砂土中桩基动力响应振动台模型试验_胡枫.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 016砂土中桩基动力响应振动台模型试验胡枫，宋春雨，时昆鹏，李得睿，陈龙珠(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)摘要:针对近海工程中桩基受到的风、波浪等水平动力荷载，利用自制的振动台加载系统提供水平简谐荷载，在砂土中开展了单桩和群桩动力模型试验，研究荷载幅值及荷载频率对桩基动力响应的影响。运用数字图形相关形变测试系统监测桩基位移，验证了加载装置的有效性，并对桩周土体的变形进行了动态监测。试验发现，桩身弯矩最大值随荷载幅值增大而增长。1、3、5 Hz 3 种加载频率对桩身弯矩分布影响很小，桩身弯矩主要分布在土体表面以下 11 倍桩径深度范围内，最大弯矩出现在约 4 倍桩径深度处。群桩前排桩的弯矩大于后排桩。试验结果可为桩基在水平动力荷载下的动力响应研究提供参考，该试验系统能为类似的桩基动力模型试验提供技术保障。关键词:桩基础;砂土;振动台;水平简谐荷载;数字图形相关;动力模型试验中图分类号:TU 473文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0079 06Shaking Table Model Test of Dynamic esponse ofPile Foundation in SandHU Feng，SONG Chunyu，SHI Kunpeng，LI Derui，CHEN Longzhu(School of Naval Architecture，Ocean Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)Abstract:In order to study the horizontal dynamic loads on pile foundation in offshore engineering，such as wind andwave，dynamic model tests are carried out Using the self-developed shaking table loading system to provide horizontalharmonic load，model tests of single pile and pile group are carried out in sand to study the effects of load amplitude andload frequency on dynamic response of pile foundation The digital image correlation deformation testing system is usedto monitor the displacement of pile foundation，which verifies the effectiveness of the loading device and dynamicallymonitors the deformation of the soil around the pile It is found that the maximum value of pile bending moment increaseswith the increase of displacement load The three loading frequencies of 1 Hz，3 Hz and 5 Hz have little effect on thedistribution of pile bending moment The pile bending moment is mainly distributed in the depth of 11 times the pilediameter below the soil surface，and the maximum bending moment appears in the depth of about 4 times the pilediameter The bending moment of the front pile of pile group is greater than that of the rear pile The results can providetheoretical reference for the study of dynamic response of pile foundation under horizontal dynamic load，and the testsystem can provide technical support for similar pile foundation dynamic model testsKey words:pile foundation;sand;vibration table;horizontal harmonic load;digital image correlation(DIC);dynamicmodel test收稿日期:2022-07-14基金项目:国家自然科学基金项目(51678361)作者简介:胡枫(1995 )，男，仡佬族，贵州铜仁人，硕士生，主要研究方向为桩基础工程。E-mail:bryant24 sjtu edu cn通信作者:宋春雨(1973 )，女，辽宁海城人，副研究员，研究方向为土动力学及基础工程。Tel:[phone];E-mail:chysong sjtu edu cn第 42 卷0引言近年来，我国迎来了大型近海工程建设的热潮，桩基础在跨海大桥、高桩码头、海上石油平台、海上风电等近海工程中得到广泛应用。桩基础在施工和使用过程中，除了承受上部结构传递的竖向荷载外，还需承受较大的风力、波浪力、水流力等水平动力荷载1，在设计过程中应考虑水平荷载作用下桩基的动力响应。国内外学者针对该问题都采用理论分析及试验研究。如 文 献 2-3中 基 于 Winkler 地 基 模 型 和Timoshenko 梁模型对楔形桩黏弹性地基水平耦合振动情况进行了模拟。丁肇伟等4 利用 Pasternak 地基模型和 Adomian 分解方法提出了一种考虑土体剪切力的计算方法。理论分析在考虑桩土分离、土体非线性特性的综合研究上仍有一定难度，目前此类理论研究仍不够完备。Manna 等5 在不同幅值的水平简谐激振作用下，对钢筋混凝土单桩及不同桩间距群进行了室外实验。Hussein 等6 开展了静载及循环荷载作用下的单桩及群桩原位试验，试验中观察到明显的桩土分离现象。因足尺试验中水平激振力的施加十分困难，模型试验是研究水平简谐荷载作用下管桩动力响应最直接的方法。Qin 等7 研究了烘干石英砂中，刚性模型桩在水平静载和循环荷载下的响应，指出桩身的最大弯矩与外加水平载荷近似线性相关，与循环加载次数无关。梁发云等8 采用铝合金作为模型桩体材料，基于“桩基模型三自由度加载试验系统”开展水平循环荷载下干砂中的单桩和群桩模型试验。张勋等9 针对典型的浅海风机大直径单桩基础，采用自主设计的水平循环加载装置，在砂土地基中完成了单桩模型试验，揭示了长期水平循环加载下单桩累积变形响应特征。丁楚等10 采用水平循环加载的方式，开展单桩和2 2 群桩的离心模型试验。张纪蒙等11 通过 1g(g为重力加速度)水平循环加载模型试验，研究了大直径单桩刚度和变形累计动力特性。目前，关于桩基水平荷载响应的试验研究仍然存在一定不足，如大多数试验采用拟静力加载方式，对海洋环境常受到的 0 1 Hz 频率荷载研究较少，对桩周土体的变形监测较少等。本文基于振动台自行设计了加载系统，采用位移控制的水平简谐动力荷载，开展了不同位移荷载幅值和频率组合作用下的单桩及 2 2群桩模型动力试验，并利用数字图形相关(DigitalImage Correlation，DIC)技术监测桩周土体的变形，以揭示近海工程中桩基在 0 1 Hz 频率范围动力荷载作用下的动力响应。1模型试验1.1试验设备与相似比设计本试验以上海交通大学闵行校区 2 m 2 m 振动台作为荷载源，其有 X、Y 两向 2 个自由度，振动台台面上预留有 100 mm M16 mm 螺栓孔。加载传力装置为自主设计的型钢传力架，具有较高的刚度，能很好地将振动台荷载输出给模型桩，通过螺栓与振动台紧密连接，如图 1 所示。选用刚性模型箱，内部尺寸1 625 mm 1 175 mm 1 170 mm，主体为刚性框架，侧面为光滑的有机玻璃面板，采用李得睿12 研发的 DIC形变测试系统监测桩基位移和桩周土体的变形。图 1振动台加载传力装置图根据相似性原理以及模型的边界效应确定相似比。试验原型桩为钢管桩，桩长 20 m，桩外径 700mm，壁厚 40 mm，入土深度 18 m，质量密度 7 850 kg/m3，弹性模量为 210 GPa，泊松比 0.3。基于现有加载条件和模型箱的尺寸，同时考虑尺寸效应，确定几何相似比 Sl=20，即模型桩桩长 1 m，桩外径 35 mm，壁厚2 mm，入土深度 0.9 m。本试验在 1g 重力条件下展开，模型桩材料采用有机玻璃，其密度 1 209 kg/m3，弹性模量3.15 GPa，泊松比0.3，确定弹性模量相似比 SE=66.67。通过量纲分析法得到相应的泊松比、应变、内摩擦角相似比 S=S=S=1，应力相似比 S=SE=66.67，线位移相似比 S=Sl=20，弯矩相似比 SM=SES3l=533 360，荷载频率相似比Sf=SESS2槡l=66 676 5 20槡2=0.16(1)1.2模型制作及测点布置单桩及 2 2 群桩试验均采用相同尺寸的有机玻璃模型桩，群桩承台材质为铝合金，尺寸为 180 mm 180 mm 30 mm，桩间距 90 mm。单桩及群桩均布置于模型箱正中央，桩基模型边缘距土体边界 740 mm(21D)，大于 12 倍的桩径可忽略模型箱的边界效应对试验结果的影响13。试验前采用砂纸将有机玻璃管的表面打磨粗糙，模拟实际管桩外表面。试验中采用电阻式应变片测量桩身应变;土压力计测量桩土接触面上的土压力;加速度计测量桩顶和振动台面加速度响应。单桩沿桩身共对称布设应变片 6 对，沿桩身共对08第 1 期胡枫，等:砂土中桩基动力响应振动台模型试验称布设土压力计 5 对(见图 2)。振动台和加载杆顶端分别布设加速度传感器，测量振动台的加速度和传力杆端部的响应加速度，以验证传力装置的可靠性。图 2模型测点布置示意图(mm)群桩承台示意图如图 3 所示，加载方向平行于 1、2 号桩连线。群桩承台通过 M12 mm 螺栓与桩顶连接，承台一侧预设螺栓孔，通过 M10 mm 螺栓与加载杆端部连接。群桩传感器的布设方法和间距与单桩相同，按照群桩编号位置布设传感器，对角 2 号桩和 4 号桩沿桩身布设应变片，1 号桩和 3 号桩布设土压力计，其中 1 号桩的土压力计仅在桩身外侧布置。图 3群桩承台1.3试验土样制备试验用土为干燥河砂14，土体深度 1 1 m。砂土级配曲线如图 4 所示，平均粒径 d50为 0.26 mm，不均匀系数 Cu为 2.83，曲率系数 Cc为 0.79。测定基本物理参数，模型砂的含水率为 2.35%，最小干密度 1.46g/cm3，最大干密度1.68 g/cm3。采用分层压实的方法进行模型土的填装，试验时每次填装 10 cm 深度的土体，装土后进行压实，并选取土体平面 5 个位置测量土体密度，控制每次装土后的压实度一致。分层压实后实际测量的砂土密度为 1.54 g/cm3。1.4弯矩的提取参照梁发云等8 提取简谐位移荷载达到幅值时图 4砂土级配曲线同一断面位置两侧的应变数据，计算桩身截面弯矩。1.5试验工况相关研究表明，作用在海洋平台15、风 电 基础16、防波堤17 等结构上的波浪荷载为长周期循环荷载。Naggar 等18 指出，海洋环境荷载的频率范围通常在 0 1 Hz，故模型试验研究该频率荷载范围内的桩基动力响应问题。结合振动台的加载特性和本次试验所关注的荷载频率范围，确定试验的加载频率分别为 1、3、5 Hz，对应的原型结构的频率为0.16、0.48、0.80 Hz，荷载的位移幅值为 1、2、3、4、5、6 mm。位移和频率均采用由低到高的形式进行加载，不同组合对应不同的工况。以位移为基准，在同一位移条件下施加不同的频率，研究加载频率对桩基动力响应的影响。每次工况加载完成后，将桩周土体重新填筑，以保证土体都处于未弱化的状态。每级位移下，不同频率荷载的循环次数为 60 次。前期单桩和群桩的工况相同，考虑到群桩承载能力的提升，上述加载完成后增加8 mm、5 Hz 和9 mm、5 Hz 的工况。由于位移荷载是双向循环加载，前后两排桩的受力模式不断转换，为了便于区分，定义加载方向外侧桩为前排桩，内侧为后排桩。利用振动台为加载源，以控制位移的方式输出荷载，经由传力装置将位移荷载传递到桩顶，分别对单桩及群桩模型施加水平简谐位移荷载。位移荷载采用正弦波循环荷载的形式:A(t)=A0sin t(2)2DIC 形变测试系统的应用李得睿12 编制的 DIC 形变测试系统，基于机器视觉 原 理，运 用 DIC 技 术，辅 以 视 频 运 动 放 大(VideoMotion Magnification，VMM)技术，在土木工程领域中可以实现完备地位移与形变测试。该系统主要由计算设备、图像采集设备、被测物以及照明设备构成，如图 5 所示。本试验中利用该系统监测桩基的位移以及桩周土体的变形。18第 42 卷图 5DIC 硬件系统基本构成2.1试验加载装置验证单桩和群桩试验加载稳定阶段记录到的振动台和加载杆顶端加速度响应峰值与理论值之间的差值始终小于 5%，表明本次试验设计加工的加载传力装置与振动台之间连接紧密，且传力装置整体性较好，能够满足试验要求。图6 所示为选取的单桩6 mm、5 Hz 工况振动台及加载杆顶端加速度对比图，两者加速度曲线几乎重合。图 6振动台及加载杆顶端加速度试验中采用 DIC 技术记录桩的位移响应，图 7 所示为选取的单桩 3 mm、1 Hz 桩顶位移响应。土面处向上依次为测点 1、2、3，测点 1 位于土面上方约 1 cm处，测点 3 位于加载位置，测点之间的竖向间距为 2cm。由桩的位移响应可知，位移荷载由振动台面传递到桩顶的衰减很小，因此能够假定振动台输出及传递到桩顶上的位移荷载即为输入的简谐位移荷载，证明了该传力装置的有效性和加载方案的可行性。图 7单桩 3 mm-1 Hz 桩顶位移响应2.2DIC 测试桩周土体变形利用 DIC 测试系统对桩基振动过程中周边土体表面的运动进行了动态监控，可得到桩周土体沿加载方向和垂直加载方向的位移情况，如图 8 和图 9 所示，加载方向垂直于 2、3 号桩连线。群桩运动的幅度和土体影响范围随着位移荷载增大而不断增大。荷载增加时，桩身沉降形成的凹坑范围不断增大。试验观察到加载方向两侧土体的水平运动和竖向隆起，群桩表面土体竖向隆起的范围和程度明显大于单桩。图 8沿加载方向桩周土体位移云图图 9垂直于加载方向桩周土体位移云图3桩身弯矩结果分析3.1位移幅值对桩身截面弯矩的影响各试验工况表明单桩及群桩桩身最大弯矩的位置都出现在土面以下约 15 cm 深度位置，即约 4 倍桩径位置弯矩达到最大，桩身弯矩的分布主要集中在土面以下 40 cm(11 倍桩径深度)范围。上部桩身弯矩随着位移荷载幅值的增大有明显的增加。如图 10 所示为单桩加载频率 1 Hz 时，1 6 mm 位移荷载工况对应的桩身最大截面弯矩 M 分别为 0.92，1.63，3.17，3.37，3.79，4.83 Nm，相邻位移工况间的增幅分别为 77%，94%，6.3%，12%，27%。图 101 Hz 荷载下的单桩桩身弯矩如图 11 所示为 1 Hz 荷载下的前、后排桩桩身弯矩，相同工况下，群桩后排桩最大弯矩值始终小于前排桩，约为前排桩的 70%。因此，在水平简谐荷载作用时，桩顶通过承台固结的群桩基础，前排桩分摊荷载要大于后排桩。与前排桩相比，后排桩的桩身弯矩分布更加平缓，且弯矩分布深度增加。在 25 和 40 cm 深度28第 1 期胡枫，等:砂土中桩基动力响应振动台模型试验位置，后排桩弯矩与最大弯矩的差值比前排桩小。位移荷载幅值为 6 mm 时，25 cm 深度位置弯矩增长为最大弯矩的 65%左右，而前排桩该位置的桩身弯矩始终不超过桩身最大弯矩的 40%。(a)前排桩(b)后排桩图 111 Hz 荷载下的前、后排桩桩身弯矩3.2荷载频率对桩身截面弯矩的影响相同位移幅值情况下，对比 3 种加载频率作用对桩身截面弯矩的影响。试验结果表明，不同荷载频率造成桩身弯矩分布的差别较小，如图 12(a)所示，单桩试验中只有在位移荷载幅值大于 3 mm 时，土面以下两层测点位置的截面弯矩随着加载频率的增加略有增长，但是其余部分的桩身弯矩几乎没有差别。3 种加载频率对群桩桩身弯矩影响也很小，仅列出位移幅值为 6 mm 时前排桩在 3 种荷载频率下的桩身弯矩对比情况，如图 12(b)所示。4结语本试验基于振动台的构造，自行设计了加载传力装置，组成了动力试验系统。通过对比加载杆顶端和振动台的加速度峰值响应，观测桩顶的位移响应证明了传力装置的有效性和加载方案的可行性。利用该系统开展了不同幅值和频率荷载组合下单桩及 2 2 群桩模型试验，得出以下结论:(1)位移荷载幅值由 1 mm 逐级增加到 6 mm 时，单桩和群桩桩身弯矩最大值都不断增大。与位移荷载幅值相比，1，3，5 Hz 3 种加载频率作用下得到的桩身(a)4 mm(b)6 mm图 12不同位移幅值荷载下的单桩桩身弯矩弯矩差别很小，几乎可以忽略。桩身弯矩主要分布在土体表面以下 11 倍桩径深度范围内，最大值出现在约4 倍桩径深度处。(2)群桩之间的相互作用提高了桩身整体刚度，参与提供桩侧反力的土体范围增大。此外，前排桩的弯矩大于后排桩，群桩承受水平简谐荷载时，前排桩分担的荷载更多。(3)自行设计的动力试验系统能够较好地输出水平动力荷载，可为类似的桩基动力模型试验提供参考。试验中运用了 DIC 形变测试系统准确地对桩基位移和桩周土体变形进行了监测，该方法具有高效、便捷、非接触等特点，可以为类似的模型试验中桩基位移和土体形变的测量提供参考。参考文献(eferences):1刘润，闫澍旺 海洋大直径钢管桩工程M 北京:中国水利水电出版社，2016:1-162郑长杰，林浩，曹光伟，等 水平动荷载作用下海洋大直径管桩动力响应解析解 J 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