单桩竖向抗拔承载力离心模型试验研究

任国峰，徐光明，顾行文

(1.南京水利科学研究院，南京 210024;2.水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京 210029)

在建筑物的基础设计中，桩基础已经被广泛应用，尤其是对抗压桩基的研究，前人做了大量的工作，成果丰富。随着近年近海风电场高速发展，风机基础的一种主要方式就是群桩基础，这些桩都需要承受巨大的抗拔荷载作用，这就需要掌握桩基尤其是大直径桩基的抗拔承载力特性。然而，目前对于桩基抗拔承载特性的研究还有些粗浅，确定单桩竖向抗拔承载力的途径主要有抗拔静载试验、经验公式和理论分析。对于摩擦型桩，抗拔桩的承载力主要靠桩的侧摩阻力承担［1］，在实际工程中，往往根据现场附近抗压桩的侧摩阻力乘上一个单一的折减系数作为抗拔桩的承载力。但最可靠的方法，还是以抗拔桩实验来取代各种公式［2］。然而，对于超大吨位桩基尤其是在水上等环境下的桩基，原型静载荷实验难度很大。本文结合某海上风电场桩基工程设计研究，首次开展了单根抗拔桩的离心模型试验。试验采取等应变连续加载方式施加上拔力，取得了荷载-位移曲线(即Q-S曲线)和单桩竖向抗拔承载力。将其结果与等应力分级加载方式的原型静载荷试验结果进行了比较，从而分析2种不同加荷方式对抗拔极限承载力的影响。

1 试验设计

1.1 试验设备

本项试验是在南京水利科学研究院土工离心模型试验室400 g-t大型土工离心机上开展的。该机的最大半径(吊蓝平台至旋转中心)5.5 m，最大加速度200 g，最大负荷2 000 kg，吊蓝平台1 200mm×1 200mm。采用的圆型模型箱内尺寸为800mm(内径)×1 010mm(高)。该离心机上配备有先进的IMP模块数据采集系统，该系统快速、准确、可靠。数据的采集、存储和处理都在上位机进行。IMP模块和上位机之间通过SNet实现数据和控制命令的通讯。整个信号采集综合模块固定在离心机转轴上方的仪器舱内，离心力场对它影响较小，它由7块应变测量单元和1块电压测量单元组成，能对70路应变量和20路电压量进行测量，每通道采样速率设定为1次/s。

为完成本次试验，特别研制了专用拔桩设备，该设备采用速率为60mm/min的低速同步电机作为驱动源，采用机械减速和螺旋升降结构，实现桩的匀速上拔，应变控制速率为1.2mm/min。

1.2 离心模型试验原理

在岩土工程中，土体自重引起的应力通常占支配地位，而土的力学特性又是随土的应力水平不同而表现不同。离心模型试验的基本原理，在于将土工模型置于高速旋转的离心机中，借助于离心力加大材料的自重，补偿因模型尺寸缩小而导致的土工构筑物自重的损失，使小的物理模型能模拟原型的边界条件、应力状态以及稳定性等性状，并能显示出与原型相似的自重效应［3］。该技术的主要特点是虽然模型的土体以及其中的构筑物尺寸缩小为原型的1/N(N为原型几何尺寸与模型几何尺寸之比)，但当置于Ng(g为重力加速度)的离心加速度场中，模型的应力状态与原型保持一致，这是离心模型与常规模型的本质区别。对岩土材料而言，离心模型试验是力学相似性最好的物理模型试验方法。表1列出了离心模型试验研究中主要物理量的离心模型相似率。

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

1.3 试验模型制作

原型为某一海上风电场桩基工程中的一根测试校核钢管桩，对其进行了抗拔承载力静载荷试验。该桩直径1 700mm，壁厚25mm，桩长81.30 m。桩身泥面以上部分约有18 m，向下穿过厚21 m的淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土层、再穿过5 m厚的粉质黏土、插入厚49 m的粉砂和粉细砂层，再下面是含砾中粗砂层。

综合考虑南京水利科学研究院400 g-t离心机的技术参数和所模拟原型校核桩及地基条件以及试验中模型桩制作等因素，确定本次模型试验的几何相似比为120(原型尺度/模型尺度)，离心机设计加速度就为120 g。

根据土工离心模型试验规程(DL/T5102－1999)，模型材料的物理力学性质，如密度、含水率、压缩性和强度等一般应与原型构筑物的材料相同。为保证模型材料与原型材料的物理力学特性相似，选用现场土料来模拟实际土层，根据确定的模型比尺，按照模型率1∶120制作试验模型。

各土层的模拟要满足几何相似的要求。本次试验中土层共分4层制备，从上到下依次为淤泥质粉质黏土、砂质粉土、粉细砂和含砾中粗砂。最下面3层土采用分层击实法制备，其中粉细砂和含砾中粗砂以控制干密度为指标，砂质粉土以控制不排水强度为指标。最上层淤泥质粉质黏土采用预压固结排水法制备，以不排水强度为控制指标。为模拟该层地基，具体采用了以下分层固结方式，每小层厚约50mm，根据重度及厚度确定单层土所需的湿土重，然后经过浸泡、拌成泥浆，从下至上分别置于模型土样固结仪预压固结［4］，直至达到预期的不排水强度。然后，将地基模型移置于离心机吊篮平台，让其在120 g下进行自重固结，直至形成整个地基土层。

对于原型抗拔桩的模拟，试验中采用弹性模量约为70 GPa的铝合金管材制作模型桩。考虑到桩承受竖向荷载时，按桩身抗压刚度相似条件设计控制。模型桩长度为670mm，外径为12mm，壁厚为1mm，外涂环氧树脂并粘细砂后，实际外径达14mm，这样以满足桩壁与周围土体摩擦特性与原型一致。图1是模型布置剖面图。

图1 单桩抗拔承载力试验模型布置Fig.1 Layout of the model for single pile uplift capacity test

2 试验结果及分析

现场桩基的静载试验根据各级荷载维持时间长短以及在各级荷载作用下基桩竖向位移的稳定情况，分为慢速维持荷载法(慢速法)和快速维持荷载法(快速法)［5］。在该海上风电场桩基工程中，原型校核桩垂直静载抗拔承载力校核试验采用慢速维持荷载法，每级荷载作用时间不少于2h。当分级加载至11 200kN时，轴向抗拔校核的荷载(Q)与上拔量(S)关系曲线出现转折，由此开始分级卸载，直至卸除所有上拔力。表2列出了现场抗拔承载试验分级加载和卸载过程中各级荷载和相应的上拔位移量。

表2 原型现场抗拔承载试验分级加载和卸载过程Table 2 The graded loading and unloading process of the in-situ uplift capacity test of the prototype

本次桩基抗拔承载力的离心模型试验研究中，在开发分级加载抗拔力装置成功之前，首先尝试采用了等应变速率的连续加载方式给模型桩施加上拔力，加载速率为1.2mm/min。从表2可知，原型静载抗拔承载力校核试验最小加载增量是1 600kN，加载间隔2 h。根据模型试验的荷载位移发展过程，求得该模型平均荷载速率约为1 100kN/h［6］，按此荷载速率估算，荷载增量1 600kN，耗时约1.5 h。由此可见，本次模型试验以等应变速率方式连续加载抗拔承载力的加载速率快于原型试验。

图2给出了离心模型试验和现场静载试验的Q-S曲线。通过比较看出，在开始阶段，即桩的拉伸变形近似于弹性变形阶段，2条曲线中荷载与位移之间近似为线性关系。在相同荷载的前提下，模型桩的上拔位移量大于实测桩的上拔位移量，并且随着荷载的增加，两者之间上拔位移量的差值平缓增大，直到实测桩受力达到抗拔极限承载力接近破坏。图中Q-S曲线的第2个阶段即曲线中的弧线段，对应于桩拉伸变形的弹塑性破坏阶段，此时桩顶受到的上拔力达到抗拔极限承载力。

图2 离心模型和现场试验结果Fig.2 Results of centrifuge model test and prototype test

从图中看出，现场实测桩的抗拔极限承载力约为9 600kN，模型桩的抗拔极限承载力约为12 300kN。本次离心模型试验推求得出的单桩极限抗拔承载力值高出原型静载试验实测值约28%，这可能与模型试验连续加载方式和加载速率较快相关，尚需进一步的试验研究工作。

3 结论

(1)Q-S曲线的线弹性阶段过程中，在相同上拔荷载下，由于模型试验加载速率较原型静载试验快，其上拔位移大于原型试验的上拔位移，两者位移差有一定的规律性，有待在进一步试验基础上进行分析。

(2)原型试验实测的单桩抗拔极限承载力约为9 600kN，模型试验求得的单桩抗拔极限承载力约为12 300kN，后者抗拔极限承载力值高出前者约28%。造成这种差异的原因之一就是两者加荷方式和加载速率不完全相同，因此尚需大量原型和模型试验工作，以充分掌握桩基尤其是大直径超长桩基的抗拔承载力特性。

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