 樁基礎(chǔ)樁身最大轉(zhuǎn)角分別為： 1.8°， 0.75°， 0.06°. 即同一長徑比的樁基礎(chǔ)， 加載角度越大， 樁身的轉(zhuǎn)角越小.

圖 12 樁身轉(zhuǎn)角隨荷載變化圖Fig.12 Relationship between the turning angles of pile and loading

3.3 極限荷載與長徑比、 荷載作用角度的關(guān)系

為研究極限承載力與長徑比、 荷載作用角度的關(guān)系， 將各工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 得到的結(jié)果見圖 13 和圖 14.

由圖 13 可知， 當(dāng)鋼管樁基礎(chǔ)長徑比為4.5時(shí)， 其極限承載力為6 kN, 當(dāng)長徑比為6時(shí)， 極限承載力為13 kN， 長徑比為7.5時(shí)， 極限承載力為32 kN. 因此， 當(dāng)加載角度為15°時(shí)， 長徑比最大， 極限承載力最高.

圖 13 極限承載力與比徑比關(guān)系曲線Fig.13 Relationships between aspect ratio and ultimate bearing capacity of steel pipe pile foundation

由圖 14 可知， 在荷載作用角度為15°時(shí)， 極限承載力為32 kN, 荷載作用角度為30°時(shí)， 極限承載力為16 kN， 荷載作用角度為45°時(shí)， 極限承載力為12 kN. 因此， 當(dāng)荷載作用角度越小， 樁基礎(chǔ)極限承載力越高.

圖 14 極限承載力與荷載作用角度關(guān)系曲線Fig.14 Relationships between loading angle and ultimate bearing capacity of steel pipe pile foundation

4 結(jié) 論

通過在鋼管樁基礎(chǔ)模型側(cè)向荷載作用下的試驗(yàn)中應(yīng)用SAA， 研究了鋼管樁在側(cè)向荷載下的承載特性， 初步得到了如下結(jié)論：

1) SAA在試驗(yàn)中能夠精確監(jiān)測和記錄鋼管樁基礎(chǔ)模型在不同位置的位移.

2) 在荷載作用角度一定時(shí)， 鋼管樁基礎(chǔ)的長徑比越大， 其極限承載力越高.

3) 在長徑比一定時(shí)， 側(cè)向荷載作用角度越小， 鋼管樁基礎(chǔ)極限承載力越高.

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Model Test Study on Steel Pipe Pile Foundation Based on Shape Acceleration Array

ZHANG Yan-fei , GAO Jian-cai , ZHANG Wei， DU Yong , BAI Xiao-hong

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The shape acceleration array (SAA) is composed of a continuum of segments of an accelerometer comprising a micro-electro-mechanical system with high precision, automatic real-time acquisition, reusable and so on. The principle of SAA and its application in pile foundation model test for the first time was introduced. Three different aspect ratios and three different loading inclination angles were considered in the tests. Lateral load behavior under lateral load and the effect of aspect ratio and loading inclination angle were studied. The test results show that SAA can easily and visually monitor and record the displacement of pile under different lateral loads; the bearing capacity can be improved significantly by increasing the aspect ratio. The more nearly horizontal the loading direction, the greater the bearing capacity of the steel pipe pile foundation is.

shape acceleration array； steel pipe pile foundation； model test； displacement； turning angle; bearing capacity

1673-3193(2017)04-0452-06

2017-02-17

山西省“百人計(jì)劃”項(xiàng)目(800101-02030017)； 131人才專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(900198-02010018)； 山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目(2017SY024)

張炎飛(1992-)， 男， 碩士生， 主要從事樁基工程的研究.

白曉紅(1959-)， 女， 教授， 博士， 主要從事巖土與基礎(chǔ)工程的研究.

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.010