單樁豎向抗拔承載力離心模型試驗研究

任國峰，徐光明，顧行文

(1.南京水利科學研究院，南京 210024;2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，南京 210029)

在建筑物的基礎設計中，樁基礎已經(jīng)被廣泛應用，尤其是對抗壓樁基的研究，前人做了大量的工作，成果豐富。隨著近年近海風電場高速發(fā)展，風機基礎的一種主要方式就是群樁基礎，這些樁都需要承受巨大的抗拔荷載作用，這就需要掌握樁基尤其是大直徑樁基的抗拔承載力特性。然而，目前對于樁基抗拔承載特性的研究還有些粗淺，確定單樁豎向抗拔承載力的途徑主要有抗拔靜載試驗、經(jīng)驗公式和理論分析。對于摩擦型樁，抗拔樁的承載力主要靠樁的側摩阻力承擔［1］，在實際工程中，往往根據(jù)現(xiàn)場附近抗壓樁的側摩阻力乘上一個單一的折減系數(shù)作為抗拔樁的承載力。但最可靠的方法，還是以抗拔樁實驗來取代各種公式［2］。然而，對于超大噸位樁基尤其是在水上等環(huán)境下的樁基，原型靜載荷實驗難度很大。本文結合某海上風電場樁基工程設計研究，首次開展了單根抗拔樁的離心模型試驗。試驗采取等應變連續(xù)加載方式施加上拔力，取得了荷載-位移曲線(即Q-S曲線)和單樁豎向抗拔承載力。將其結果與等應力分級加載方式的原型靜載荷試驗結果進行了比較，從而分析2種不同加荷方式對抗拔極限承載力的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

本項試驗是在南京水利科學研究院土工離心模型試驗室400 g-t大型土工離心機上開展的。該機的最大半徑(吊藍平臺至旋轉中心)5.5 m，最大加速度200 g，最大負荷2 000 kg，吊藍平臺1 200mm×1 200mm。采用的圓型模型箱內尺寸為800mm(內徑)×1 010mm(高)。該離心機上配備有先進的IMP模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)快速、準確、可靠。數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理都在上位機進行。IMP模塊和上位機之間通過SNet實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的通訊。整個信號采集綜合模塊固定在離心機轉軸上方的儀器艙內，離心力場對它影響較小，它由7塊應變測量單元和1塊電壓測量單元組成，能對70路應變量和20路電壓量進行測量，每通道采樣速率設定為1次/s。

為完成本次試驗，特別研制了專用拔樁設備，該設備采用速率為60mm/min的低速同步電機作為驅動源，采用機械減速和螺旋升降結構，實現(xiàn)樁的勻速上拔，應變控制速率為1.2mm/min。

1.2 離心模型試驗原理

在巖土工程中，土體自重引起的應力通常占支配地位，而土的力學特性又是隨土的應力水平不同而表現(xiàn)不同。離心模型試驗的基本原理，在于將土工模型置于高速旋轉的離心機中，借助于離心力加大材料的自重，補償因模型尺寸縮小而導致的土工構筑物自重的損失，使小的物理模型能模擬原型的邊界條件、應力狀態(tài)以及穩(wěn)定性等性狀，并能顯示出與原型相似的自重效應［3］。該技術的主要特點是雖然模型的土體以及其中的構筑物尺寸縮小為原型的1/N(N為原型幾何尺寸與模型幾何尺寸之比)，但當置于Ng(g為重力加速度)的離心加速度場中，模型的應力狀態(tài)與原型保持一致，這是離心模型與常規(guī)模型的本質區(qū)別。對巖土材料而言，離心模型試驗是力學相似性最好的物理模型試驗方法。表1列出了離心模型試驗研究中主要物理量的離心模型相似率。

表1 離心模型相似率Table 1 Scaling law of the centrifugal model

1.3 試驗模型制作

原型為某一海上風電場樁基工程中的一根測試校核鋼管樁，對其進行了抗拔承載力靜載荷試驗。該樁直徑1 700mm，壁厚25mm，樁長81.30 m。樁身泥面以上部分約有18 m，向下穿過厚21 m的淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土層、再穿過5 m厚的粉質黏土、插入厚49 m的粉砂和粉細砂層，再下面是含礫中粗砂層。

綜合考慮南京水利科學研究院400 g-t離心機的技術參數(shù)和所模擬原型校核樁及地基條件以及試驗中模型樁制作等因素，確定本次模型試驗的幾何相似比為120(原型尺度/模型尺度)，離心機設計加速度就為120 g。

根據(jù)土工離心模型試驗規(guī)程(DL/T5102－1999)，模型材料的物理力學性質，如密度、含水率、壓縮性和強度等一般應與原型構筑物的材料相同。為保證模型材料與原型材料的物理力學特性相似，選用現(xiàn)場土料來模擬實際土層，根據(jù)確定的模型比尺，按照模型率1∶120制作試驗模型。

各土層的模擬要滿足幾何相似的要求。本次試驗中土層共分4層制備，從上到下依次為淤泥質粉質黏土、砂質粉土、粉細砂和含礫中粗砂。最下面3層土采用分層擊實法制備，其中粉細砂和含礫中粗砂以控制干密度為指標，砂質粉土以控制不排水強度為指標。最上層淤泥質粉質黏土采用預壓固結排水法制備，以不排水強度為控制指標。為模擬該層地基，具體采用了以下分層固結方式，每小層厚約50mm，根據(jù)重度及厚度確定單層土所需的濕土重，然后經(jīng)過浸泡、拌成泥漿，從下至上分別置于模型土樣固結儀預壓固結［4］，直至達到預期的不排水強度。然后，將地基模型移置于離心機吊籃平臺，讓其在120 g下進行自重固結，直至形成整個地基土層。

對于原型抗拔樁的模擬，試驗中采用彈性模量約為70 GPa的鋁合金管材制作模型樁。考慮到樁承受豎向荷載時，按樁身抗壓剛度相似條件設計控制。模型樁長度為670mm，外徑為12mm，壁厚為1mm，外涂環(huán)氧樹脂并粘細砂后，實際外徑達14mm，這樣以滿足樁壁與周圍土體摩擦特性與原型一致。圖1是模型布置剖面圖。

圖1 單樁抗拔承載力試驗模型布置Fig.1 Layout of the model for single pile uplift capacity test

2 試驗結果及分析

現(xiàn)場樁基的靜載試驗根據(jù)各級荷載維持時間長短以及在各級荷載作用下基樁豎向位移的穩(wěn)定情況，分為慢速維持荷載法(慢速法)和快速維持荷載法(快速法)［5］。在該海上風電場樁基工程中，原型校核樁垂直靜載抗拔承載力校核試驗采用慢速維持荷載法，每級荷載作用時間不少于2h。當分級加載至11 200kN時，軸向抗拔校核的荷載(Q)與上拔量(S)關系曲線出現(xiàn)轉折，由此開始分級卸載，直至卸除所有上拔力。表2列出了現(xiàn)場抗拔承載試驗分級加載和卸載過程中各級荷載和相應的上拔位移量。

表2 原型現(xiàn)場抗拔承載試驗分級加載和卸載過程Table 2 The graded loading and unloading process of the in-situ uplift capacity test of the prototype

本次樁基抗拔承載力的離心模型試驗研究中，在開發(fā)分級加載抗拔力裝置成功之前，首先嘗試采用了等應變速率的連續(xù)加載方式給模型樁施加上拔力，加載速率為1.2mm/min。從表2可知，原型靜載抗拔承載力校核試驗最小加載增量是1 600kN，加載間隔2 h。根據(jù)模型試驗的荷載位移發(fā)展過程，求得該模型平均荷載速率約為1 100kN/h［6］，按此荷載速率估算，荷載增量1 600kN，耗時約1.5 h。由此可見，本次模型試驗以等應變速率方式連續(xù)加載抗拔承載力的加載速率快于原型試驗。

圖2給出了離心模型試驗和現(xiàn)場靜載試驗的Q-S曲線。通過比較看出，在開始階段，即樁的拉伸變形近似于彈性變形階段，2條曲線中荷載與位移之間近似為線性關系。在相同荷載的前提下，模型樁的上拔位移量大于實測樁的上拔位移量，并且隨著荷載的增加，兩者之間上拔位移量的差值平緩增大，直到實測樁受力達到抗拔極限承載力接近破壞。圖中Q-S曲線的第2個階段即曲線中的弧線段，對應于樁拉伸變形的彈塑性破壞階段，此時樁頂受到的上拔力達到抗拔極限承載力。

圖2 離心模型和現(xiàn)場試驗結果Fig.2 Results of centrifuge model test and prototype test

從圖中看出，現(xiàn)場實測樁的抗拔極限承載力約為9 600kN，模型樁的抗拔極限承載力約為12 300kN。本次離心模型試驗推求得出的單樁極限抗拔承載力值高出原型靜載試驗實測值約28%，這可能與模型試驗連續(xù)加載方式和加載速率較快相關，尚需進一步的試驗研究工作。

3 結論

(1)Q-S曲線的線彈性階段過程中，在相同上拔荷載下，由于模型試驗加載速率較原型靜載試驗快，其上拔位移大于原型試驗的上拔位移，兩者位移差有一定的規(guī)律性，有待在進一步試驗基礎上進行分析。

(2)原型試驗實測的單樁抗拔極限承載力約為9 600kN，模型試驗求得的單樁抗拔極限承載力約為12 300kN，后者抗拔極限承載力值高出前者約28%。造成這種差異的原因之一就是兩者加荷方式和加載速率不完全相同，因此尚需大量原型和模型試驗工作，以充分掌握樁基尤其是大直徑超長樁基的抗拔承載力特性。

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