任國(guó)峰，徐光明，顧行文

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210024;2.水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

在建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，樁基礎(chǔ)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)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(fēng)電場(chǎng)高速發(fā)展，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的一種主要方式就是群樁基礎(chǔ)，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(duì)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(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式和理論分析。對(duì)于摩擦型樁，抗拔樁的承載力主要靠樁的側(cè)摩阻力承擔(dān)［1］，在實(shí)際工程中，往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)附近抗壓樁的側(cè)摩阻力乘上一個(gè)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(shí)驗(yàn)來(lái)取代各種公式［2］。然而，對(duì)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(shí)驗(yàn)難度很大。本文結(jié)合某海上風(fēng)電場(chǎng)樁基工程設(shè)計(jì)研究，首次開展了單根抗拔樁的離心模型試驗(yàn)。試驗(yàn)采取等應(yīng)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(jié)果與等應(yīng)力分級(jí)加載方式的原型靜載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，從而分析2種不同加荷方式對(duì)抗拔極限承載力的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本項(xiàng)試驗(yàn)是在南京水利科學(xué)研究院土工離心模型試驗(yàn)室400 g-t大型土工離心機(jī)上開展的。該機(jī)的最大半徑(吊藍(lán)平臺(tái)至旋轉(zhuǎn)中心)5.5 m，最大加速度200 g，最大負(fù)荷2 000 kg，吊藍(lán)平臺(tái)1 200mm×1 200mm。采用的圓型模型箱內(nèi)尺寸為800mm(內(nèi)徑)×1 010mm(高)。該離心機(jī)上配備有先進(jìn)的IMP模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、可靠。數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理都在上位機(jī)進(jìn)行。IMP模塊和上位機(jī)之間通過SNet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的通訊。整個(gè)信號(hào)采集綜合模塊固定在離心機(jī)轉(zhuǎn)軸上方的儀器艙內(nèi)，離心力場(chǎng)對(duì)它影響較小，它由7塊應(yīng)變測(cè)量單元和1塊電壓測(cè)量單元組成，能對(duì)70路應(yīng)變量和20路電壓量進(jìn)行測(cè)量，每通道采樣速率設(shè)定為1次/s。

為完成本次試驗(yàn)，特別研制了專用拔樁設(shè)備，該設(shè)備采用速率為60mm/min的低速同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，采用機(jī)械減速和螺旋升降結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)樁的勻速上拔，應(yīng)變控制速率為1.2mm/min。

1.2 離心模型試驗(yàn)原理

在巖土工程中，土體自重引起的應(yīng)力通常占支配地位，而土的力學(xué)特性又是隨土的應(yīng)力水平不同而表現(xiàn)不同。離心模型試驗(yàn)的基本原理，在于將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，借助于離心力加大材料的自重，補(bǔ)償因模型尺寸縮小而導(dǎo)致的土工構(gòu)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(yīng)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(yīng)［3］。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是雖然模型的土體以及其中的構(gòu)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(dāng)置于Ng(g為重力加速度)的離心加速度場(chǎng)中，模型的應(yīng)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(zhì)區(qū)別。對(duì)巖土材料而言，離心模型試驗(yàn)是力學(xué)相似性最好的物理模型試驗(yàn)方法。表1列出了離心模型試驗(yàn)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(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

原型為某一海上風(fēng)電場(chǎng)樁基工程中的一根測(cè)試校核鋼管樁，對(duì)其進(jìn)行了抗拔承載力靜載荷試驗(yàn)。該樁直徑1 700mm，壁厚25mm，樁長(zhǎng)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(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、再穿過5 m厚的粉質(zhì)黏土、插入厚49 m的粉砂和粉細(xì)砂層，再下面是含礫中粗砂層。

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

根據(jù)土工離心模型試驗(yàn)規(guī)程(DL/T5102－1999)，模型材料的物理力學(xué)性質(zhì)，如密度、含水率、壓縮性和強(qiáng)度等一般應(yīng)與原型構(gòu)筑物的材料相同。為保證模型材料與原型材料的物理力學(xué)特性相似，選用現(xiàn)場(chǎng)土料來(lái)模擬實(shí)際土層，根據(jù)確定的模型比尺，按照模型率1∶120制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

各土層的模擬要滿足幾何相似的要求。本次試驗(yàn)中土層共分4層制備，從上到下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂和含礫中粗砂。最下面3層土采用分層擊實(shí)法制備，其中粉細(xì)砂和含礫中粗砂以控制干密度為指標(biāo)，砂質(zhì)粉土以控制不排水強(qiáng)度為指標(biāo)。最上層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土采用預(yù)壓固結(jié)排水法制備，以不排水強(qiáng)度為控制指標(biāo)。為模擬該層地基，具體采用了以下分層固結(jié)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(jié)儀預(yù)壓固結(jié)［4］，直至達(dá)到預(yù)期的不排水強(qiáng)度。然后，將地基模型移置于離心機(jī)吊籃平臺(tái)，讓其在120 g下進(jìn)行自重固結(jié)，直至形成整個(gè)地基土層。

對(duì)于原型抗拔樁的模擬，試驗(yàn)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(shí)，按樁身抗壓剛度相似條件設(shè)計(jì)控制。模型樁長(zhǎng)度為670mm，外徑為12mm，壁厚為1mm，外涂環(huán)氧樹脂并粘細(xì)砂后，實(shí)際外徑達(dá)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(yàn)?zāi)Ｐ筒贾肍ig.1 Layout of the model for single pile uplift capacity test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)場(chǎng)樁基的靜載試驗(yàn)根據(jù)各級(jí)荷載維持時(shí)間長(zhǎng)短以及在各級(jí)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(fēng)電場(chǎng)樁基工程中，原型校核樁垂直靜載抗拔承載力校核試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，每級(jí)荷載作用時(shí)間不少于2h。當(dāng)分級(jí)加載至11 200kN時(shí)，軸向抗拔校核的荷載(Q)與上拔量(S)關(guān)系曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由此開始分級(jí)卸載，直至卸除所有上拔力。表2列出了現(xiàn)場(chǎng)抗拔承載試驗(yàn)分級(jí)加載和卸載過程中各級(jí)荷載和相應(yīng)的上拔位移量。

表2 原型現(xiàn)場(chǎng)抗拔承載試驗(yàn)分級(jí)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(yàn)研究中，在開發(fā)分級(jí)加載抗拔力裝置成功之前，首先嘗試采用了等應(yīng)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(yàn)最小加載增量是1 600kN，加載間隔2 h。根據(jù)模型試驗(yàn)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(shí)約1.5 h。由此可見，本次模型試驗(yàn)以等應(yīng)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(yàn)。

圖2給出了離心模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)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(guān)系。在相同荷載的前提下，模型樁的上拔位移量大于實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)樁受力達(dá)到抗拔極限承載力接近破壞。圖中Q-S曲線的第2個(gè)階段即曲線中的弧線段，對(duì)應(yīng)于樁拉伸變形的彈塑性破壞階段，此時(shí)樁頂受到的上拔力達(dá)到抗拔極限承載力。

圖2 離心模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of centrifuge model test and prototype test

從圖中看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(yàn)推求得出的單樁極限抗拔承載力值高出原型靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值約28%，這可能與模型試驗(yàn)連續(xù)加載方式和加載速率較快相關(guān)，尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究工作。

3 結(jié)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(yàn)加載速率較原型靜載試驗(yàn)快，其上拔位移大于原型試驗(yàn)的上拔位移，兩者位移差有一定的規(guī)律性，有待在進(jìn)一步試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。

(2)原型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的單樁抗拔極限承載力約為9 600kN，模型試驗(yàn)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(yàn)工作，以充分掌握樁基尤其是大直徑超長(zhǎng)樁基的抗拔承載力特性。

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