模型樁循環荷載試驗研究現狀

張強 潘希成 宋寧

中建八局第四建設有限公司

摘要： 隨著中國基礎建設的不斷發展，循環荷載下樁基礎的承載性能受到越來越多的關注，成為基礎研究的重中之重。本文總結國內外循環荷載模型樁試驗研究現狀，對現有模型試驗的試驗目的、試驗思路、試驗內容和試驗結論進行闡述，并對各試驗參數進行匯總分析得出相應結論。研究發現，現有模型試驗采用的土體大多為松軟土，其中以粉土和砂土為主，部分為黏土;模型樁模型試驗采用的模型樁大多為鋼管樁或鋁合金樁，部分為混凝土灌注樁，極少數為塑料管樁;加載方式為更加貼近真實受力情況，多采用正弦波型循環荷載。

關鍵詞：樁基礎;循環荷載;模型樁試驗;研究現狀

隨著經濟的發展，越來越多的道路工程、橋梁工程、離岸工程陸續修建，樁基礎因承載力高、沉降小、抗彎剛度大等特點被廣泛使用。樁基礎在服役過程中不僅承受上部重力產生的恒載作用，還要承受具有顯著周期的循環荷載作用，循環荷載下樁基的承載性能受到學者越來越多的關注。循環荷載主要分為：道路工程中車輛行駛等對樁體產生的豎向循環荷載;橋梁工程和離岸工程中風、波浪等對樁體產生的水平循環荷載。研究發現，循環荷載作用下，樁體承載特性與靜載作用下存在較大差異，如何保證循環荷載下樁體的承載特性滿足使用要求成為當前樁體研究的重點。

國內外研究者針對循環荷載下樁體的承載特性做了大量研究，研究方法主要包括：室內模型試驗和現場試驗。現場試驗是研究樁基的有效方法，但存在投入大、干擾因素多以及周期長等缺點，所以室內模型試驗成為揭示樁體循環荷載下承載性能的常用手段。本文總結相關模型試驗，對比不同試驗的異同，期望對今后循環荷載下樁體承載性狀的研究提供參考依據。

一、國內外研究現狀

黃雨等（2009）[2]研究不同循環荷載比對飽和砂土中模型樁沉降的影響。研究發現：循環荷載比與循環次數對飽和砂土中的單樁樁頂累積沉降產生較大影響;同一循環荷載比情況下，地基土的割線模量隨著循環次數的增加而不斷增加，并趨于某一極限值。根據不同循環荷載比對沉降的影響程度，進行了回歸分析，擬合出了沉降試驗曲線的回歸方程。

焦棟梁等（2010）[5]進行了波形為矩形和三角形的循環荷載下的樁承加筋土復合地基模型試驗。研究發現：隨著循環次數的增加復合地基的累積沉降量增加越來越少，且多次循環加載后的沉降量比單次沉降量增加較為明顯，并提出了復合地基沉降的計算經驗公式;復合地基總的沉降隨著加載周期的減少而逐漸增加;隨著循環次數和加載峰值的增加，樁土應力增加，隨著周期增加應力減少。

王富強等（2011）[8]為研究近海風力發電工程對樁基礎的承載力和變形的嚴格要求，通過離心機對單樁進行模型試驗。試驗結果表明水平循環荷載作用下的樁周土體的變形主要為擠壓或塌陷產生的沉降和水平向變形;變形的主要集中區為單樁周圍較小的范圍;變形具有逐漸累積的特性;樁身彎矩峰值出現在埋深上1/3處，且隨著循環次數的增加，彎矩的大小和分布幾乎不變。

C.H.C. Tsuha等（2012）[10]進行了“單樁在循環橫向載荷下的離心模擬”。試驗結果表明打入砂中的樁以穩定、不穩定還是元穩定的方式來對豎向循環荷載做出反應取決于循環荷載的均值和循環次數;界面剪切特性、運動屈服、局部密度、斷裂界面剪切帶的生長和樁-土界面的約束膨脹都是影響樁軸向承載力的重要因素。

章敏等（2013）[11]進行了循環荷載作用下單樁動力模型試驗和樁土界面特性研究。結果表明循環荷載幅值對樁頂累積沉降有重要影響，并且樁頂累積沉降隨著循環荷載幅值的增加依次呈現出穩定性、亞穩定性以及非穩定性三種變形;樁頂剛度最開始受加載次數的影響，隨后逐漸保持穩定;循環荷載下樁周土的超孔隙水壓力很小，最終導致樁側阻力退化;土體的剪切模量比與lgN呈負線性關系，并且隨剪應變越大，衰減越明顯;在CNS邊界條件下，樁側土在循環剪切作用下出現明顯的剪縮行為，切向和法向應力逐漸降低。

顧明等（2014）[12]進行了3[×]3鋼管群樁水平循環加載試驗，研究了循環荷載下群樁的水平剛度、內力及荷載分配變化規律。研究發現：循環荷載作用對群樁的影響大于對單樁的影響;隨著荷載循環次數的增加樁基的水平剛度逐漸減小，并且后期的水平加載剛度受到前期循環加載情況的影響;循環荷載次數的增加影響群樁中各排樁分擔的荷載比例，前排樁分擔的荷載隨著循環次數的增加而增大。

吳亞平等（2015）[14]為明確凍土地區混凝土樁基在循環荷載作用下樁土的流變效應的影響，通過試驗得出如下結論：循環荷載大小、頻率和凍土溫度是影響混凝土單樁-凍土流變效應的主要因素;凍土流變效應使得樁側凍結應力隨時間推移而降低，樁端阻力隨時間推移而逐漸變大;荷載頻率增大，樁側凍結應力隨之變大，而趨于穩定的時間較短;隨著溫度的升高，樁端位移增大，樁側凍結應力減小，趨于穩定的時間較長。

Christina Rudolph等（2015）[15]研究水平循環載荷作用下樁的漂移，并將靜載結果與循環模型試驗的結果相結合，解釋了在服役期間位移或旋轉的累積原因。通過小規模建模和離心機測試發現加載方向的改變會顯著增加樁的旋轉和位移的累積量。

高柏松等（2015）[16]為了研究循環荷載作用下降雨前后對無砟軌道樁網結構路基動力特性的影響，開展了4組大比例尺動力模型試驗。試驗結果表明樁土差異沉降受加載力和降雨條件影響較大，而受加載頻率影響不明顯;試驗時樁的中性點大致位于0.63L處，且基本不受加載力、頻率、降雨等外界因素影響;樁側摩阻力在加載力、加載頻率、降雨等影響下均有明顯增長。

Giulio Nicolai等（2015）[18]為研究循環荷載對單樁橫向阻力的影響，進行了稠密飽和砂土中的小型單樁模型的試驗性能，對單樁施加靜力荷載以及上千次循環荷載。研究發現：循環荷載下使樁-土體系承載力增加承載力增加幅度取決于循環荷載的次數，施加循環荷載后樁的承載力（capacity）提高10%-20%，;隨著循環荷載的增加，樁的旋轉剛度增加。

俞劍等（2017）[19]為研究海上風機的大直徑單樁基礎在風、浪等水平循環荷載下的循環弱化特性，開展了大直徑單樁基礎模型和傳統長樁基礎模型對比研究。研究表明在同樣水平力循環荷載作用下，大直徑單樁抵抗循環荷載的能力明顯優于傳統長樁;在海上風機的大直徑單樁設計中采用基于黏土殘余強度的循環后穩定水平承載力更為合理;并依據骨干曲線和荷載-位移曲線，提出了在水平循環荷載作用下單樁基礎循環弱化的理論方法，建立了荷載循環次數、幅值等與樁周土的循環弱化特性之間的聯系。

三、結語

本文通過對近年來循環荷載下模型樁試驗的總結、分析，列舉了現有循環荷載下模型樁試驗的研究成果，期望對今后循環荷載下樁體承載性狀的研究提供參考依據。結論如下：

（一）模型試驗采用的土體70%為Ⅰ類土（松軟土），其中以粉土和砂土為主，部分為黏土。循環荷載對粉土、砂土產生的影響較大，長期循環荷載作用下，粉土、砂土與樁基礎界面接觸力發生較大程度弱化。循環荷載對黏土中樁基礎的影響也尤為重要，特別是土中水在循環荷載作用下產生固結，形成負摩阻力，從而影響樁體的承載能力。國內外學者進行模型樁試驗時大多選用所在地區的工程用土，研究成果可對當地樁基設計提供相關借鑒，具有較好的實用價值，還可就地取材節約成本。

（二）模型試驗采用的模型樁75%左右為鋼管樁或鋁合金樁，部分為混凝土灌注樁，極少數為塑料管樁。現有工程中樁體大多采用鋼管樁或混凝土管樁，鋁合金的泊松比較為接近鋼管和混凝土，選用鋼管樁或鋁合金管樁與更加接近真實工程，試驗數據更加可靠。預制管樁制作方便，便于傳感器的安裝，減小試驗阻力，對于現有工程預制樁的設計、施工具有較高的參考意義。

（三）樁基礎在服役期間受到風、浪或車等引起的具有顯著周期性的循環荷載，模型試驗中為更加貼近真實受力情況，采用的循環荷載多為正弦波型循環荷載。循環次數根據試驗條件和模擬條件的不同而有所區別，在幾十次和幾萬次之間不等，可根據具體情況進行調節。

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