水平撞击下桩—土复合体系动力作用特性试验研究_王祥秋.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023水平撞击下桩 土复合体系动力作用特性试验研究王祥秋，廖镇源，陈世超(佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528000)摘要:以重载车辆撞击公路跨线桥桥墩为研究背景，基于动力相似试验原理以及微粒混凝土等相似试验材料，构建重载车辆水平撞击作用下的缩尺试验模型。基于 4 种不同水平撞击试验工况，系统分析了不同撞击动量作用下桩 土复合体系动力响应以及桩 土接触面动力相互作用特性，并基于超声波损伤识别理论，分析研究了不同水平撞击能量作用下桩身动力损伤演化规律。结果表明:当撞击速度较低时，撞击力峰值随撞击速度的增大呈非线性增长，当撞击速度超过某一水平时，撞击力峰值增长率趋于稳定;水平撞击动量与撞击能量愈大，桩身的撞击损伤程度愈严重，桩身动力损伤指标 D 与水平撞击动量 p 和撞击动能 Ek均呈二次函数关系;水平撞击荷载作用下，桩身破坏模式主要表现为被撞击一侧的拉伸破坏，桩身正反两侧桩土接触面会产生较大量值的瞬态动土压力增量，提高桩侧土体的抗压强度可有效提高桩 土复合体系抗水平撞击能力。关键词:桩 土复合体系;水平撞击;模型试验;桩 土动力作用;撞击损伤中图分类号:TU3521文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0513-08Experimental Study on Dynamic Interaction Characteristics ofPier-Pile Composite System under Horizontal ImpactWang Xiangqiu，Liao Zhenyuan，Chen Shichao(School of Transportation and Civil Architecture，Foshan University，Foshan，Guangdong 528000，P China)Abstract:Based on the principle of dynamic similarity test and similar test materials such as particulateconcrete，a scale test model under horizontal impact of heavy vehicles is established And based on fourdifferent horizontal impact test conditions，the dynamic response of pile-soil composite system under differentimpact momentum and the dynamic interaction characteristics of pile-soil interface are analyzed systematically Basedon the ultrasonic damage identification theory，the dynamic damage evolution law of pile under different horizontalimpact energy is analyzed The results show that when the impact velocity is low，the peak value of impact forceincreases nonlinearly with the increase of impact velocity，and when the impact velocity exceeds a certainlevel，the growth rate of peak value of impact force tends to be stable The greater the horizontal impact momentumand impact energy，the more serious the impact damage degree of pile The dynamic damage index D of pile isquadratic function with horizontal impact momentum p and impact kinetic energy Ek Under the horizontal impactload，the main failure mode of the pile is tensile failure on the impacted side，and a large amount of transient earthpressure increment will be generated on the pile-soil interface on both sides of the pile Improving the compressivestrength of the soil on the pile side can effectively improve the horizontal impact resistance of the pile-soil compositesystemKeywords:composite system of soil-pile;horizontal impact;model test;dynamic interaction of pile and soil;impact damage收稿日期:2022-12-06(修改稿)作者简介:王祥秋(1968)，男，湖南衡阳人，博士，教授，主要从事岩土动力学与地下结构抗震减振理论研究。E-mail:tongji_Wxq 163com基金项目:国家自然科学基金(51278121);广东省特色创新重点项目(2018KTSCX247);广东省自然科学基金(2023A1515012085)0引言重载车辆撞击公路跨线桥桥墩给桥梁工程运营安全产生重大隐患。为此，国内外学者针对车辆撞击桥墩问题开展了大量研究工作。EI-Tawil等1、李界全等2 通过撞击试验，获取了车桥碰撞力变化规律与桥墩碰撞力计算方法。Chu 等3 基于离心机缩尺模型研究了群桩撞击力学特性，测试了撞击力的变化规律。辛纬韬等4、徐小剑5 通过数值模拟分析了不同撞击工况下群桩基础的水平承载力以及船桥撞击力变化规律。尚正祥等6 通过构建饱和土结构性动力本构模型，分析桩 土界面力学行为对桩基动力反应特性的影响。夏佩云7、周红杰等8 基于 ANSYS 有限元软件建立桩基模型，研究桩土相互作用对桩身水平承载力的影响。刘山9、董锐10 将桥墩视为底端固定约束的结构体系，基于混凝土桥墩缩尺试验或采用数值模拟分析了车辆撞击下桥墩损伤特性，张学峰等11 基于 ABAQUS 建立高承台基础桥墩三维模型，模拟各种工况下桩基损伤状态，并提出了相应的损伤评价法。上述各项研究工作为分析车辆撞击桥墩的力学性态奠定了良好的基础。但目前国内外关于车桥碰撞的研究主要集中在车辆碰撞荷载以及墩柱动力响应数值仿真模拟等方面，综合考虑桩基及其桩周土体对桥墩在水平撞击荷载作用下的动力响应特性的影响研究尚不够完善。本文以珠三角某公路跨线桥为研究背景，通过缩尺模型试验研究水平撞击荷载作用下桥墩桩基复合体系动力损伤以及桩 土动力相互作用特性，从而为完善车辆撞击荷载作用桥墩 桩基复合体系动力学分析理论提供试验研究基础。1模型设计依据珠三角某公路跨线桥设计尺寸与荷载工况，根据相似试验理论进行设计，并考虑到本次模拟试验的主要目的在于研究桥墩 桩基复合体系中工程桩的动力响应与撞击损伤特性。缩尺模型主要遵循以下相似原则:(1)桥墩桩基复合结构体系满足几何相似比;(2)桥墩 桩基的动力学参数满足相似比;(3)碰撞动量满足相似比。根据第三相似定理，由于材料弹性模量相似系数 E、材料密度相似系数、几何尺寸相似系数l为已知值，由各物理量的量纲关系及以上相似准则，可推算出各物理量的相似比如表 1 所示。表 1模型主要相似关系Table 1Main similarity relations of the mode物理量量纲相似系数相似比时间Tt01长度Ll01动量MLT1p0001加速度LT2a10力MLT2F001密度ML31应力ML1T21应变L1L1泊松比/1弹性模量ML1T2E1频率T1f102模型制作21材料选择缩尺试验模型中桩基选用微粒混凝土制作。微粒混凝土采用粒径为 2550 mm 的中等颗粒作为粗骨料(占骨料总体积 60%)，粒径小于125 mm的细小颗粒作为细骨料(占骨料总体积40%)。模型桩微粒混凝土配合比为水 水泥 骨料=06 1 375，混凝土强度等级为 C30，弹性模量为 318 GPa。钢筋采用直径为 4 mm 的镀锌铁丝，铁丝的抗拉强度为 80 MPa，弹性模量为 206 GPa。桩周土选用模数为 21、级配良好的干砂，其平均粒径为 031 mm，其他物理力学参数如表 2 所示。表 2干砂物理力学参数表Table 2Physico-mechanical parameters of dry sand材料名称干重度/(kNm3)泊松比内摩擦角/()压缩模量Es/MPa密实度干砂167023382907232模型尺寸根据模型试验几何相似比，桩基截面直径为 011 m，桩身长度为 2 m。为简化模型设计，将桥墩与承台按相似比简化为质量块，桥梁上部结构荷415地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷重通过千斤顶加载进行模拟，箱梁与支座之间的摩擦效应则通过设置于桩顶与千斤顶底座之间的橡胶垫进行模拟，试验模型的具体参数如图 1所示。图 1模型试验图Fig1Model test diagram23试验设备试验采用自主研发的冲击摆锤装置以及岩土工程模型试验箱。数据采集选用 DH3802 型多通道动态应变采集分析仪，采集频率为 50 kHz，微骨料混凝土应变量测选用灵敏系数为 21 的防水性聚胺脂精密级电阻应变片。采用 CYG712 型电阻应变 式 微 型 土 压 力 盒(直 径 为 3 cm，量 程 为500 kPa)量测桩土间动土压力。桩顶和摆锤头部布设东华 1A503C 压电式加速度传感器，以量测摆锤瞬时撞击加速度;试验过程中采用非金属超声波检测仪对桩身损伤程度进行同步监测。24试验工况为了模拟车辆撞击桥墩的实际受力状态，桥墩桩基复合体系撞击试验中，水平撞击部位设定为桩顶部位(相当于高承台桩的承台部位)。撞击动量大小，即撞击速度和撞击质量遵循动量相似原则进行设计。交通事故统计数据表明，对公路跨线桥桥墩 桩基复合体系产生较大撞击损伤的一般均为大中型货车，本次试验重点模拟大型货车(载重20 t)以 1854 km/h 速度撞击桥墩，相应的撞击动量值为 11053105kgm/s，经表 1 中动量相似比推算出模型试验撞击动量值应为 100 300kgm/s。因此，本文共设计了 4 组撞击试验工况，各工况的试验参数如表 3 所示。表 3撞击试验工况Table 3Impact test conditions试验工况撞击速度/(ms1)撞击动量/(kgms1)撞击能量/J桩顶荷载/N工况一1010005002 000工况二15150011252 000工况三20200020002 000工况四30300045002 000注:各试验工况中，摆锤质量为 100 kg3试验结果及分析31撞击加速度与撞击力分析由试验结果可得不同撞击工况下撞击瞬时的加速度时程(如图 2)。由图 2 可知，不同撞击工况下，桩顶撞击点的瞬时加速度时程变化曲线基本一致，即在碰撞发生后 0004 s 左右，撞击加速度达到峰值，且加速度峰值与撞击速度呈非线性增长关系。当水平撞击速度为 10 m/s 时，瞬时最大加速度为 4206 m/s2，当水平撞击速度为30 m/s时，瞬5152023 年第 2 期王祥秋，等:水平撞击下桩 土复合体系动力作用特性试验研究时最大加速度可达 2 0105 m/s2。由撞击试验相似比换算可知，当载重量为 20 t 的车辆以 36 km/h的速度撞击桥墩时，产生的瞬时加速度为 4206 m/s2，若以 108 km/h 的速度撞击桥墩，则撞击产生的瞬时加速度高达 20105 m/s2。不同撞击工况下撞击速度 撞击力峰值变化规律，如图 3 所示。当撞击速度为 10 m/s 时，撞击瞬时产生的撞击力峰值为 446 kN，而当撞击速度为 3 m/s 时，瞬时撞击力峰值高达 2027 kN。由撞击试验相似比换算可知，当载重量为20 t 的车辆以36 km/h 的速度撞击桥墩时，产生的瞬时撞击力峰值为 4 460 kN，而当载重量为 20 t 的车辆以108 km/h 的速度撞击桥墩时，撞击力峰值高达20 270 kN，足以导致桥墩及桩基复合体系产生损伤破坏。同样，由撞击速度 撞击力峰值关系曲线可知，当撞击速度较低时，撞击力峰值随撞击速度呈非线性增长，当撞击速度超过某一水平时，撞击力峰值基本趋于稳定。图 2各撞击工况下加速度时程曲线Fig2Acceleration time curve under impact conditions图 3撞击速度 撞击力峰值关系曲线Fig3elation curves of impact velocity to peakimpact force32桩顶水平位移由试验结果可得各撞击工况下桩顶水平位移增量时程曲线(如图 4)。由图 4(a)可知，各种撞击工况下，桩顶水平位移增量呈现出相似的变化规律，即在撞击瞬时桩顶位移增量达到峰值，之后随时间迅速衰减为某一定值(即残余位移增量)。各种撞击工况下，桩顶水平位移峰值与水平残余位移值均随撞击速度呈线性增长关系(如图 4(b)。当撞击速度为 10 m/s 时，桩顶最大水平位移为 148 mm，而当撞击速度为 30 m/s 时，桩顶最大水平位移可达 736 mm，由撞击试验相似比换算可知，当载重量为 20 T 的车辆以 36 km/h 的速度撞击桥墩时，产生的桩顶最大水平位移为1480 mm，而当车辆以 108 km/h 的速度撞击桥墩时，桩顶最大水平位移高达 7360 mm，足以导致桩 土复合体系产生水平方向失稳或破坏。图 4桩顶水平位移变化曲线Fig4Variation curve of horizontal displacement of pile top33桩身应变为了分析桥墩 桩基复合承载体系受水平撞击荷载作用下，桩身动应变特征，以工况一(撞击速度为 1 m/s)为例进行分析，由试验结果可得，水平撞击荷载作用下，桩身 A、B 两面各监测点(如图1(a)应变变化规律如图 5 所示。615地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷图 5水平撞击下桩身应变时程曲线Fig5Time curves of pile strain under horizontal impact由图 5 可知，水平撞击荷载作用下，桩身两侧表现为截然不同应力状态，桩身 A 面(被撞击一侧)主要承受拉应变，其中:桩顶和桩底部位，即 A1 和 A6处拉应变较小，最大拉应变发生在桩身中点偏上部位，即 A2 处，该处取大拉应变高达 4480，足以引起桩身混凝土产生拉伸破坏。而桩身 B 面(桩身背面)主要承受压应变，其中:桩顶和桩底部位(B1 和 B6 点处)产生的压应变较小，最大压应变发生在桩身中点偏上部位，即 B2 点处，该处最大压应变高达 5200，但尚未达到桩身混凝土压缩破坏的极限值。由此可见，在水平撞击荷载作用下，桩基主要表现为受撞击一侧桩身混凝土拉伸破坏模式。34桩 土接触面土压力为了分析水平撞击荷载作用下，桩 土接触界面动力相互作用特征，由试验结果可得水平撞击荷载作用下桩 土接触面动土压力增量变化规律(以工况一为例)如图 6 所示。由图 6 可知，水平撞击荷载作用下，被撞击一侧(桩身 A 面)桩身埋深较浅处(测点 TA1、TA2)桩 土接触面动土压力增量近似为零，主要原因在于受水平撞击之后，桩顶产生较大水平位移，导致埋深较浅部位桩 土界面分离，撞击瞬时土压力盒未能及时监测土压力变化量所致。随着测点埋深不断增加(TA3TA5 测点处)，桩 土接触界面动土压力幅值增量呈现出由负增长转变为正增长的复杂变化过程，这可能与撞击过程中桩身某一深度处发生反向弯曲，并因此反向挤压土体有关;而桩身背面(B 面)桩 土间接触界相互作用力则表现出与(A 面)不同的变化规律，即在水平撞击荷载作用下，桩 土接触界面上瞬态土压力幅值增量在地表(TB1 点)处最大，随着桩身测点埋置深度的不断增大，瞬态土压力幅值增量不断减小，桩身各测点处桩 土接触界上的瞬态土压力幅值增量呈现出相似的变化规律，即在撞击瞬时达到峰值，之后逐步衰减至零。图 6桩 土间动土压力时程曲线Fi g 6Time curves of earth pressure between pile and soil为了深入分析各撞击工况下，桩 土接触面土压力变化特征，选取桩侧 B 面测点 TB2 处的土压力为研究对象。由测试结果可得不同撞击工况下桩 土间接触压力变化时程曲线如图 7 所示。不同撞击工况下，TB2 处土压力增量变化规律存在较大差异，由图 7 可知，在水平撞击荷载作用下，桩 土接触面上产生的土压力增量峰值与撞击速度呈线性增 长 关 系。工 况 一 时，即 水 平 撞 击 速 度 为10 m/s 时(相 当 于 载 重 量 为 20 t 的 车 辆 以7152023 年第 2 期王祥秋，等:水平撞击下桩 土复合体系动力作用特性试验研究36 km/h 的速度撞击桥墩时)在桩侧瞬时最大土压力增量达到 986 kPa，之后逐步衰减为零;工况四时，即水平撞击速度为 30 m/s 时(相当于载重量为 20 t 的车辆以 108 km/h 的速度撞击桥墩时)在桩侧产生的瞬时最大土压力增量可达 1700 kPa，之后逐步衰减为零。当桩侧土体强度较低时，在水平撞击荷载作用下，容易导致桩侧土体发生强度破坏，进而引起桩 土复合体系产生较大的侧向变位，从而影响桥梁上部结构安全与稳定。建议对桩侧一定范围内的土体进行加固处理，以便有效提高桩土复合体系抗水平撞击能力。图 7TB2 处桩 土界面土压力变化规律Fig7Variation of earth pressure at pile-soil interfaceat TB235桩身损伤特性由超声波测试成果可得典型撞击工况下不同撞击次数时桩身混凝土超声波时程曲线，如图 8 所示。由图 8 可知，桩身受到水平撞击后，桩身超声波幅值显著降低，波形也会发生较大改变，而且撞击速度越大，波幅降低幅度越大，波形改变也越明显，桩身损伤程度越大。为了定量分析不同撞击工况下，桩身动力损伤特征，根据超声波波速检测结果，基于混凝土损伤参量计算公式，即:图 8撞击前后桩身超声波波形对比图Fig8Comparison of ultrasonic waveform of pileD=1 EE=1 v2Lv2(1)式中:E 为未发生损伤时桩身混凝土的弹性模量;E损伤之后桩身混凝土的弹性模量;v 为未发生损伤时桩身混凝土弹性波波速;vL为损伤之后桩身混凝土弹性波波速;为未损伤时桩身混凝土密度;为损伤之后桩身混凝土的密度。当桩身未发815地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷生宏观损伤裂缝时，可近似认为桩身混凝土密度不发生改变。由各撞击工况下桩身混凝土超声波检测结果可得各撞击工况下桩身动力损伤指标 D 计算值如表 4 所示，损伤参量 D 与撞击速度 v、撞击动量p 以及动能 Ek之间的变化关系如图 9 所示。图 9桩身动力损伤演化曲线Fig9Dynamic damage evolution curve of pile body表 4不同撞击工况下桩身动力损伤指标 DTable 4Damage index of pile under differentimpact conditions撞击速度 V/(ms1)撞击动量 p/(kgms1)撞击能量Ek/J损伤指标 D1010005000061 515150011250086 120200020000187 830300045000244 8由表 5 可知，桩身撞击动力损伤指标 D 与撞击动量 p、撞击动能 Ek与撞击速度 v 均呈二次多项式变化关系，撞击速度、撞击动量或撞击能量愈大，桩身撞击动力损伤指标 D 值愈高，即桩身撞击损伤程度愈严重。表 5损伤指标 D-撞击参量相关关系Table 5Correlation between index D and impactparameters曲线关系拟合结果相关系数v-DD=00175v20168v9971020953p-DD=(168103)p2(174106)p9961020942Ek-DD=(117103)Ek2(136106)Ek5121030962为了深入分析水平撞击荷载作用下桩身动力损伤特征，试验过程分别对设计参数与混凝土强度等级均相同的 4 根桩实施了不同撞击工况的对比试验，对每根模型桩进行了多次撞击试验。单桩在其各自撞击工况下所对应的撞击试验次数为:工况一累计撞击 10 次;工况二累计撞击 7 次;工况三累计撞击 4 次，工况四累计撞击 3 次。不同累积撞击工况下的桩身损伤现象差异明显。如图 10 和图 11 所示，工况一作用下的桩身损伤裂缝分布比较密集，但裂缝宽度小，弯曲变形小，而工况四作用下的桩身损伤裂缝比较稀疏，但裂缝图 10桩身损伤裂缝分布图Fig10Distribution of damage cracks in pile shaft图 11桩身损伤变形特征图Fig11Characteristic diagram of pile damage deformation9152023 年第 2 期王祥秋，等:水平撞击下桩 土复合体系动力作用特性试验研究宽度较大，弯曲变形大。即当水平撞击动量相同的条件下，单次撞击动量越大，桩身累积撞击损伤程度与弯曲变形量越大。同时，通过桩身损伤裂缝分布图发现，当水平撞击动量相同时，单次撞击动量越大，桩身撞击损伤发生的位置越接近桩顶部位。4结论(1)在水平撞击荷载作用下，撞击发生后00501 s 桩顶水平位移增量达到峰值，之后随时间迅速衰减为某一定值。桩顶水平位移峰值与水平残余位移值均随撞击速度呈线性增长关系。(2)若撞击体重量(车辆载重)不变，水平撞击速度低于 15 m/s 时，撞击力峰值随撞击速度的增大呈非线性增长，当撞击速度大于 2 m/s 时，撞击力峰值增长率趋于稳定，这与撞击动量较大时，被撞击之后桩 土复合体系产生宏观破坏或变位，整体刚度降低有关。(3)水平撞击作用下，桩身撞击动力损伤指标D 与撞击速度 v、撞击动量 p、撞击动能 Ek均呈二次多项式变化关系，撞击动量或撞击能量愈大，桩身撞击动力损伤指标 D 值愈高，即桩身的撞击损伤程度愈严重，撞击动量越大，桩身撞击损伤发生的位置越靠近桩顶部位，桩身主要表现为被撞击一侧的拉伸破坏。(4)水平撞击荷载作用下，桩身背面桩 土接触面则会产生动态变化的土压力，桩 土接触面间土压力增量幅值在地表处最大，随桩身埋深不断增大，土压力增量幅值不断减小，加固桩顶以下一定范围内的软弱土层可有效提高桩 土复合体系水平抗撞击能力。参考文献(eferences)1 EI-Tawil S，Severino E，Fonseca P Vehiclecollisionwith bridge piersJ Journal of Bridge Engineering，2005，10(3):345-353 2 李界全，张南，高闵桥墩撞击力计算及影响因素研究 J 公路工程，2018，43(2):23-29(Li Jiequan，ZhangNan，Gao Min esearch on calculation and influencefactorsofimpactforceofpiers J HighwayEngineering，2018，43(2):23-29(in Chinese)3Chu L M，Zhang L M Centrifuge modeling of shipimpact loads on bridge pile foundations J Journalof GeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2011，137(4):405-420 4 辛纬韬，张子新，吴昌将船撞作用下苏通大桥群桩基础水平承载力分析 J 地下空间与工程学报，2009，5(增 2):1746-1750(Xin Weitao，Zhang Zixin，WuChangjiang Analysis on horizontal bearing capacityof main pylon pile group foundation of Su-Tong bridgeundervesselimpact J ChineseJournalofUnderground Space and Engineering，2009，5(Supp2):1746-1750(in Chinese)5 徐小剑船桥碰撞中流固耦合和桩土联合作用影响的研究 D 重庆:重庆交通大学，2013(Xu XiaojianThe study on nolinear of ship-bridge collision under fluidstructure interaction and pile-soil joint actionD，Chongqing:Chongqing Jiaotong University，2013(inChinese)6 尚正祥，胡伟，席娜丽桩土界面力学行为对桩基动力特性的影响J 世界地震工程，2012，28(2):153-159(Shang Zhengxiang，Hu Wei，Xi Nali Influenceofmechanicalbehaviorofpile-soilinterfaceondynamic characteristics of pile foundationJ WorldEarthquake Engineering，2012，28(2):153-159(inChinese)7 夏佩云船撞作用下混合桩单桩基础动力响应研究 D 南京:南京航空航天大学，2012(Xia Peiyun，esearch on dynamic response of mixed pile under shipimpacting D Nanjing:NanjingUniversityofAeronautics and Astronautics，2012(in Chinese)8 周红杰，李春，丁勤卫，等单桩基础海上风力机遭遇船舶撞击的动力响应分析J 水资源与水工程学报，2017，28(3):173-178，185(Zhou Hongjie，LiChun，Ding Qinwei，et al Dynamic characteristicsanalysisofoffshorewindturbinewithmonopolefoundation subjected to ship impactJ Journal ofesources Water Engineering，2017，28(3):173-178，185(in Chinese)9 刘山车辆撞击下钢筋混凝土桥墩的撞击力及损伤研究D 北 京:北 方 工 业 大 学，2017(Liu Shanesearchonimpactforceanddamageofreinforced concrete pier impacted by vehicle D Beijing:Northern University of Technology，2017(inChinese)10 董锐 圆柱形桥墩在冲击荷载作用下的损伤指标试验研究D 重庆:重庆交通大学，2016(Dong uiExperimental study on damage mechanism of cylindricalbridge pierunderimpactload D Chongqing:Chongqing Jiaotong University，2016(in Chinese)11 张学峰，苗如松高桩承台基础损伤状态服役性能仿真分析及损伤评价J 吉林大学学报(工学版):2020，50(3):1006-1016(Zhang Xuefeng，Miao u-song Simulation analysis and condition assessment ofservice performance for damaged high-pile foundationJ JournalJilinUniversity(EngineeringandTechnology Edition)，2020，50(3):1006-1016(inChinese)025地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷