冲刷作用下水平承载单桩静动力特性试验研究＊

胡 丹 李 芬 张开银

（武汉理工大学交通学院 武汉 430063）

0 引 言

对于跨江河的桥梁桩基础和近海结构物桩基础，冲刷一直以来是桥梁和结构物失效或垮塌的主要原因之一，因此在桩基设计计算中，除了要考虑恒载或活载作用外，水流冲刷也不容忽视.

有关桩基受到冲刷之后的承载力性状变化的试验研究的成果相对较少，Reese［1］总结了桥梁冲刷现象，通过模型试验的方法分析总结了冲刷对桩基水平承载力的影响，Kishore等［2］探讨了冲刷分别对柔性桩和刚性桩的单桩水平承载力的影响.赵春风［3］开展了室内模型试验，通过自主开发的组合加载装置（竖向载荷和弯矩荷载），研究组合加载对单桩水平承载性状的影响规律.目前采用较多的是数值拟合方法，梁发云等［4］用Ansys有限元软件建立冲刷状态下承受竖向荷载的单桩，主要研究的是在不同冲刷深度和不同冲刷范围下桩基竖向承载力的变化规律.王楠［5］通过采用有限元法分析冲刷作用对桩基竖向承载力的影响，采用生死单元功能，通过将桩靴周围一定深度、范围内的土体单元逐步移去来模拟冲刷过程.

由于目前采用室内模型试验的方法对单桩静动力特性的研究较少，本文将结合实际工程中单桩的受力情况设计加工水平加载装置，进行一系列单桩室内模型试验，讨论不同的冲刷深度对桩基水平承载特性及其动力特性的影响规律.

1 模型试验

1.1 试验装置

本次试验模型槽的几何尺寸为1 000mm（L）×1 000mm（B）×1 200mm（H），将模型桩预埋于砂土中.加载装置通过滑轮一端与模型桩连接，一端挂砝码，通过钢丝绳将砝码的力施加到桩头，由于滑轮摩擦很小，近似将砝码重量等同为施加的水平荷载，见图1.

为测得在不同水平荷载作用下沿桩身各点应力的变化，选择在泥面以下沿桩身两侧对称布置10个应变片测点；为测量桩头水平位移，在砂面处（沿水平力作用方向）安装一只百分表.

图1 试验加载装置

1.2 桩土材料参数

本文的模型试验属于定性模型试验，只需确定基本的相似比（如几何相似比CL和弹性模量相似比CE），就能通过讨论若干冲刷因素并分析主要影响因素而达到反映实际工程桩基础承载特性的目的.在海洋平台桩基实例中，模型桩的原型是直径2.5m、桩长82m的海洋自升式平台桩腿，桩弹性模量为206GPa；模型桩材料对试验结果影响较大，经查阅大量模型试验参考文献分析比较后，选定有机玻璃管作为模型桩材料，模型桩外径为30mm，壁厚为3mm，桩长为1 000mm，经弹性模量标定试验测得桩身材料弹性模量为2 500MPa，对应CL＝82，CE＝82.4.

通过室内土工试验获得试验用砂土密度为1.33g／cm3，含水率为12.6%.为测定试验用砂土的强度指标，采用应变式手动直剪仪对试验用砂土进行了快剪试验，测得试验砂土的内摩擦角为33.8°，粘聚力为3.35kPa.为测定试验用砂土的压缩模量，采用固结仪对试验用土进行固结试验.根据试验结果，本试验用砂土的侧限压缩模量为Es＝4MPa.

1.3 水平加载试验方案

一般而言，桩基础周围的冲刷深度可达数米以上，而冲刷对于桩基承载性状的诸多影响因素中，冲刷深度是最重要的影响因素，因此，本文将主要考虑冲刷深度的变化.

将单桩埋入砂土中并分层回填压实，为减少土层扰动的影响，设置连续6组试验（6组不同的冲刷深度），每做完一组试验，将冲刷坑回填至初始状态再重新开挖.桩头原始出露200mm，再按照桩的设计冲刷深度移去桩周上覆土层，以模拟冲刷深度的变化.图2为单桩在冲刷深度为50 mm的模型试验图.

加载方式：加载方式为逐级加载，第一级加载为砝码挂钩，等效力为3.6N，此后每级加载都是10N，分8次进行，因此最大荷载为83.6N；在冲刷深度较大时，在相同的水平力作用下，桩头位移较大，会采取每级加载5N.在百分表读数稳定后用应变自动采集仪采集各点应变值，再进行下一级加载.

图2 单桩在挖深50mm后的试验图

1.4 自振频率测试

在试验中一般采用自由振动法获得结构自振频率，即采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使结构受到冲击荷载而产生自由振动，并将传感器布置在结构最可能产生最大振幅的部位，同时要避开某些杆件可能产生的局部振动.本文选用在桩头固定加速度传感器，采用重锤对单桩一侧进行敲击，使用数据采集仪和个人电脑采集并记录数据，分别在5组不同的冲刷深度及不同的冲刷宽度下完成试验.

2 试验结果分析

2.1 单桩水平极限承载力

当水平位移达到设计要求的水平位移允许值时，认为达到了单桩的水平极限承载能力.在实际设计要求中，一般将水平位移允许值定义为桩径的20%.

本次试验按照由浅到深的冲刷深度进行水平静载试验，图3为不同冲刷深度下水平载荷与桩头位移之间的关系.由图3可见，随着冲刷深度的增加，在同一水平载荷下，桩头水平位移增大.图4为单桩静载试验水平极限承载力－冲刷深度曲线.由图4可见，桩基水平极限承载力随着冲刷深度的增加呈减小趋势.当冲刷深度（S）小于1.5倍桩径（S／D＜1.5）时，水平极限承载力受冲刷影响较小；当冲刷深度达到大于2倍桩径，小于8倍桩径（2＜S／D＜8）时，水平极限承载力受冲刷影响较大，下降幅值达到80%；随着冲刷深度继续增大（S／D＞8），水平极限承载力下降曲线趋于平缓.

2.2 沿桩身弯矩图

考虑到实验过程中可能存在着粘贴应变片或人为操作的各种误差，首先对沿桩身各点的应变值进行修正，再根据修正后的应变值计算得到不同测点的弯矩值，作出在同一冲刷深度，不同水平力作用下各点的弯矩图.

式中：M为该断面处的弯矩值；E为材料弹性模量；I为截面惯性矩；ε为试样应变；a为中性轴到截面最外缘距离，此时a＝R.

图3 水平载荷－桩头位移曲线图

图4 极限承载力－冲刷深度／桩径曲线图

图5 不同水平力作用下沿桩身弯矩变化曲线图

以沿桩身深度为纵坐标，各点算得弯矩为横坐标，作出在同一冲刷深度，不同水平力作用下沿桩身弯矩变化曲线图见图5.

由图5可知，在靠近桩－土接触面位置的弯矩值为负值，这是由于集中力加载导致桩变形产生的试验误差.沿桩身的弯矩值先增大，达到最大弯矩后又逐渐较小，且随着水平荷载的增大而显著增大.在未冲刷时，最大弯矩点位置为距桩－土接触面0.25m（8D）处，随着冲刷深度的增加，最大弯矩点位置逐渐上移，当冲刷深度达到30.0cm时，最大弯矩点位置为距桩－土接触面0.15m（5D）处.说明在桩基设计过程中要注意满足该位置的抗弯承载力.

在同一水平力作用下，随着冲刷深度的增加，最大弯矩先增加后减小.这是由于桩身存在变形，会对土体产生挤压，这样就形成了桩－土相互作用的复杂体系.

2.3 单桩模态分析

采用Cras系统进行信号采集及分析，具体过程为：力脉冲信号及加速度响应信号经电荷放大器放大，经低通滤波器去除直流分量和干扰信号，进入A／D转换进行数据采集，再进行双通道FFT分析，最后进入结构模态分析模块，识别出各阶模态参数.

图6为各阶频率随冲刷深度变化曲线图，由图可知各阶频率随着冲刷深度增大而降低，当冲刷深度大于3倍桩径（S＞3D）时，各阶频率模态的变化较为显著，可通过频率变化来识别冲刷深度.图7为冲刷深度为150mm，冲刷宽度分别为80，110，150mm时各阶频率的变化，由图可知冲刷宽度变化对各阶频率模态的影响不显著.

3 结束语

1）桩基水平极限承载力随着冲刷深度的增加呈减小趋势.当冲刷深度小于1.5倍桩径时，水平极限承载力受冲刷影响较小；而当冲刷深度达到大于2倍桩径，小于8倍桩径时，水平极限承载力受冲刷影响较大，下降幅值达到80%；当冲刷深度继续增大，水平极限承载力下降曲线又趋于平缓.这是由于冲刷深度加深，桩周土体减少，桩侧土体提供的侧向摩阻力减小，桩基承受外荷载的能力降低，即桩基承载力减小.

2）用实测的应变值计算得到不同测点的弯矩值，作出在不同冲刷深度，不同水平力作用下各点的弯矩图.由各冲刷深度下的弯矩图可知，沿桩身的最大弯矩会随着冲刷深度的增加而减小，且最大弯矩点位置会随着冲刷深度的增加而上移.弯矩的主要影响范围都是在距桩－土接触面（5～8）D处.说明在桩基设计过程中要注意满足该位置的抗弯承载力.

3）单桩各阶模态频率随冲刷深度的增加而有所降低，当冲刷深度大于3倍桩径（S／D＞3）时，各阶频率模态的变化较为显著，说明通过频率模态来反推冲刷深度是可行的.而在同一冲刷深度下，随着冲刷范围的增大，频率有所降低，但变化不显著，说明冲刷宽度对各阶频率模态的影响不显著.

图6 不同冲刷深度下频率变化曲线图

图7 不同冲刷范围下频率变化曲线图

［1］REESE L C.Behavior of piles and pile groups under lateral load［J］.FHWA／RD，1986（1）：85－106.

［2］KISHORE N Y，RAO S N，MANI J S.The behavior of laterally loaded pile subjected to scour in marine environment［J］.Journal of Civil Engineering，2009，13（4）：403－408.

［3］赵春风，王卫中，赵 程，等.砂土中竖向和弯矩荷载下单桩水平承载力特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（1）：184－190.

［4］LIANG F Y，WANG Y Q，HAN J.Numerical analysis of scouring effects on the behavior of pile foundations with the Mohr－Coulomb model［C］.GeoHunan International Conference，GSP 214，2011：82－87.

［5］王 楠.冲刷作用下桩基承载能力分析［J］.海洋地质前沿，2013，29（9）：54－58.