基樁模型試驗及時效性研究現狀
——豎向循環荷載作用

胡娟 胡敏萍

(1.浙江樹人大學城建學院 浙江杭州 310015；2.陜西鐵路工程職業技術學院 陜西渭南 714000)

基樁模型試驗及時效性研究現狀
——豎向循環荷載作用

胡娟1,2胡敏萍1

(1.浙江樹人大學城建學院 浙江杭州 310015；2.陜西鐵路工程職業技術學院 陜西渭南 714000)

樁基礎理論研究與工程應用比較廣泛，文章總結了學者們對砂土、粘土、粉土及紅粘土等地基土中樁基模型模擬海洋平臺中的受力，如豎向循環荷載作用下樁頂沉降和樁基承載力與樁側摩擦系數與循環次數、循環荷載比以及循環加載速率有關，而地基土的種類以及土的參數不同時，結果也不相同。研究現狀表明，對于在役公路的黃土地基樁基在軸向循環荷載方面研究甚少，有待深入進行探討。對于模型試驗研究的總結，能夠為復雜施工條件下樁基承載機理的認識與應用提供科學依據。

基樁；軸向循環荷載；模型試驗；研究現狀

0 引言

樁基礎的理論研究與工程應用極為廣泛，而樁基不僅用于海洋工作平臺、房屋基礎、鐵路橋梁而且廣泛用于公路橋梁基礎。我國新建公路橋梁以及已運營的65萬余座公路橋梁中，多數采用樁基礎。而這些樁基長期在活載的運營下工作，而交通荷載則隨車輪移動而產生循環荷載[1-2]。目前國內外現有技術手段和方法主要著眼于樁基礎的設計和施工，對于服役期樁基礎的性能評定還局限于采取以表觀病害為主進行評定的方法。而在服役橋梁樁基礎的承載力發揮機理研究、樁周土對服役期樁基承載性能的影響等均涉及較少，而對在役橋梁樁基的承載力檢測[3-4]、評定方法和手段均無相關規范可參考。因此，對服役期內橋梁的樁基礎承載機理越來越得到研究者的關注。

迄今為止，樁基的理論模型試驗[5-9]研究與應用內容極為廣泛，水平循環作用下樁基的研究也較多，但對于豎向循環作用下樁基模型試驗相對較少。以下主要從不同地基土、樁基時效性及檢測方法等幾個方面對豎向循環荷載作用下樁基承載特性研究現狀進行闡述。

1 不同地基土中豎向循環荷載下樁基承載現狀研究

1.1 粘土地基

H.G.Poulos[10](1982)在樁基承載力研究中考慮循環荷載作用下樁的剛度、土的種類(粘土和砂土)、加載速率及加載幅值變化與否等方面進行了綜合探討。文章指出循環荷載不僅使樁的承載力和剛度降低，而且會影響樁側表面摩擦及土的壓縮模量。

Briaud J L and Felio G Y.[11](1986)分析了以往學者研究的循環荷載作用下粘土地基中模型樁試驗數據、模型樁尺寸、加載數據等，探討了樁在循環荷載下的承載性能。文中表明，對于慢的不排水循環荷載比快速不排水循環荷載更具破壞性，而且循環加載系數值隨土的類型不同而不同，試驗數據為低于0.6。并提出當循環系數總和為1時，單樁的極限靜承載力會減少40%。

陳竹昌[12](1990)模擬海浪和風暴對海洋平臺中樁的作用，對粘土中模型樁進行了循環荷載試驗。模型試驗樁外徑為3.0cm，長度為1.15m的鋁合金管，以0.1Hz頻率進行氣壓循環加載。文中提出用靜荷載比、循環荷載比、最大(循環)荷載比、最小(循環)荷載比等參數來反應循環加載情況。試驗驗證3個試驗條件的結果比較合理，且給出了歸一化樁承載力建議值。其歸一化承載力隨著循環荷載比的減小而增大，且承載力發生最急劇變化的部位是在雙荷載區內。

1.2 砂土地基

C．Y．Lee and H.G.Poulos[13](1988)對鈣質砂土中的灌注樁進行了循環加載試驗研究，主要模擬了近海平臺的樁的軸向承載能力。模型樁徑直徑2.4cm，樁長0.256cm，試驗采用2種不同靜態測試階段，第一階段是降低土的上覆有效應力，然后樁土系統靜止1.5h，再逐級加載至破壞(沉降為10%的樁徑時)并對每個加載階段進行荷載試驗；第二個階段是增加土的上覆有效應力，即對土壤的背壓是減小的，測試與第一步相同。試驗表明在鈣質土中的有效應力隨孔隙水壓力的變化而變化，則樁側摩阻力與有效正應力成正比，且推薦樁土接觸面的摩擦系數取0.8。

徐和[14-15](1989)模擬在砂土中的深水海域海洋平臺的樁基在海浪及風暴荷載作用下進行軸向循環荷載模型試驗，模型樁采用外徑為3.5cm，長為1.2m的硬鋁合金管，采用氣壓加荷設備施加應力控制式的靜、動荷載。加載頻率為0.1Hz的等幅循環荷載，試驗完成5組靜拔試驗、20組單向循環荷載試驗和6組雙向循環荷載試驗。動、靜荷載綜合作用下，單向循環荷載結果表示，樁的動承載力隨動荷載與靜荷載比值的減小而增大，而動承載力比靜承載力降低10%～30%；雙向循環加載時，樁的動承載力變化趨勢隨動荷載與靜荷載比值的增大而顯著降低，比靜承載力降低40%～85%左右。循環荷載影響樁的動剛度降低，單向循環荷載，樁的動剛度約為4.0kN/mm～11.5kN/mm，雙向循環下約為1.0kN/mm～3.5kN/mm，且雙向循環時樁的動剛度降低是單向循環下的2～4倍。

C.Y.Lee and H.G.Poulos[16](1991)對澳大利亞西北大陸架的鈣質砂土地基中的灌注樁進行了模型試驗研究，為了模擬近海岸樁基的承載機理，在對循環荷載控制和位移控制下樁側摩阻力變化以及樁徑的影響因素進行了分析。試驗采用直徑為3cm，長0.634cm的鋁合金管作為模型樁，樁端處通過放置一軟橡膠墊來消除端阻。采用空氣壓力進行加載。試驗結果顯示，兩種加載方式均會弱化樁側摩阻力，且成正比關系變化。Riadh H.Al-Douri and Harry G.Poulos[17](1995)也對澳大利亞西北大陸架的鈣質砂地基中的樁基進行循環荷載作用下模型試驗。模型樁為3mm厚,直徑為25mm厚的鋁合金管，長為0.4m。模型箱尺寸為直徑為59cm，深0.48m的不銹鋼。底部墊有橡膠墊消除端阻。試驗結果表明，在固定循環荷載時，位移累積隨荷載水平和荷載次數增加而增加，而位移累積的增加速度隨循環次數的增大而減小，而且荷載水平是影響位移累積的主要因素。在循環荷載作用時，循環荷載極限值為靜載極限值的0.6倍。

黃雨[18]等(2009)對上海市崇明東灘地區砂土地基中的單樁進行豎向循環荷載及試驗設備的開發。循環荷載采用了與吊車工作時的加卸載情況比較接近的三角波，循環加載周期為120s，如圖1所示。試驗指出，循環荷載比一定時，單樁沉降量與循環次數成正向變化關系，并且位移沉降量增加的趨勢逐漸減緩。循環荷載比超過一個臨界值后沉降發展加快。不同幅值的循環荷載作用下，樁頂累積沉降隨循環振次變化的發展規律具有相似性。

圖1 黃雨(2009)模型試驗加載曲線

1.3 粘土和砂土地基

律文田[19](2005)對京滬高速鐵路某標段橋梁跨徑為20m和32m簡支梁進行循環加載試驗，此標段為粘土和砂質地基。試驗樁是3根埋設有鋼筋計的PHC管樁，預制管樁直徑為55cm，樁長24m。加載方式先將靜載逐級加載至樁的工作荷載，在此基礎上施加循環次數100萬次動載(動力幅值40kN，頻率3HZ)，然后再卸載至零。分析了高速列車動荷載作用下樁頂動位移與動載循環次數的關系，樁頂動位移幅值與動載循環次數的關系，軸力和樁側摩阻力隨深度和振動次數的變化，樁身動應力幅值和動摩阻力幅值沿深度方向的變化。樁側動摩阻力承擔了樁頂絕大部分的樁頂動力荷載，主要集中在樁側上部1/3的范圍內。試驗顯示，在加載初期會對樁側摩阻力和軸力的調整產生影響，基本不影響樁的承載力。

1.4 粉土地基

朱斌[20](2009)對粉砂土地基中剛性單樁開展了1g 條件下巖土工程問題的大比例或足尺模型試驗，如圖2所示。通過對樁外徑11.4cm，長3m，壁厚2.5mm的鋼管樁進行周期為15s的波形荷載加載，如圖2所示。試驗指出，循環荷載比達到最小循環荷載比以下時，樁頂累積沉降可忽略，而最小循環荷載比隨著樁基側阻力與樁端阻力之間的比值的增大而減小，且循環累積沉降與循環次數的比值近似與樁頂循環荷載比呈線性關系。

圖2 朱斌(2009)循環荷載波形及荷載比定義

陳仁朋[21](2011)、任宇[22](2013)對高鐵所處飽和粉土地基中的樁基進行了1g條件下大比例豎向循環加載模型試驗。模型樁尺寸為樁徑為16.8cm，樁長為4.2m壁厚為7mm的鋼管樁。試驗結果表明單周循環荷載作用下的樁基承載力隨振次增加而減小，樁頂累積沉降隨循環次數和循環幅值增加而增大。循環荷載作用后樁身上部軸力減小，下部端部軸力增加，樁身軸力產生下移。且樁端強度及剛度均大幅提高，側摩阻強度及剛度均有明顯弱化，而循環加載對樁基的靜力承載特性影響較小。同時也提出循環荷載對于不同樁長影響不同，樁長越長，樁基承載力的循環弱化程度越小，循環累積變形較靜載變形的增加幅度減小。此試驗為深入了解飽和粉土地基中剛性樁基動力加載性狀提供了試驗依據。

1.5 紅粘土地基

章敏[23](2013)研究了埋入土中深度為1.6m，樁徑13cm和樁長1.72m的單樁在紅黏土中不同加載頻率和循環荷載比下單樁承載特性。采用正弦波形加載形式來模擬列車對樁基礎的動力影響。結果表明，樁頂沉降隨著循環荷載幅值的不同分為非穩定、亞穩定和穩定3種形式；樁的動承載力隨著加載中動荷載所占比例的增加而降低，循環加載初期，樁頂動剛度經過迅速降低的短暫過渡階段趨于穩定。在常法向剛度邊界條件下，土體隨著循環剪切發生明顯的剪縮行為，切向和法向應力隨之降低。

2 鉆孔樁基礎承載力時效性研究現狀

鉆孔樁是目前我國橋梁工程中應用最為廣泛的樁基類型。但其承載力的時效性研究目前開展較少，對于鉆孔樁承載力時間效應的認識遠沒有預制樁深入[24-25]。但是近年來也開展了成樁后不同時間的鉆孔樁承載力試驗，工程技術人員對承載力的時效性也有較為直觀的了解。

樓曉明，陳強華[26-27]等(1987)針對上海地區飽和軟土鉆孔樁(樁長40.15m，樁徑60cm)的極限承載力隨休止期的變化規律做了靜載試驗，提出樁端阻力變化可以忽略，樁側摩阻力隨休止期的增長而增加，軟土中灌注樁短期時效不明顯。

為了研究灌注樁單樁承載力更長休止期的時效，鄭剛等[28](2003)對天津廣達大廈的2根單樁進行了承載力試驗。分別于1996年1月底和2000年10月底進行2次靜載試驗，試驗間隔達57個月，2次試驗結果顯示注樁隨時間效應其單樁承載力增加顯著。

2009年交通運輸部公路科學研究所[29-30]在澳門氹仔碼頭工程中對同一根樁基的試驗結果表明，鉆孔樁在休止一定時期后，在相同的試驗荷載下，休止后的樁頂沉降量要小于休止前的樁頂沉降量。

趙楠[31](2011)采用堆載試驗，對同1根人工挖孔樁進行了2次靜載試驗。認為二次復壓的單樁承載力明顯大于首次試驗的承載力。

陳蘭云等[32](2006)對建于湖濱沖積平原上的2根鉆孔灌注樁試樁在成樁后不同時間進行了荷載試驗。陳蘭云等認為單樁豎向承載力在28d以前增長較快，28 d以后樁基承載力呈緩慢增加趨勢。

鉆孔樁成樁時由水下泥漿護壁形成一層軟弱泥皮，鉆孔樁的承載力時效性表現較明顯。根據陳志堅[33]等(2008)的研究，超長鉆孔灌注樁的成樁過程存在對樁周土擠密作用。

上述試驗資料認為鉆孔樁的承載力是具有時效性的，但承載力的時效性對樁基的最終承載力的影響到底能達到什么程度，如何進行計算，目前尚無法有效分析。盡管上述方法還需要完善，但均反映了一定土質條件下單樁承載力隨時間的變化特征。鉆孔樁時效性的產生和發展需要一定的條件。由于鉆孔樁的現場試驗和相關研究開展較少，對于鉆孔樁時效性的產生條件和產生機理還需要深入研究和完善。

3 樁身應變測試技術研究現狀

樁基的承載力是通過埋設在樁體表面或體內的測試原件應變的測試，從而計算出樁身軸力以及樁側摩阻力沿樁身深度方向上的分布情況。目前針對樁身進行應變測試主要采取電阻應變片法[34-35]、滑動測微計法和光纖光柵測試技術等[36-37]。

(1)電阻應變片法

根據粘貼在樁身各測點的應變片與樁身共同變形的特點，通過測試樁身應變計算出樁身軸力，而樁側平均摩阻力取樁身兩相臨微段間的軸力差進行計算。

電阻應變片法在樁基模型試驗中應用較廣，但由于此方法受環境影響大，測試結果不穩定，從而導致誤差較大，且模型樁制作過程中以及試驗測試過程中應變片的粘貼效果和引線均會受到不同程度的影響，故成活率較低，造成數據收集不全或精度不準等問題。

(2)滑動測微計方法

此方法測試連續性及精度均優于電阻應變片方法。滑動測微計法測點多，可以連續地對樁身上各點進行測試，可以有效地修正零點漂移，適合長期觀測同，也可用于爆破開挖區進行測試。這種方法用于試樁的靜載、循環荷時測試可以得出樁端阻力、樁側摩阻力、各級荷載下側摩阻力沿樁身深度變化的連續分布曲線以及端阻力與側摩阻力隨荷載變化的曲線等參數。但樁端阻力和樁側摩阻力不能直接通過實測應變值計算，必須對其進行平滑處理才可以。

(3)光纖光柵傳感器法

在光纖上連續刻寫光柵串，并與樁身共同受力而將樁身軸力轉換成光學波長測量，將波長轉換成樁身測點的應變。

目前，光纖光柵傳感器被普遍認為是實現“光纖機敏材料”“光纖靈巧結構”的理想測試器件。可在0.5MPa水壓中以及強沖擊等惡劣環境正常工作。此測試方法應用越來越廣泛。

4 結語

綜上所述，國內外學者對豎向循環荷載下單樁的沉降、承載性能、時效性開展了一些研究，發展了一些常用的試驗測試方法，產生了一系列富有成效的理論，這些研究顯示了在豎向循環加載下的樁基承載性能與靜力計算結果存在差異。而現有的研究多是針對建筑工程、海洋工程及廠房荷載進行開展，對公路服役期橋梁承受的活載對樁基礎的作用特性、活載作用頻次、頻率等對沉降及樁側摩阻力、樁端阻力的影響方面的研究幾乎空白。

由于土體以及樁—土間工作特性的隱蔽性，使樁—土間的研究仍然存在許多復雜的問題，亟需對不同土體中考慮公路橋梁樁基在靜載及活載長期運營過程中其承載性能開展深入、系統的研究。

[1] 王杰賢.動力地基與基礎[M].北京：科學出版社，2001.

[2] 謝定義.土動力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 張樹鵬.樁基檢測技術的現狀與發展[J].鐵道標準設計,2000(Z1):79-81.

[4] 李永軍，孫寧，李金清.樁基檢測方法研究[J].交通標準化，2009(11)：203-207.

[5] 盧世深，林亞超，王邦楣.橋梁地基基礎試驗[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[6] 章連洋.樁基模型試驗方法[J].勘察科學技術，1991(01)：6-11.

[7] 曾友金，章為民，王年香，等.樁基模型試驗研究現狀[J].巖土力學，2003(S2)：674-680，686.

[8] 張波，周愛其.基樁室內普通模型試驗研究現狀[C]∥第八次水利水電地基與基礎工程學術會議論文集.2006：3.

[9] 胡娟，宋一凡，賀拴海.靜載及循環荷載下砂土中復合樁基承載特性模型試驗研究[J].大連理工大學學報，2015，55(3)：305-311.

[10] Poulos，H.G.(1982)，Influence of Cyclic Loading on Axial Pile Response, 2nd Int, Conf.Numerical Methods in Offshore Piling，Austin，Texas，pp：419-440.

[11] Briaud J L and Felio G Y.Cyclic axial loads on piles: analysis of existing data[J].Canadian Geotechnical Journal，1986，23：362-371.

[12] 陳竹昌.軸向循環荷載下確定粘土中樁承載力的方法[J].海洋工程，1990(3)：72-81.

[13] LEE C Y， POULOS H G.Effective stress dependence of pile shaft capacity in calcareous sand[J].Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 1988， 114(10)：1189-1194.

[14] 徐和，陳竹昌，任陳寶.在軸向循環荷載作用下砂土中模型樁的試驗研究[J].巖土工程學報，1989(4)：64-71.

[15] 陳竹昌，徐和.土類對軸向循環荷載下樁性狀的影響[J].同濟大學學報，1989(3)：329-336.

[16] Lee C Y and Poulos H G.Tests on model instrumented grouted piles in offshore calcareous soil[J].Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 1991，117(11)：1738-1753.

[17] AL-DOURI R H， POULOS H G.Predicted and observed cyclic performance of piles in calcareous sand[J].Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 1995， 121(1)： 1-16.

[18] 黃雨，柏炯，周國鳴，等.單向循環荷載作用下飽和砂土中單樁沉降模型試驗研究[J].巖土工程學報，2009(9)：1440-1444.

[19] 律文田.靜動荷載作用下鐵路橋梁樁基的動力特性研究[D].長沙：中南大學，2005.

[20] 朱斌，任宇，陳仁朋，等.豎向下壓循環荷載作用下單樁承載力及累積沉降特性模型試驗研究[J].巖土工程學報，2009(2)：186-193.

[21] 陳仁朋，任宇，陳云敏.剛性單樁豎向循環加載模型試驗研究[J].巖土工程學報，2011，(12)：1926-1933.

[22] 任宇.長期豎向循環荷載作用下樁的變形特性試驗及理論研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[23] 章敏，王星華，楊光程，等.循環荷載作用下單樁動力模型試驗與樁土界面特性研究[J].巖土力學，2013(4)：1037-1044.

[24] Chen W F, Jardine R J, Brucy F, et al.Effects of Time on Capacity of Pipe Piles in Dense Marine Sand[J].Journal of geotechnical and geoenvironment engineering, 1998, 124(3):254-264

[25] Karlsrud K, Mahan A.Evidence of long term ageing effects on axial capacity of piles in soft clay[C].Proceedings of The art of foundation engineering practice congress 2010, ASCE: New York, 2010.

[26] 樓曉明，陳強華，俞有煒，等.鉆孔灌注樁承載力異常現象分析[J].巖土工程學報，2001(5)：547-551.

[27] 樓曉明，陳強華.對“鉆孔灌注樁承載力異常現象分析”討論的答復[J].巖土工程學報，2002(1)：120-121.

[28] 鄭剛，任彥華.樁承載力時效對樁土相互作用及沉降的影響分析[J].巖土力學，2003，24(1)：65-69.

[29] 馬曄，宋春霞.超長鉆孔灌注樁單樁承載力參數取值及計算方法[M].北京：人民交通出版社，2009.

[30] 馬曄，張學峰，張小江.超長鉆孔灌注樁承載性能研究與試驗[M].北京：人民交通出版社，2009.

[31] 趙楠.擴底短樁承載力時間效應分析[J].巖土工程學報，2011，33(增2)：498-501.

[32] 陳蘭云，陳云敏，張衛民.飽和軟土中鉆孔灌注樁豎向承載力時效分析[J].巖土力學，2006， 27(3)：471-471.

[33] 陳志堅，劉艷軍.超長灌注樁對樁周土擠密作用的模型試驗研究[J].巖土力學，2008，29(2)：3277-3281.

[34] 許津祥．靜壓樁的樁身應力光纖測試方法及貫入阻力研究[D].青島：青島理工大學，2011．

[35] 郭弦，于飛．應變片柵長對混凝土表面靜態應變測量結果的影響分析[J].電子測量技術，2010，33(1)： 89-91．

[36] 張偉剛．光纖光柵與電阻應變片應變測量的對比分析[J].傳感技術學報，2001(3)： 200-205．

[37] 周振安．光纖光柵傳感器用于高精度應變測量研究[J].地球物理學進展，2005，20(3)：864-866．

Research Status of the Pile Model Test and Pile Timeliness——Vertical Cyclic Loading

HUJuan1,2HUMinping1

(1.School of Civil Engineering of Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015；2.Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000)

The theoretical research and engineering applications of foundation piles were used more widely today, the paper summed up the findings of the modeling test on pile foundation by the axial cyclic loading in the sand, clay, silt and red clay soil.The results showed that the influences of the pile bearing capacity and the skin friction, were the number of cycles, maximum cyclic load and the cyclic loading rate.Whereas the result is not the same as the foundation soil types and soil parameters are different.The scholars mainly simulated the pile foundation in the sand and clay by the ocean storm loading, however, the studies on the pile foundation in the loess on highway loading were little.The summary of the study on the pile foundation modeling test will provide scientific basis for the study and application of the pile foundation’s capacity and skin friction mechanism under the complicated construction conditions.

Foundation piles; Axial cyclic loading; Modeling test; Research status

浙江樹人大學引進人才項目(2016R001)，陜西省教育廳項目(15JK1168)，交通運輸部應用基礎研究項目(2012-319223020)。

胡娟(1976.8- )，女，副教授。

E-mail:hujuane_816@163.com

2016-11-03

TU473.1

A

1004-6135(2017)03-0063-05