基桩模型试验及时效性研究现状——竖向循环荷载作用

胡娟 胡敏萍

(1.浙江树人大学城建学院 浙江杭州 310015；2.陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南 714000)

基桩模型试验及时效性研究现状
——竖向循环荷载作用

胡娟1,2胡敏萍1

(1.浙江树人大学城建学院 浙江杭州 310015；2.陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南 714000)

桩基础理论研究与工程应用比较广泛，文章总结了学者们对砂土、粘土、粉土及红粘土等地基土中桩基模型模拟海洋平台中的受力，如竖向循环荷载作用下桩顶沉降和桩基承载力与桩侧摩擦系数与循环次数、循环荷载比以及循环加载速率有关，而地基土的种类以及土的参数不同时，结果也不相同。研究现状表明，对于在役公路的黄土地基桩基在轴向循环荷载方面研究甚少，有待深入进行探讨。对于模型试验研究的总结，能够为复杂施工条件下桩基承载机理的认识与应用提供科学依据。

基桩；轴向循环荷载；模型试验；研究现状

0 引言

桩基础的理论研究与工程应用极为广泛，而桩基不仅用于海洋工作平台、房屋基础、铁路桥梁而且广泛用于公路桥梁基础。我国新建公路桥梁以及已运营的65万余座公路桥梁中，多数采用桩基础。而这些桩基长期在活载的运营下工作，而交通荷载则随车轮移动而产生循环荷载[1-2]。目前国内外现有技术手段和方法主要着眼于桩基础的设计和施工，对于服役期桩基础的性能评定还局限于采取以表观病害为主进行评定的方法。而在服役桥梁桩基础的承载力发挥机理研究、桩周土对服役期桩基承载性能的影响等均涉及较少，而对在役桥梁桩基的承载力检测[3-4]、评定方法和手段均无相关规范可参考。因此，对服役期内桥梁的桩基础承载机理越来越得到研究者的关注。

迄今为止，桩基的理论模型试验[5-9]研究与应用内容极为广泛，水平循环作用下桩基的研究也较多，但对于竖向循环作用下桩基模型试验相对较少。以下主要从不同地基土、桩基时效性及检测方法等几个方面对竖向循环荷载作用下桩基承载特性研究现状进行阐述。

1 不同地基土中竖向循环荷载下桩基承载现状研究

1.1 粘土地基

H.G.Poulos[10](1982)在桩基承载力研究中考虑循环荷载作用下桩的刚度、土的种类(粘土和砂土)、加载速率及加载幅值变化与否等方面进行了综合探讨。文章指出循环荷载不仅使桩的承载力和刚度降低，而且会影响桩侧表面摩擦及土的压缩模量。

Briaud J L and Felio G Y.[11](1986)分析了以往学者研究的循环荷载作用下粘土地基中模型桩试验数据、模型桩尺寸、加载数据等，探讨了桩在循环荷载下的承载性能。文中表明，对于慢的不排水循环荷载比快速不排水循环荷载更具破坏性，而且循环加载系数值随土的类型不同而不同，试验数据为低于0.6。并提出当循环系数总和为1时，单桩的极限静承载力会减少40%。

陈竹昌[12](1990)模拟海浪和风暴对海洋平台中桩的作用，对粘土中模型桩进行了循环荷载试验。模型试验桩外径为3.0cm，长度为1.15m的铝合金管，以0.1Hz频率进行气压循环加载。文中提出用静荷载比、循环荷载比、最大(循环)荷载比、最小(循环)荷载比等参数来反应循环加载情况。试验验证3个试验条件的结果比较合理，且给出了归一化桩承载力建议值。其归一化承载力随着循环荷载比的减小而增大，且承载力发生最急剧变化的部位是在双荷载区内。

1.2 砂土地基

C．Y．Lee and H.G.Poulos[13](1988)对钙质砂土中的灌注桩进行了循环加载试验研究，主要模拟了近海平台的桩的轴向承载能力。模型桩径直径2.4cm，桩长0.256cm，试验采用2种不同静态测试阶段，第一阶段是降低土的上覆有效应力，然后桩土系统静止1.5h，再逐级加载至破坏(沉降为10%的桩径时)并对每个加载阶段进行荷载试验；第二个阶段是增加土的上覆有效应力，即对土壤的背压是减小的，测试与第一步相同。试验表明在钙质土中的有效应力随孔隙水压力的变化而变化，则桩侧摩阻力与有效正应力成正比，且推荐桩土接触面的摩擦系数取0.8。

徐和[14-15](1989)模拟在砂土中的深水海域海洋平台的桩基在海浪及风暴荷载作用下进行轴向循环荷载模型试验，模型桩采用外径为3.5cm，长为1.2m的硬铝合金管，采用气压加荷设备施加应力控制式的静、动荷载。加载频率为0.1Hz的等幅循环荷载，试验完成5组静拔试验、20组单向循环荷载试验和6组双向循环荷载试验。动、静荷载综合作用下，单向循环荷载结果表示，桩的动承载力随动荷载与静荷载比值的减小而增大，而动承载力比静承载力降低10%～30%；双向循环加载时，桩的动承载力变化趋势随动荷载与静荷载比值的增大而显著降低，比静承载力降低40%～85%左右。循环荷载影响桩的动刚度降低，单向循环荷载，桩的动刚度约为4.0kN/mm～11.5kN/mm，双向循环下约为1.0kN/mm～3.5kN/mm，且双向循环时桩的动刚度降低是单向循环下的2～4倍。

C.Y.Lee and H.G.Poulos[16](1991)对澳大利亚西北大陆架的钙质砂土地基中的灌注桩进行了模型试验研究，为了模拟近海岸桩基的承载机理，在对循环荷载控制和位移控制下桩侧摩阻力变化以及桩径的影响因素进行了分析。试验采用直径为3cm，长0.634cm的铝合金管作为模型桩，桩端处通过放置一软橡胶垫来消除端阻。采用空气压力进行加载。试验结果显示，两种加载方式均会弱化桩侧摩阻力，且成正比关系变化。Riadh H.Al-Douri and Harry G.Poulos[17](1995)也对澳大利亚西北大陆架的钙质砂地基中的桩基进行循环荷载作用下模型试验。模型桩为3mm厚,直径为25mm厚的铝合金管，长为0.4m。模型箱尺寸为直径为59cm，深0.48m的不锈钢。底部垫有橡胶垫消除端阻。试验结果表明，在固定循环荷载时，位移累积随荷载水平和荷载次数增加而增加，而位移累积的增加速度随循环次数的增大而减小，而且荷载水平是影响位移累积的主要因素。在循环荷载作用时，循环荷载极限值为静载极限值的0.6倍。

黄雨[18]等(2009)对上海市崇明东滩地区砂土地基中的单桩进行竖向循环荷载及试验设备的开发。循环荷载采用了与吊车工作时的加卸载情况比较接近的三角波，循环加载周期为120s，如图1所示。试验指出，循环荷载比一定时，单桩沉降量与循环次数成正向变化关系，并且位移沉降量增加的趋势逐渐减缓。循环荷载比超过一个临界值后沉降发展加快。不同幅值的循环荷载作用下，桩顶累积沉降随循环振次变化的发展规律具有相似性。

图1 黄雨(2009)模型试验加载曲线

1.3 粘土和砂土地基

律文田[19](2005)对京沪高速铁路某标段桥梁跨径为20m和32m简支梁进行循环加载试验，此标段为粘土和砂质地基。试验桩是3根埋设有钢筋计的PHC管桩，预制管桩直径为55cm，桩长24m。加载方式先将静载逐级加载至桩的工作荷载，在此基础上施加循环次数100万次动载(动力幅值40kN，频率3HZ)，然后再卸载至零。分析了高速列车动荷载作用下桩顶动位移与动载循环次数的关系，桩顶动位移幅值与动载循环次数的关系，轴力和桩侧摩阻力随深度和振动次数的变化，桩身动应力幅值和动摩阻力幅值沿深度方向的变化。桩侧动摩阻力承担了桩顶绝大部分的桩顶动力荷载，主要集中在桩侧上部1/3的范围内。试验显示，在加载初期会对桩侧摩阻力和轴力的调整产生影响，基本不影响桩的承载力。

1.4 粉土地基

朱斌[20](2009)对粉砂土地基中刚性单桩开展了1g 条件下岩土工程问题的大比例或足尺模型试验，如图2所示。通过对桩外径11.4cm，长3m，壁厚2.5mm的钢管桩进行周期为15s的波形荷载加载，如图2所示。试验指出，循环荷载比达到最小循环荷载比以下时，桩顶累积沉降可忽略，而最小循环荷载比随着桩基侧阻力与桩端阻力之间的比值的增大而减小，且循环累积沉降与循环次数的比值近似与桩顶循环荷载比呈线性关系。

图2 朱斌(2009)循环荷载波形及荷载比定义

陈仁朋[21](2011)、任宇[22](2013)对高铁所处饱和粉土地基中的桩基进行了1g条件下大比例竖向循环加载模型试验。模型桩尺寸为桩径为16.8cm，桩长为4.2m壁厚为7mm的钢管桩。试验结果表明单周循环荷载作用下的桩基承载力随振次增加而减小，桩顶累积沉降随循环次数和循环幅值增加而增大。循环荷载作用后桩身上部轴力减小，下部端部轴力增加，桩身轴力产生下移。且桩端强度及刚度均大幅提高，侧摩阻强度及刚度均有明显弱化，而循环加载对桩基的静力承载特性影响较小。同时也提出循环荷载对于不同桩长影响不同，桩长越长，桩基承载力的循环弱化程度越小，循环累积变形较静载变形的增加幅度减小。此试验为深入了解饱和粉土地基中刚性桩基动力加载性状提供了试验依据。

1.5 红粘土地基

章敏[23](2013)研究了埋入土中深度为1.6m，桩径13cm和桩长1.72m的单桩在红黏土中不同加载频率和循环荷载比下单桩承载特性。采用正弦波形加载形式来模拟列车对桩基础的动力影响。结果表明，桩顶沉降随着循环荷载幅值的不同分为非稳定、亚稳定和稳定3种形式；桩的动承载力随着加载中动荷载所占比例的增加而降低，循环加载初期，桩顶动刚度经过迅速降低的短暂过渡阶段趋于稳定。在常法向刚度边界条件下，土体随着循环剪切发生明显的剪缩行为，切向和法向应力随之降低。

2 钻孔桩基础承载力时效性研究现状

钻孔桩是目前我国桥梁工程中应用最为广泛的桩基类型。但其承载力的时效性研究目前开展较少，对于钻孔桩承载力时间效应的认识远没有预制桩深入[24-25]。但是近年来也开展了成桩后不同时间的钻孔桩承载力试验，工程技术人员对承载力的时效性也有较为直观的了解。

楼晓明，陈强华[26-27]等(1987)针对上海地区饱和软土钻孔桩(桩长40.15m，桩径60cm)的极限承载力随休止期的变化规律做了静载试验，提出桩端阻力变化可以忽略，桩侧摩阻力随休止期的增长而增加，软土中灌注桩短期时效不明显。

为了研究灌注桩单桩承载力更长休止期的时效，郑刚等[28](2003)对天津广达大厦的2根单桩进行了承载力试验。分别于1996年1月底和2000年10月底进行2次静载试验，试验间隔达57个月，2次试验结果显示注桩随时间效应其单桩承载力增加显著。

2009年交通运输部公路科学研究所[29-30]在澳门氹仔码头工程中对同一根桩基的试验结果表明，钻孔桩在休止一定时期后，在相同的试验荷载下，休止后的桩顶沉降量要小于休止前的桩顶沉降量。

赵楠[31](2011)采用堆载试验，对同1根人工挖孔桩进行了2次静载试验。认为二次复压的单桩承载力明显大于首次试验的承载力。

陈兰云等[32](2006)对建于湖滨冲积平原上的2根钻孔灌注桩试桩在成桩后不同时间进行了荷载试验。陈兰云等认为单桩竖向承载力在28d以前增长较快，28 d以后桩基承载力呈缓慢增加趋势。

钻孔桩成桩时由水下泥浆护壁形成一层软弱泥皮，钻孔桩的承载力时效性表现较明显。根据陈志坚[33]等(2008)的研究，超长钻孔灌注桩的成桩过程存在对桩周土挤密作用。

上述试验资料认为钻孔桩的承载力是具有时效性的，但承载力的时效性对桩基的最终承载力的影响到底能达到什么程度，如何进行计算，目前尚无法有效分析。尽管上述方法还需要完善，但均反映了一定土质条件下单桩承载力随时间的变化特征。钻孔桩时效性的产生和发展需要一定的条件。由于钻孔桩的现场试验和相关研究开展较少，对于钻孔桩时效性的产生条件和产生机理还需要深入研究和完善。

3 桩身应变测试技术研究现状

桩基的承载力是通过埋设在桩体表面或体内的测试原件应变的测试，从而计算出桩身轴力以及桩侧摩阻力沿桩身深度方向上的分布情况。目前针对桩身进行应变测试主要采取电阻应变片法[34-35]、滑动测微计法和光纤光栅测试技术等[36-37]。

(1)电阻应变片法

根据粘贴在桩身各测点的应变片与桩身共同变形的特点，通过测试桩身应变计算出桩身轴力，而桩侧平均摩阻力取桩身两相临微段间的轴力差进行计算。

电阻应变片法在桩基模型试验中应用较广，但由于此方法受环境影响大，测试结果不稳定，从而导致误差较大，且模型桩制作过程中以及试验测试过程中应变片的粘贴效果和引线均会受到不同程度的影响，故成活率较低，造成数据收集不全或精度不准等问题。

(2)滑动测微计方法

此方法测试连续性及精度均优于电阻应变片方法。滑动测微计法测点多，可以连续地对桩身上各点进行测试，可以有效地修正零点漂移，适合长期观测同，也可用于爆破开挖区进行测试。这种方法用于试桩的静载、循环荷时测试可以得出桩端阻力、桩侧摩阻力、各级荷载下侧摩阻力沿桩身深度变化的连续分布曲线以及端阻力与侧摩阻力随荷载变化的曲线等参数。但桩端阻力和桩侧摩阻力不能直接通过实测应变值计算，必须对其进行平滑处理才可以。

(3)光纤光栅传感器法

在光纤上连续刻写光栅串，并与桩身共同受力而将桩身轴力转换成光学波长测量，将波长转换成桩身测点的应变。

目前，光纤光栅传感器被普遍认为是实现“光纤机敏材料”“光纤灵巧结构”的理想测试器件。可在0.5MPa水压中以及强冲击等恶劣环境正常工作。此测试方法应用越来越广泛。

4 结语

综上所述，国内外学者对竖向循环荷载下单桩的沉降、承载性能、时效性开展了一些研究，发展了一些常用的试验测试方法，产生了一系列富有成效的理论，这些研究显示了在竖向循环加载下的桩基承载性能与静力计算结果存在差异。而现有的研究多是针对建筑工程、海洋工程及厂房荷载进行开展，对公路服役期桥梁承受的活载对桩基础的作用特性、活载作用频次、频率等对沉降及桩侧摩阻力、桩端阻力的影响方面的研究几乎空白。

由于土体以及桩—土间工作特性的隐蔽性，使桩—土间的研究仍然存在许多复杂的问题，亟需对不同土体中考虑公路桥梁桩基在静载及活载长期运营过程中其承载性能开展深入、系统的研究。

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Research Status of the Pile Model Test and Pile Timeliness——Vertical Cyclic Loading

HUJuan1,2HUMinping1

(1.School of Civil Engineering of Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015；2.Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000)

The theoretical research and engineering applications of foundation piles were used more widely today, the paper summed up the findings of the modeling test on pile foundation by the axial cyclic loading in the sand, clay, silt and red clay soil.The results showed that the influences of the pile bearing capacity and the skin friction, were the number of cycles, maximum cyclic load and the cyclic loading rate.Whereas the result is not the same as the foundation soil types and soil parameters are different.The scholars mainly simulated the pile foundation in the sand and clay by the ocean storm loading, however, the studies on the pile foundation in the loess on highway loading were little.The summary of the study on the pile foundation modeling test will provide scientific basis for the study and application of the pile foundation’s capacity and skin friction mechanism under the complicated construction conditions.

Foundation piles; Axial cyclic loading; Modeling test; Research status

浙江树人大学引进人才项目(2016R001)，陕西省教育厅项目(15JK1168)，交通运输部应用基础研究项目(2012-319223020)。

胡娟(1976.8- )，女，副教授。

E-mail:hujuane_816@163.com

2016-11-03

TU473.1

A

1004-6135(2017)03-0063-05