基于阵列式位移计的钢管桩基模型试验研究

张炎飞， 高建财， 张 苇， 杜 湧， 白晓红

(太原理工大学 建筑与土木工程学院， 山西 太原 030024)

基于阵列式位移计的钢管桩基模型试验研究

张炎飞， 高建财， 张 苇， 杜 湧， 白晓红

(太原理工大学 建筑与土木工程学院， 山西 太原 030024)

阵列式位移计(SAA)是由包含微电子机械系统的加速度计的若干段连续体组成的. 具有精度高、 自动实时采集、 可重复利用等特点. 介绍了SAA测试原理及其首次在桩基础模型试验中的应用， 试验中考虑了3个侧向荷载作用角度和3个长径比,研究了不同工况下桩基础模型在侧向荷载作用下的承载特性,分析了长径比和荷载作用角度的影响. 试验结果表明， SAA可监测记录桩体的实时位移； 长径比越大， 极限承载力越高； 荷载作用方向越接近于水平方向， 极限承载力越高.

阵列式位移计； 钢管桩基础； 模型试验； 位移； 转角； 承载能力

0 引 言

伴随海洋强国战略的兴起， 我国逐步迎来了海洋工程的快速发展. 如海上石油平台、 海上风电、 海上输电塔等. 目前， 钢管桩较多地应用于海洋结构基础， 施工时施加负压， 贯入到设计深度. 而海洋结构基础除了承受上部结构的竖向荷载， 还要承受来自风浪和船舶等的侧向荷载[1]. 因此， 对钢管桩基础模型在侧向荷载作用下的承载性能进行试验研究具有重要的科学意义和工程价值.

目前， 已经有不少针对海洋工程中的钢管桩基础的侧向承载特性的研究成果. 李灿[2]通过ABAQUS对大直径单桩水平承载力特性进行研究得到， 荷载作用高度越低， 桩径越大， 水平承载力越高. 金书成等[3]对饱和砂土地基中吸力式桶形基础水平承载力进行研究， 分析了长径比的影响， 提出饱和砂土地基桶形基础水平极限承载力计算公式. 韩智臣[4]利用三维模型计算得到了不同角度倾斜荷载的极限承载力， 考虑了长径比、 加载角度和土体不排水抗剪强度的影响， 并与相关文献的模型实验结果进行了对比验证. 但上述研究局限在模拟分析. Allersm[5]等进行了吸入式桩的室内离心机试验研究， 得到荷载作用点位置的最佳区域. 刘振纹[6]， 施晓春[7]也分别开展了桶型基础的试验研究， 但加载的作用点都选在桩顶位置. 因此， 有必要在此基础上,在桩身的最佳荷载作用点处加载， 通过改变侧向荷载作用角度和长径比开展模型试验研究. 为进一步减小尺寸效应影响， 特选用大尺寸模型钢管桩基础模型.

在钢管桩基础模型试验中， 为了精确得到地基中整个桩基础的实时位移， 本文试验选用了加拿大Measurand公司生产的阵列式位移计(Shape Acceleration Array, SAA). SAA在国内外已有部分应用. 国际上， 2006年ABDOUN等[8]在日本国立防灾科学技术研究所的振动台上运用SAA， 较好地取得了加速度、 位移结果. 国内， 2014年倪克闯[9]和薛丽影等[10]将SAA应用在大型振动台试验中， 对地震动力作用下加速度和位移等动力响应进行了研究. 以上应用局限于模型试验的动态测试， 本文首次将SAA应用于静态下的模型试验.

1 阵列式位移计(SAA)测试原理

阵列式位移计(SAA)， 如图 1 所示， 由多段连续子阵列串接而成， 内部由微电子机械系统(MEMS)加速度计、 微处理器和连接关节组成. 加速度计通过加速度的变化来测量位移量， 微处理器用来收集和传送子阵列的测试数据， 连接关节用来连接每个子阵列. 工作时， 须将SAA的一个端点固定作为参考点， 坐标为(0，0，0)， 而加速度计通过检测各子阵列的重力场， 可以计算出各子阵列之间的弯曲角度θ， 利用计算得到的弯曲角度和已知的各子阵列长度L(30 cm或50 cm)， 便可确定各个子阵列的变形ΔX,即ΔX=sin(θ)·L， 再对各段求和∑ΔX， 可得到距固定端点任意长度位置的总的变形量X. 原理图见图 2. 因此， SAA可以作为放置在钻孔中或嵌入结构内部的变形监测传感器.

图 1 阵列式位移计(SAA)Fig.1 Shape acceleration array

图 2 SAA原理示意图Fig.2 Principle of SAA

SAA具有可3D动态测量、 精度高、 可重复利用、 自动实时采集、 稳定性高等特点. 其技术参数见表 1.

表 1 SAA技术参数

SAA可用于边坡、 隧道、 路基沉降、 桥梁挠度等变形监测， 也可用于动态下的位移、 加速度、 温度等的测试.

2 试验方案

2.1 试验平台

本文的钢管桩基础大尺寸模型试验在太原理工大学岩土工程实验室的大型土工槽内展开. 该土工槽为平面尺寸9 m×4 m(长×宽)的钢筋混凝土池， 深3 m. 土工槽四周做了进一步防水处理. 土工槽系统由地基材料、 饱和系统、 静力加载系统及试验数据采集系统组成,可开展各类岩土工程问题的大尺寸模型试验. 为了进行钢管桩的侧向静载荷试验， 在土工槽侧壁上搭设了一套侧向荷载施加系统， 采用液压千斤顶， 通过置于混凝土侧壁上的荷载转向装置可对钢管桩施加不同角度的侧向荷载.

2.2 SAA安装、 试验模型工况

试验模型共有3组， 由直径203 mm， 壁厚8 mm 的Q235无缝钢管加工制作而成， 桩顶连接盖板采用20 mm厚的Q235钢. 为充分发挥钢管桩基础侧向荷载作用下的承载性能， 在前人对基础最佳荷载作用点的试验研究和ABAQUS有限元分析结果的基础上[11-14]， 本文选取距桩底H/3处作为加载作用点. 在桩吊耳部分用钢丝绳施加与水平面分别呈15°， 30°， 45°的荷载， 加载示意图如图 3 所示， 桩身示意图和实物如图 4 所示.

图 3 加载示意图Fig.3 Loading sketch

加载参考《JTS 167-4-2012港口工程桩基规范》[15]， 加载时每级级差取最大荷载的1/10. 当某级荷载下出现横向变形急剧增加、 变形速率明显加快、 地基土出现明显的斜裂缝即终止加载. 加载试验工况见表 2.

表 2 加载试验工况

SAA安装在固定于桩基础侧面细长钢管中， 与桩长度方向平行. 钢管直径略大于SAA直径， 钢管出口部分与SAA一起固定. SAA远端到达桩底， 与桩底在同一水平位置， 近端固定在土工槽上方的一固定端点， 作为参考点. 由前述的测试原理， 再将SAA通过SAAUSB连接至计算机即可采集数据. 安装位置详见图 3～图 5.

图 4 钢管桩图Fig.4 Steel pipe piles photo

图 5 钢管桩及SAA试验照片Fig.5 Steel pipe pile and SAA test photo

2.3 地基土

本模型试验地基土选用砂土， 填筑前进行夯实. 填筑过程中， 每30 cm用夯实机夯实， 同时控制地基密实度. 之后， 通过土工槽侧面注水饱和. 对地基土按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)进行了常规物理力学指标试验， 有效内摩擦角为28.8°. 筛分法得到的数据见图 6，Cu=6.01，Cc=1.33， 级配良好.

图 6 颗粒分析曲线Fig.6 Grain size accumulation curve

3 模型试验结果

3.1 荷载与位移的关系

加载过程中， 通过钢管桩侧面安装的SAA监测5个工况下的桩身不同位置的位移， 得到了5组荷载-位移曲线.

图 7 为A1工况下桩在侧向荷载作用下的实测荷载-位移曲线， 桩顶位移略大于桩底位移， 但总体A1桩位移特性表现为平动. 其极限承载力为6 kN.

图 7 A1工况下桩身位移随荷载变化图Fig.7 Relationship between lateral displacement and loading in A1

图 8 为A2工况下桩在侧向荷载作用下的实测荷载-位移曲线， 桩顶位移大于桩底位移， 桩身转动角度大于A1桩的转动角度， 总体A2桩位移特性表现为平动和转动. 其极限承载力为13 kN.

图 9 为A3工况下桩在侧向荷载作用下的实测荷载-位移曲线， 桩顶位移大于桩底位移， 桩身转动角度大于A1桩和A2桩的转动角度， 总体A3桩位移特性表现为平动和转动. 其极限承载力最大， 为32 kN.

图 8 A2工况下桩身位移随荷载变化图Fig.8 Relationship between lateral displacement and loading in A2

图 9 A3工况下桩身位移随荷载变化图Fig.9 Relationship between lateral displacement and loading in A3

图 10 A4工况下桩身位移随荷载变化图Fig.10 Relationship between lateral displacement and loading in A4

图 10 为A4工况下桩在侧向荷载作用下的实测荷载-位移曲线， 桩顶位移大于桩底位移， 此时A4桩位移特性表现为平动和转动. 其极限承载力为16 kN.

图 11 A5工况下桩身位移随荷载变化图Fig.11 Relationship between lateral displacement and loading in A5

图 11 为A5工况下桩在侧向荷载作用下的实测荷载-位移曲线， 可以明显看到， 随着荷载的增大， 桩顶产生先往后， 再发生往前的位移. 此时， A5桩总体位移特性表现为小幅度转动. 其极限承载力为12 kN.

3.2 荷载与桩身转角的关系

从SAA得到的位移数据， 可知钢管桩表现出刚性桩特性， 没有明显的桩身变形和破坏. 因此， 转角数据由SAARecorder生成的原始数据导出. 桩身转角为

式中： ΔS为桩顶与桩底的位移之差；L为桩长， mm；θ为桩身转角， (°)， 转角正值表示桩身前倾.

将3.1的5个工况荷载与位移关系结果代入式(1)中， 即可得到各个工况下荷载与桩身转角的关系， 见图 12. 在侧向荷载试验中， 试验加载至极限承载力后， A1， A2， A3中， 桩基础桩身最大转角分别为： 0.2°， 0.7°， 1.8°. 即桩基础在加载角度为15°的荷载作用下， 长径比越大， 转角越大. 在A3， A4， A5中， 桩基础桩身最大转角分别为： 1.8°， 0.75°， 0.06°. 即同一长径比的桩基础， 加载角度越大， 桩身的转角越小.

图 12 桩身转角随荷载变化图Fig.12 Relationship between the turning angles of pile and loading

3.3 极限荷载与长径比、 荷载作用角度的关系

为研究极限承载力与长径比、 荷载作用角度的关系， 将各工况的数据进行对比， 得到的结果见图 13 和图 14.

由图 13 可知， 当钢管桩基础长径比为4.5时， 其极限承载力为6 kN, 当长径比为6时， 极限承载力为13 kN， 长径比为7.5时， 极限承载力为32 kN. 因此， 当加载角度为15°时， 长径比最大， 极限承载力最高.

图 13 极限承载力与比径比关系曲线Fig.13 Relationships between aspect ratio and ultimate bearing capacity of steel pipe pile foundation

由图 14 可知， 在荷载作用角度为15°时， 极限承载力为32 kN, 荷载作用角度为30°时， 极限承载力为16 kN， 荷载作用角度为45°时， 极限承载力为12 kN. 因此， 当荷载作用角度越小， 桩基础极限承载力越高.

图 14 极限承载力与荷载作用角度关系曲线Fig.14 Relationships between loading angle and ultimate bearing capacity of steel pipe pile foundation

4 结 论

通过在钢管桩基础模型侧向荷载作用下的试验中应用SAA， 研究了钢管桩在侧向荷载下的承载特性， 初步得到了如下结论：

1) SAA在试验中能够精确监测和记录钢管桩基础模型在不同位置的位移.

2) 在荷载作用角度一定时， 钢管桩基础的长径比越大， 其极限承载力越高.

3) 在长径比一定时， 侧向荷载作用角度越小， 钢管桩基础极限承载力越高.

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Model Test Study on Steel Pipe Pile Foundation Based on Shape Acceleration Array

ZHANG Yan-fei , GAO Jian-cai , ZHANG Wei， DU Yong , BAI Xiao-hong

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

The shape acceleration array (SAA) is composed of a continuum of segments of an accelerometer comprising a micro-electro-mechanical system with high precision, automatic real-time acquisition, reusable and so on. The principle of SAA and its application in pile foundation model test for the first time was introduced. Three different aspect ratios and three different loading inclination angles were considered in the tests. Lateral load behavior under lateral load and the effect of aspect ratio and loading inclination angle were studied. The test results show that SAA can easily and visually monitor and record the displacement of pile under different lateral loads; the bearing capacity can be improved significantly by increasing the aspect ratio. The more nearly horizontal the loading direction, the greater the bearing capacity of the steel pipe pile foundation is.

shape acceleration array； steel pipe pile foundation； model test； displacement； turning angle; bearing capacity

1673-3193(2017)04-0452-06

2017-02-17

山西省“百人计划”项目(800101-02030017)； 131人才专项经费(900198-02010018)； 山西省研究生教育创新项目(2017SY024)

张炎飞(1992-)， 男， 硕士生， 主要从事桩基工程的研究.

白晓红(1959-)， 女， 教授， 博士， 主要从事岩土与基础工程的研究.

TU473.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.010