水平循環荷載下現場鉆孔嵌巖鋼管樁位移特性分析

代邢可， 陳水月

（青島理工大學，山東 青島 266033）

0 引言

鉆孔嵌巖鋼管樁在近海條件下的承載力預測，特別是在水平循環荷載作用下的水下嵌巖樁的承載力預測，已引起我國近海工程人員的高度重視。鉆孔鋼管樁的施工方法有3種［1］，其中套筒打樁的方法最為常用。首先將鋼護筒打至巖層表面，在護筒內下鉆機，鉆至設計底標高處，此后將鉆機取出并將單樁放入鉆好的鉆孔內；再次，在樁外側及鋼護筒之間灌注混凝土；最后，將鋼護筒拔出。鉆孔嵌巖鋼管樁在海上工程中施工比其他樁更方便，鋼管與混凝土之間的協同作用使其具有較高的承載力和良好的抗彎性能。

由于海洋環境惡劣、施工工藝復雜、平臺水平荷載大，水下嵌巖樁在水平荷載作用下的受力機理一直是海洋工程工作者研究的重點。在文獻中有大量關于水平荷載嵌巖樁的研究。其中，Reese［2］通過考慮p-y曲線的非線性特征和樁的抗彎剛度，對單樁的p-y分析方法進行了擴展。LEBLANCC等［3］建立了樁頂水平循環累積轉角預測模型。這些方法和現場試驗被應用于分析支撐海洋和民用結構的樁側承載力，如港口（Kim et al.［4］）和橋梁（Zhang et al［5］）。上述研究均集中在水平荷載嵌巖樁承載預測上。到目前為止，大直徑嵌巖樁的受力性能現場試驗研究較少，特別是對橫向循環荷載作用下的水下嵌巖鋼管樁的受力性能現場研究手段更少（Kwon，et al［6］；Na and Kundu［7］）。

文中以青島市嶗山區為研究對象，利用新型加載和監測裝置對鉆孔嵌巖鋼管樁在水平循環荷載作用下的變形特性進行現場研究。

1 試驗情況

1.1 現場條件

場地介紹試驗位于山東省青島市嶗山區某工地，場區地層由第四系和基巖組成。地下水類型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，水力性質均屬于潛水。

該地區地層結構組成與濱海地層條件相同，采用海洋單樁基礎施工方案，在地面預鉆好直徑180mm、深度為4m深的鉆孔。在鉆孔內注滿混凝土并將樁體垂直靜壓置入，養護30d后進行試驗。根據現場勘察數據，樁體周圍巖層條件可分4層。

（1）填土層，由破碎花崗巖粒密實整平形成，黃色中致密，細粒厚度約0.5m。

（2）花崗巖強風化帶，厚度0.5～1.2m褐黃色～肉紅色，粗粒結構，塊狀構造，主要礦物成分為長石、石英，礦物蝕變強烈，巖石風化強烈，巖芯呈砂土狀。地基承載力特征值fak=1000kPa，變形模量E0=40MPa。

（3）花崗巖中等風化帶，厚度1.5～2.7m肉紅色，粗粒結構，塊狀構造，主要礦物成分為石英、斜長石及云母，節理裂隙較發育。地基承載力特征值fa=2500kPa，彈性模量E=15×103MPa。

（4）花崗巖微風化帶，肉紅色，粗粒結構，塊狀構造，主要礦物成分為石英、斜長石及云母，節理裂隙稍發育，地基承載力特征值fa=5000kPa，彈性模量E=25×103MPa。

傳感器布置位置與地層相對關系見圖1，樁身每隔0.5m布置一處監測點。

圖1 傳感器布置與地層相對關系

1.2 模型樁參數

為模擬海洋樁基承載特性，故采用海洋樁基最常用的鋼管樁。試驗樁直徑146mm，壁厚5mm，長5m。鋼管強度數據如表1所示。

表1 鋼管樁材料參數

1.3 加載裝置

試驗采用自主研發的樁頂水平循環荷載施加裝置，加速模擬試驗樁基在水平循環荷載下長周期演化特征。裝置基本原理是通過轉盤帶動其上遠離圓心的質量塊做快速繞心轉動，讓圓盤上的質量塊產生一個與質點質量m、運動半徑r及勻速圓周運動角速度ω相關的離心力Fn如圖2所示，轉盤每兩個為一組相互抵消x方向合力，僅留下y方向且加載大小呈正弦波動的荷載，式（1）、式（2）分別為x、y方向的力。

圖2 加載裝置基本原理

圖3為加載裝置實物圖，通過調節旋轉速率以及質量塊密度使裝置能夠實現荷載幅值精準調節，并在裝置底部安裝懸臂式稱重傳感器實現了加載的實時檢測。與傳統現場千斤頂加載方式相比，裝置拆裝簡易、自重較小，簡化了加載過程中的人為操作。且自動化程度高，降低了人工成本，也避免了試驗對反力樁的破壞，極大的降低了施工成本。

圖3 樁頂水平循環荷載施加裝置

1.4 數據采集設備

因裝置本身加載頻率遠高于經典加載方式，便要求采集設備具有超高動態數據掃描頻率，固有位移計+滑動式測斜儀采集方式無法滿足試驗需求。試驗將革新數據采集技術，運用國際領先手段創新監測方案。

樁頭布置監測頻率可達500Hz的自動化激光位移傳感器，采集加載處水平位移數據，高頻率實時監測樁頂位移過程。

樁身內部安裝圖4所示新型樁身形變測斜儀，該設備以iFEM方法為基本理論［8］，結合位移重構算法與逆有限元法推算樁身位移數據。算法基本思想：首先將結構離散化分為若干個單元，在每個單元內基于形函數和節點位移建立截面應變的理論值。利用表面粘貼或內部埋入被測結構主體的傳感器系統獲取結構應變信息，基于平面或空間應變狀態理論建立截面應變實測值。基于截面應變理論值和實測值建立加權最小二乘泛函，并應用變分法求解泛函極值，實現單元節點位移向量求解，結合單元內部形函數，實現結構全域位移場重構，采集頻率可高達1000Hz。并將逆有限元算法作為子VI嵌入光纖光柵解調程序中，實現樁基應變實時監測以及水平位移的可視化讀取。

圖4 新型樁身形變測斜儀

1.5 試驗方案

圖5為現場試驗樁布置，三根樁呈三角形布置，樁心間距1.5m，1#反力樁埋深6m，為實心鋼管混凝土樁，淺層地表裙式加固。其余各樁皆為直徑146mm空心鋼管樁。由于樁心距大于樁徑十倍以上，可忽略群樁效應，所有試驗樁皆認為是單樁。以1#樁為反力樁對3#樁進行水平單調加載試驗，采用《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》［9］中要求的單向單循環水平維持荷載法進行測試。2#試驗樁進行3000次1.5kN單軸雙向循環荷載試驗。

圖5 試驗場地布置

2 實驗結果與分析

2.1 加載穩定性驗證

為驗證加載裝置穩定性，將水平循環加載裝置拼裝在2#試驗樁樁頂，調節荷載預設值H=1.5kN，加載時間t=40min，加載頻率4Hz，共計循環N=10000次。

圖6為懸臂式稱重傳感器實時監測的數據，從圖中看出在整個試驗過程中加載值Hmax維持在1.5kN，加載形式與設計構想相同呈穩定的正弦波長，加載循環總數經軟件計數與人工核實后證明長時間加載不會引起其加載頻率變化，裝置加載穩定性得以確認。

圖6 懸臂式稱重傳感器數據

2.2 加載準確性驗證

為方便對比，分別采取2#試驗樁循環次數N=1內的荷載位移曲線與3#試驗樁單調加載荷載位移曲線比較，對比結果如圖7所示，兩根試驗樁曲線特征基本重合。兩試驗樁設置條件相同即水平靜剛度Kh相同的情況下根據式（3）：

式中，Ht與Yt分別為樁所受水平荷載與樁的水平變形。受力平衡與變形關系推導，計算出裝置實際荷載輸出值與預設值相同，加載裝置準確性得以驗證。

圖7 循環加載與單調加載荷載位移曲線

2.3 樁頂循環位移數據與剛度弱化分析

分析樁側循環剛度變化趨勢，能夠更直觀呈現出樁側巖土體變形特征，采用如圖8所示的循環荷載與變形增量模式，根據樁頂位移與加載幅值探究單樁水平循環剛度khN變化：

式中，Hmax、Hmin分別為循環荷載最大值與最小值；yNmax、yNmin分別為第N次循環加載時的最大累積位移及最小累積位移。通過式（4）計算得到循環加載下嵌巖單樁水平循環剛度見圖9。嵌巖單樁水平循環剛度弱化特性類似于砂土單樁，隨著循環累積單樁水平循環剛度逐漸減小，循環加載導致單樁剛度持續性弱化，而弱化集中表現在前150次循環內。

圖8 水平循環剛度計算方法

圖9 樁頂位移與循環剛度隨加載次數變化曲線

圖9中灰線為試驗樁樁頂水平循環位移試驗結果，其中y為樁頂水平位移幅值，N為循環次數，在加載幅值Hmax=1.5kN時y150/y3000達到90.7%。由圖可見，不同荷載位移幅值下樁頂水平循環位移幅值隨循環次數的增加呈現兩階段變化特征，位移幅值增長速率在第一階段內急速增快，隨后第二階段內趨于穩定增長緩慢，第一階段為位移累計主要階段，集中在前150次循環以內。據Chen等［10］以往對嵌巖樁研究發現，嵌巖樁水平循環位移變形主要集中在巖層上部砂石層，其變形特征與砂土單元在循環荷載作用下動力響應特征密切相關。趙彥平［11］在砂土累計變形動力三軸試驗中也提到砂土循環累計應變隨循環次數變化呈兩個階段，前期變形增長速率明顯大于后期，此細觀響應正驗證了宏觀試驗現象。

2.4 樁身循環位移數據分析

圖10為2#試驗樁樁身位移隨循環累積變化曲線。Z為樁身埋置深度，可以看出，樁身位移累積特征與樁頂的相同，位移累積主要集中在前1000次循環內，且位移集中在巖層上部覆土部分。在埋深Z=1.7m土巖交界面處樁身位移產生較大的突變，隨著循環的進行，樁身的最大彎曲點在逐漸的下移并越來越不明顯，說明嵌巖樁在循環荷載作用下土巖交界處產生了較為嚴重的疲勞破壞。

圖10 樁身水平位移幅值

3 結語

（1）首次將以iFEM為基本理論的新型樁身形變傳感器與現場原位試驗相結合，成功取得了高精度的監測數據。

（2）自主創新研發了樁頂水平循環荷載施加裝置，并在試驗過程中驗證了裝置的穩定性與準確性，增添了基礎水平承載力測試新方法。

（3）鉆孔嵌巖鋼管樁在水平循環荷載情況下其樁頂位移累積與剛度弱化主要集中于前150次循環，后續累積仍在持續卻極為緩慢。

（4）樁身變形主要發生在巖層上部覆土部分，土-巖交界面受疲勞特性影響尤為突出。