豎向循環荷載下雙層地基中單樁承載力發揮性狀分析

黃 棁，劉開富

(浙江理工大學建工學院，浙江 杭州 310018)

隨著“雙碳”目標的提出，海上風電的發展愈加受到重視[1]。海上風電逐漸向深水區開發，因導管架基礎擁有變形小、經濟型好等優點[2]，被廣泛應用在海洋風電結構設計中[3-5]，在服役期間其上部結構長期受海浪、風及其他荷載等作用，作為承載上部結構的樁基礎則承受具有明顯周期性的豎向循環荷載，在長期循環荷載作用下會對結構產生重大影響，并可能出現退化，導致結構失穩。

不少研究者開展了循環荷載下樁側摩阻力和樁端阻力方面的研究。劉瑩等[6]通過試驗研究發現大周次循環荷載下樁土系統會發生強度弱化和剛度軟化，且側摩阻力弱化是導致樁基承載力弱化的主要原因；胡娟等[7]通過開展模型試驗分析了循環荷載下單樁側摩阻力變化規律；章敏等[8]通過開展黏土中單樁軸向循環振動模型試驗，分析了不同循環荷載比和加載頻率對樁長期動力特性的影響，并采用能反映剪切剛度疲勞退化的修正Hardin-Drnevich模型分析了常法向剛度循環剪切下側阻退化現象。楊龍才等[9]通過現場試驗研究了循環荷載長期作用下樁側摩阻力的發揮變化情況，發現砂性土層的樁側摩阻力具有增強效應，而淤泥質粘性土的樁側摩阻力具有退化效應；王帥等[10]通過鈣質砂中單樁模型試驗研究了循環荷載下加載次數、循環荷載幅值對樁側摩阻力和樁端阻力的影響，發現循環樁側平均摩阻力隨循環次數增加逐漸減小，存在“累積損傷”現象，且動荷載比與樁側平均摩阻力弱化系數滿足對數函數關系；蔣建平等[11]通過現場試驗研究了大直徑超長樁樁身總側阻力與端阻力的變化規律。常規的小比例尺模型試驗所施加的側向壓力有限，因此本文通過對樁周施加不同的側向土壓力，研究豎向循環荷載下不同荷載水平、側向壓力對樁側摩阻力和樁端阻力的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗儀器及試驗材料

本試驗模型槽為焊接鋼制作的長寬高分別為1500、900、1700mm的模型箱，采用電磁式作動器對樁頂進行加載，作動器能提供的最大壓力為10kN，最大活塞行程300mm，內置精度為0.001kN的力傳感器和精度為0.01mm的位移傳感器，模型試驗布置如圖1所示。

圖1 模型試驗布置圖

試驗模型樁采用1300mm長的閉口鋼管加工而成，樁徑50mm，樁壁厚3mm，彈性模量200GPa，分為樁帽、樁身2個部分，樁身為便于應變片安裝分成用螺紋連接的6段。

采用阻值為120Ω的單軸電阻應變片測量樁身應，應變片安裝在樁的內壁，以減小應變片對樁側摩阻力的影響，在考慮樁身對稱性的情況下沿樁身6個位置共布置12個應變測試點，如圖2所示。信號采集系統實時采集樁頂沉降和樁身應變，設置采樣頻率為10Hz。

圖2 樁身應變測點布置圖(單位:mm)

樁周側向壓力通過定制加壓氣囊施加，為對不同土層施加不同壓力，氣囊設置分為20層，單層高度為60mm，外徑880mm、內徑830mm(大于樁的影響半徑)，可施加最大壓力為400kPa，并通過固定支架限制其位置發生移動。

1.2 試驗方案

循環加載前，先進行單樁的豎向承載力靜載試驗，采用JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規范》[12]中的慢速維持荷載法進行加卸載，試樁均以其靜載得到的極限承載力為依據進行加載，循環荷載則采用2Hz頻率的正弦波形的荷載，樁頂任意時刻的荷載表達式為：

(1)

式中,Ps—靜偏荷載；Pc—循環荷載幅值；ω—圓頻率，ω=2πf；f—循環加載頻率。

加載時通過循荷環載比CLR(循環荷載幅值與極限承載力之比)和靜偏荷載比SLR(靜偏荷載與極限承載力之比)進行控制，試驗時的加載工況見表1。

表1 模型試驗工況表

2 試驗結果分析

2.1 靜載試驗結果

靜載作用時樁側平均摩阻力隨樁頂沉降變化曲線如圖3所示。從圖3中可看出，靜載作用時增加側向壓力后的樁頂沉降較未增壓減小了1.44mm，樁側摩阻力隨著樁頂沉降的增加而變大；在樁頂沉降較小時，側摩阻力隨沉降的增長速度較快，具有明顯的非線性，而當樁頂沉降增加到一定程度時，側摩阻力隨樁頂沉降的增大而增加，但非常緩慢；下層砂土層中的平均摩阻力要高于上層淤泥質粘土層。增加額外的側向壓力后，側摩阻力出現了明顯增加，這也解釋了增加側向壓力后樁頂沉降要小于未增加側向壓力時。

圖3 靜載樁側摩阻力隨樁頂沉降變化曲線

靜載作用時樁側端阻力隨樁頂沉降變化曲線如圖4所示，從圖4中可看出，靜載作用下，樁端阻力隨著樁頂沉降的增加而增大，但增加速度則逐漸減小，樁端阻力發揮呈現出明顯的非線性。增加側向壓力后樁端阻力要小于未增加側向壓力時的樁端阻力，靜載加載結束時無側向增壓的樁端阻力為360.5kPa，增加側向壓力后樁端阻力達到292.6kPa，較無側向增加時減小了18.8%，這是由于增加側向壓力后的樁側摩阻力分擔了較多樁頂荷載。

圖4 靜載時樁端阻力隨樁頂沉降的變化曲線

2.2 循環荷載試驗結果

不同SLR和CLR時樁側平均摩阻力隨樁頂沉降的變化規律如圖5所示。從圖5中可看出，循環荷載下側摩阻力隨沉降的變化規律與靜載作用下的變化規律較為類似，沉降發展前期側摩阻力變化較快，隨著沉降的繼續增加逐漸趨于平穩，同時增加額外的側向壓力后側摩阻力增大，且砂土層中的摩阻力要高于淤泥質黏土層。從圖5(a)中可看出，SLR=0.1、CLR=0.1時未增加側向壓力循環105次后樁頂沉降達到0.27mm，而增加側向壓力后樁頂沉降僅有0.16mm，增加側向壓力后砂土層和淤泥質黏土層中平均側摩阻力分別為4.50、3.86kPa，較未增加側向壓力時分別增加了1.27、0.74kPa。從圖5(b)中可看出，SLR=0.2、CLR=0.2時未增加側向壓力循環105次后樁頂沉降達到1.29mm，而增加側向壓力后樁頂沉降僅有0.39mm，增加側向壓力后樁頂沉降出現了大幅度的減小，同時側摩阻力隨樁頂沉降發揮更快；未增加側向壓力時循環結束時砂土層和淤泥質黏土層中側摩阻力分別為4.68、5.05kPa，而增加側向壓力后淤泥質黏土層中側摩阻力增加了1.31kPa，砂土層中則增加了1.69kPa。從圖5(c)中可看出，SLR=0.3、CLR=0.3時有無側向增壓下側摩阻力隨樁頂沉降的發揮規律較為接近，但增加側向壓力后砂土層和淤泥質黏土層中側摩阻力分別增加了1.81、2.42kPa，相應的沉降則減小了0.33mm。從圖5(d)中可看出，SLR=0.4、CLR=0.4時側摩阻力隨沉降變化與前3組荷載下的規律出現了部分差異，循環加載過程中最大側摩阻力并非出現在循環結束，側摩阻力隨著沉降的增加出現了減小，側摩阻力發揮曲線呈現出軟化現象，這主要是由于循環荷載較大時側摩阻力出現弱化所致，此荷載下增加側向壓力后的側摩阻力弱化現象更為明顯，但砂土層和淤泥質黏土層中側摩阻力較未增加側向壓力要高出2.30、2.12kPa，而樁頂沉降則較未增加側向壓力增加了0.61mm。

圖5 不同SLR、CLR下樁側摩阻力-樁頂沉降變化曲線

不同SLR和CLR時樁端阻力隨樁頂沉降的變化規律如圖6所示。從圖6中可看出，樁端阻力隨著樁頂沉降的增加而增加，當端阻增加到一定水平時，端阻的發揮產生明顯的轉折。從圖6(a)中可看出，SLR=0.1、CLR=0.1時循環加載結束后未增加側向壓力的樁端阻力達到51.1kPa，增加側向壓力樁端阻力為43.8kPa，且當樁頂沉降相同時，未增加側向壓力的端阻發揮要高于增加側向壓力；從圖6(b)中可看出，SLR=0.2、CLR=0.2時循環加載結束后未增加側向壓力的樁端阻力達到108.1kPa，增加側向壓力樁端阻力為87.5kPa，而無側向增壓時的樁頂沉降要明顯大于增加側向壓力，導致無側向壓力下的端阻發揮更大；從圖6(c)中可看出，隨著荷載的繼續增加，SLR=0.3、CLR=0.3下的端阻在樁頂沉降達到一定程度后變化較小，循環加載結束后未增加側向壓力的樁端阻力達到177.5kPa，增加側向壓力樁端阻力為173.2kPa；從圖6(d)中可看出，SLR=0.4、CLR=0.5時循環加載結束后未增加側向壓力的樁端阻力達到207.6kPa，增加側向壓力樁端阻力為210.7kPa，雖然所發揮的極限端阻較為接近，但增加側向壓力后的端阻發揮曲線在發生轉折而緩慢增加后出現了提高，且加載結束后的樁頂沉降大于無側向增壓，這與該荷載水平下樁側摩阻力的弱化存在著緊密的聯系。

圖6 不同SLR、CLR時樁端阻力-樁頂沉降變化曲線

通過對循環荷載作用下樁側摩阻力、樁端阻力的分析可以發現，樁側摩阻力和樁端阻力共同承擔著樁頂荷載，當荷載較小時，相應的樁頂沉降較小，此時樁端阻力未完全發揮，樁側摩阻力發揮著主要作用，因此增加側向壓力后產生的差異較為明顯。隨著荷載的增加，沉降也隨之增大，樁側摩阻力和樁端阻力都進一步發揮。

3 結論

基于雙層地基中單樁靜載及豎向循環荷載模型試驗，研究了側向壓力、SLR、CLR等因素對樁側摩阻力和樁端阻力的影響。主要結論如下：

(1)荷載水平和側向壓力對樁身表面摩阻力在大量循環下的演變有著顯著的影響，增加側向壓力提高了樁側摩阻力，而且能有效減小樁頂沉降；循環加載次數較大時，樁側摩阻力在樁頂沉降發生初期時發揮較快，并隨著荷載的增大而增加，當荷載較大時，循環加載容易導致樁側摩阻力出現弱化，且增加側向壓力這一現象更加明顯。

(2)循環荷載下樁端阻力隨著樁頂沉降的增加而增大，其發揮隨著樁頂沉降的增加而出現明顯的轉折，增加側向壓力對小荷載下的樁端阻力影響更明顯，樁端阻力同樣隨著荷載的增加而增大。

(3)大次數的循環加載下，荷載水平、樁側土體壓力都會對樁側摩阻力和樁端阻力的發揮特性產生影響，因此通過對模型試驗地基中施加額外的側向壓力，對傳統單樁地基的阻力發揮特性分析進行補充，為樁基的設計施工提供參考依據。