扭转群桩中的阴转法研究

扭转群桩中的阴转法研究

0单桩位移的影响根据水平加载堆栈试验，如果堆栈距离小于临界距离，各基块通过桩间土壤相互作用，形成堆栈效应，使堆栈位移大于承担相同负荷（堆栈中基本负荷）的单堆位移。人们引入了群桩效率系数的概念来定量反映群桩效应对群桩承载力的影响，定义为群桩中基桩平均极限承载力与单桩极限承载力之比。人们还发现群桩中各基桩所分担的荷载也不相同，前排桩所承担的荷载明显大于后排桩，这种现象被称为阴影效应阴影效应并不仅仅存在于水平受荷群桩中，笔者通过一系列离心模型试验研究1角测量装置及试验设计群桩扭转离心模型试验是利用香港科技大学400g.ton臂式离心机进行的。该试验系统包括竖向压桩装置、扭矩施加装置和测量装置。竖向压桩装置是一套伺服反馈控制的液压作动系统，能够将模型群桩以匀速压入模型土中。扭转加载装置采用一对气压作动器。加载时，两只作动器向模型群桩施加一对相互平行、方向相反的水平推力来实现模型群桩的扭矩施加。测量装置包括承台转角测量和土体沉降测量装置。转角测量装置包括两对激光位移计，一对沿水平加载方向放置，另一对则垂直于加载方向。任意三只位移计的数据可以计算出模型桩台的扭转角和水平位移；采用一支LVDT位移传感器测量试验过程中土体的沉降，并以此计算土体的密度。模型桩采用铝合金管材。铝管表面布设有如图2所示的八道应变片来测量桩身沿深度分布的弯矩和扭矩。采用相互平行敏感栅结构的两片应变片组成全桥来测量弯矩；采用相互垂直敏感栅结构的两片应变片组成全桥来测量扭矩。这种全桥的组桥方式不但能够消除温度变化的影响还可以有效避免桩身所受的其它力对量测力的影响。另外，桩头也布设有两组小应变片测量桩头剪力。铝管表面涂以环氧树脂来保护应变片。模型桩的外径为19mm，长度为300mm，桩头用锥形铝头封闭，模拟原型为外径0.76m、长度12m、刚度220.5MN·m模型土采用英国LeightonBuzzard石英砂。砂的粒径0.09～0.15mm，平均粒径0.14mm。试验采用了13.76kN/m试验前，先将模型群桩压入土中90mm，使模型群桩在离心机开机加速到40g过程中保持直立。当通过LVDT观察到土体沉降完毕后，首先利用竖向压桩装置将模型群桩以1mm/s匀速压入模型土中直至埋入深度达到270mm；然后通过两个气压作动器逐级增加扭矩完成分级加载。文献2角桩与边桩对比分析试验获得了大量的数据，部分成果已发表在文献图4给出了3×3群桩中边桩和角桩的桩身弯矩沿深度的分布曲线。图中两根桩的弯矩分布可以发现以下特点：(1)边桩在地面最大正弯矩与桩身中部最大负弯矩的绝对值之和要小于角桩，边桩对角桩的比在松砂和密砂中分别达到0.89和0.91。(2)两种密度砂土中，在较大扭转角（大于1°扭转角）时，角桩的反弯点要高于边桩。上述两点特征均说明角桩所承受的土体反力要大于边桩。从图1可以看出，相同扭转角条件下角桩桩头位移是边桩的1.41倍，因此在相同扭转角条件下角桩要比边桩承受更大的土体反力。但这只是部分原因，试验p–y曲线揭示了另外一个原因。图5给出了由弯矩分布经过数据处理得到的1.2m和2.4m深处的p–y曲线。数据处理技术采用了文献3影响阴影效应的影响3.1桩体的运动方向对于扭转群桩同样可以引入p乘子来定量反映阴影效应的影响。p乘子的计算是利用分析软件通过试错方法用不同的系数修正土体反力p使计算结果最终能够与桩头剪力–水平位移曲线相吻合。采用有限元软件FB-Pier式中，k为经验系数，z是桩上某点的埋入深度，A采用与图1类似的表示方法，图7给出了扭转荷载作用下1×2和3×3群桩中土体剪切破坏区域分布情况。在图7(a）的1×2群桩中，两根基桩的运动方向相反，基桩在运动方向上形成的剪切区域不会重叠，因此不会产生阴影效应。这一规律与水平加载的1×2群桩完全不同，正如图1所示，水平加载群桩中基桩的运动方向均相同。在图7(b）的3×3群桩中，剪切区域沿群桩扭转中心呈反对称分布，中心桩不产生剪切区域，边桩和角桩的剪切区域则相互重叠严重。边桩与其运动方向前方的角桩重叠区域较角桩与其运动方向前方的边桩重叠区域大很多，因此边桩会比角桩受到的影响更大。这即揭示了3×3群桩中边桩的土体反力较小的内在原因。对比图1和图7可以看出扭转加载群桩和水平加载群桩中的阴影效应有以下不同：(1)水平加载群桩中各基桩水平移动方向（荷载作用方向）相同，而扭转加载群桩中各基桩移动方向（荷载作用方向）则不同，垂直于基桩与群桩扭转中心的连线并与扭矩的旋转方向一致；(2)水平加载群桩中各基桩在桩头约束相同条件下水平位移近似相同，而扭转加载群桩中各基桩水平位移大小则同基桩到群桩扭转中心的距离成比例，并不一定相同。图8给出了水平加载和扭转加载群桩中两根基桩间的相对运动情况。图8(a）为水平加载群桩中的两根基桩，两桩之间的相互影响可以通过两根桩中心连线与水平荷载的夹角β来表征。Reese和Wang3.2不同密度土壤条件下群桩的响应上述分析说明，阴影效应会导致扭转群桩中基桩的水平土体反力下降，进而使群桩的承载能力下降。为考察阴影效应对群桩承载力的影响，采用FB-Pier软件分析1×2和3×3群桩在没有各种效应影响时的群桩响应。由于扭转群桩中基桩会同时受到水平力和扭矩的作用，数值分析中采用式（1）的p–y曲线计算基桩的水平加载响应；采用桩身侧摩阻力与扭转角曲线和桩端阻力与桩端扭转角曲线，即τ-θ曲线和T式中，A和A图10给出了1×2和3×3群桩在两种密度砂土中的计算和试验结果。图中1×2群桩的计算结果与试验数据符合得较好，说明了p–y曲线、τ-θ曲线和T为了表示扭转群桩的效率，林亚超和王邦楣其中，目前的试验研究4扭转群桩中的阴性效应(1）离心模型试验研究表明受扭转荷载的大型群桩中存在明显的阴影效应。1×2和2×2群桩中的阴影效应的影响可以忽略；3×3群桩中的阴影效应显著，而且边桩和角桩所受阴影效应的影响不同，边桩受到的影响更大，因此阴影效应与群桩的布置形式和基桩位置有密切的关系。(2)p乘子可以用来定量表示扭转群桩中的阴影效应，在3×3扭转群桩中，角桩和边桩在松砂中的p乘子分别为0.55和0.35，在密砂中分别为0.40和0.35。(3）扭转群桩中各基桩的水平运动方向和大小由群桩扭转中心的位置和扭转荷载的方向决定，而不同于水平加载群桩的同方向和同大小的情况，扭转加载模式下的阴影效应表现出与水平加载模式不同的特点，因此人们在水平加载群桩研究中得到