水平循環荷載下單樁滯回圈特性模型試驗研究★

水平循環荷載下單樁滯回圈特性模型試驗研究★

選取典型的中砂作為土體,通過單樁的室內模型試驗方法研究了單樁在砂土中的樁身滯回圈隨著循環次數和加載力大小改變的變化規律，試驗結果表明，水平方向循環荷載作用下，在高次循環加載中，滯回圈的變化主要為力逐漸變大、位移逐漸變小，變化主要集中在前1萬次左右，之后趨于穩定；隨著加載力的逐漸變大，滯回圈的變化速度也逐漸加快，很快就趨于穩定。

滯回圈，模型試驗，水平循環荷載

0 引言

在現今很多工程中，樁基的穩定性一直是建筑安全的重要影響因素之一，特別是近海工程和海港工程[1]。樁基在受到惡劣的海況影響下，譬如風與波浪的沖擊，這些都是可以認為屬于水平動力作用，我們可以用室內模型試驗來做近似模擬，從而探究樁基在受到高次沖擊之后的穩定性變化情況[2]。在水平循環荷載作用下，樁身與樁周土體會產生相互作用，樁身的強度會發生變化。而樁端的滯回曲線能夠很好的反映樁的強度變化，目前這方面的研究已經有很多，但是高次循環的還是很少[3]。本文通過開展砂土中單樁水平荷載作用下的模型試驗，獲得了高次循環荷載下和不同加載力作用下的單樁滯回圈變化規律，以期能更好的理解和控制水平循環荷載下樁基的變形特性[4-6]。

1 模型試驗準備

模型試驗箱尺寸(長×寬×深)為1.2 m×1.2 m×1.5 m(如圖1所示)，在試驗箱底部和四周都鋪設泡沫板，目的是消弱循環振動過程中，試驗箱對砂土的反作用力。模型方形單樁的樁長為80 cm，為鋁合金制作，剛度為70 GPa，邊長為3 cm，入土深度為70 cm。地基土為中細的干砂，試驗完成后對其進行常規物理力學指標試驗，砂土重度為16.2 kN/m3，有效內摩擦角22.8°。

試驗中，安置樁之后，采用分層填土的方式，每次填土后，在土表面上鋪設木板，并加相同大小的砝碼來壓實，靜置一段時間后埋置下一層土。通過這種辦法盡量使每次試驗的砂土的密實度保持基本一致，從而消除由于砂土密實度帶來的影響因素。每次實驗前必定要重新分層填土。

在樁頂用螺紋連接方形承臺，并通過螺桿固定連接到激振器。通過水平尺來保證承臺與連接桿水平，這樣確保得到水平方向上循環加載(見圖2)。試驗采用加載設備為德國TIRA激振器，配合風機以及功率擴大器，產生激振力。另外采用FASTUS CD22系列超小微型激光位移傳感器來測量位移變化。精度為0.01 mm。將傳感器置于旁邊支架上固定，而支架不能與模型箱有任何接觸。傳感器必須對準承臺側面中心點，而且力傳輸桿、承臺和位移傳感器保證在一條水平線上。通過加載使樁產生振動，然后采用數據采集系統，得到加載力和樁頂位移的實時變化數據，也就是樁頂滯回圈數據。

2 試驗過程

通過樁側土體水平方向的極限土抗力理論[7]，得到本試驗樁在砂土中的最大土體極限抗力，然后取土體極限抗力的0.1倍，0.2倍和0.3倍作為加載輸出力。將加載頻率確定為1 Hz，分別進行3組試驗，每組試驗都循環加載4萬次以上。每組試驗前，重新密實砂土，檢查加載方向是否水平；試驗過程中，通過數據采集系統，保證信號以及測試正常運行；試驗過后，記錄力與位移實時數據，并進行砂土物理力學試驗測試，主要是保證砂土的基本特性不會有太多變化。

3 試驗結果分析

如圖3a)所示，在0.1倍極限土抗力加載下，力逐漸增大，位移慢慢變小，而最終慢慢趨于穩定；滯回圈包裹的面積也慢慢變小，但是第1次循環和第5 000次循環區別還是很大的。如圖3b),圖3c)所示，隨著加載力逐漸變大，位移也逐漸變大，但是總體規律都保持一致，即隨著循環次數的增加，力逐漸變大，但位移逐漸變小。將3組試驗對比就可以發現，隨著加載力的增大，滯回圈穩定的速度也慢慢加快，但是在1萬次循環以內肯定會趨于穩定。

4 結語

1)水平方向的高次循環荷載作用下，單樁樁頂端的滯回圈的變化主要為力逐漸變大、位移逐漸變小，變化主要集中在前1萬次左右，之后會慢慢趨于穩定。

2)隨著加載作用力的逐漸變大，滯回圈特性的變化速度也逐漸加快，很快就趨于穩定。

結論表明，工程中樁基的穩定性受外部荷載作用的影響較大，荷載的種類以及荷載的大小和次數等都會產生影響，工程中需要將這些因素都加以考慮。當然，本試驗也有一定的缺陷，比如不能絕對的保證土體密實度一樣，會影響土體對樁身的抗力，有待進一步完善。

[1] 林毅峰,李健英,沈 達,等.東海大橋海上風電場風機地基基礎特性及設計[J].上海電力,2007(2):153-157.

[2] 張建民,王 剛,陳 楊.海岸巖土工程的物理與數值模擬方法[J].巖土力學,2004,25(S2):61-74.

[3] 黃小明,趙利平.水平循環荷載作用下樁—土相互工作機理的研究現狀[J].湖南交通科技,2003,29(1):87-89.

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[5] 王富強,榮 冰.水平循環荷載下風電機樁基礎離心模型試驗研究[J].巖土力學,2011,32(7):1926-1930.

[6] 王勇智,宋榮方,汪傳順.水平循環荷載下樁土相互作用試驗研究[J].中州大學學報,2008,25(5):121-123.

[7] 朱碧堂,楊 敏,GUO W.D.土體的極限抗力與側向受荷樁性狀[D].上海：同濟大學，2011.

The model experimental study on characteristicsof single pile hysteresis loops under horizontal cyclic loading★

Zhang Liang Liu Yang Yan Chao

(CollegeofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Selecting typical medium sand as the soil, through the indoor model test of single pile method to study the pile body hysteresis loops of single pile in the sand as the cycles and the changing rule of the loading force change. The test results show that the horizontal cyclic loads, in high cyclic loading, the change of the hysteresis loop is mainly do to grow bigger and smaller displacement gradually, before changes are mainly concentrated in ten thousand times or so, after stable, as the loading force increases gradually, the change of the hysteresis loop speed also gradually accelerated, stabilise soon.

hysteresis loops, model test, horizontal cyclic loading

2015-02-05★：國家自然科學基金資助項目(項目編號：51008194)

張 良(1989- )，男，在讀碩士； 劉 陽(1991- )，男，在讀碩士； 顏 超(1990- )，男，在讀碩士

張 良 劉 陽 顏 超

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

TU473

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