（岩土工程专业论文）独桩海洋平台加肋桩基结构研究.pdf

内容摘垫 内容摘要 随着海上油气资源的丌发不断向深海进军的同时，浅海边际油气资源的丌 发利用也引起了人们的只益关注，研究和开发适合浅海边际油气资源丌发的固 定式轻型平台得到了广泛的重视。本项目通过理论分析、试验研究和数值模拟 的方法，研究内容如下： 1 提出新型加肋桩基结构。研究加肋桩肋板的埋冒深度、宽度对桩基响应 的影响。随着肋板埋设深度的增大，其减幅效应逐渐减弱；随着肋板宽 度的增大，加肋桩基减幅效应增强。 2 粉土中加肋桩基和普通桩基的模型试验研究。在位移荷载的控制下，进 行了粉土中加肋桩基和普通桩基的静力荷载和循环荷载的物模试验，试 验结果表明加肋桩基在提高桩基承载力或减小响应的有效性。并研究循 环荷载下土抗力的衰减。 3 建立黄河粉土的静力和循环荷载下p y 曲线。根据试验测试数据，建 立了黄河粉土的静力荷载下和循环荷载下的p y 曲线，并与砂土的p y 曲线进行了比较。 4 粉土中桩基非线性响应分析。根据粉土的p y 曲线，计算了水平荷载 作用下普通桩基和加肋桩基的响应，并与试验结果进行了比较，验证粉 土的p y 曲线及加肋桩基理论分析的正确性。 5 开发并验证了加肋桩基的计算分析软件。 本项目提出的加肋桩基平台对于平台的合理设计、节约平台造价、提高平 台抗力和延长使用寿命都具有十分重要的理论价值和工程实际意义。首次提出 的静力荷载和循环作用下黄河粉土的p y 曲线，为海洋平台桩基设计提供试验 数据和理论依据。 关键词：加肋桩基，粉土p y 曲线，桩基模型试验，循环水平荷载，海洋平 台 独枉f 海洋甲俞加肋柱 幕钻构研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i lr e s o u r c ei nd e e pw a t e r ， r e s e a r c ho ns i n g l ep i l es u p p o r t e dp l a t f o r m ss u i t a b l ef o re x p l o i t a t i o no fm a r g i n a l o i lf i e l di ns h a l l o ws e ah a sr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s b ym e a n s o ft h e o r e t i cs t u d i e s ，e x p e r i m e n t a lt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h e p r o j e c ti n v e s t i g a t e st h ef o l l o w i n gs c o p e s ： 1 、p r e s e n t e dan e wt y p eo fp i l ef o u n d a t i o n - - r i b b e dp i l ea n da n a l y z e di t s n o n l i n e a rr e s p o n s e t h ee f f e c t so ft h ed e p t hu n d e rg r o u n ds u r f a c ea n dt h e w i d t ho fr i bp l a t eo nt h ep i l er e s p o n s ei sr e s e a r c h e d i ts h o w st h a tw i t h t h e d e p t h i n c r e a s e si t se f f e c to fr e d u c i n gt h er e s p o n s ea m p l i t u d e d e c r e a s e s ，w h i l ew i t ht h ew i d t hi n c r e a s e ，i t se f f e c ti n c r e a s e s 2 、t h em o d e le x p e r i m e n t sa b o u tn o r m a lp i l ea n dr i b b e dp i l ea r ei n v e s t i g a t e d u n d e rt h ed i s p l a c e m e n t c o n t r o l l e dl a t e r a ll o a d i n g ，s t a t i ca n dc y c l i c t e s t i n go fm o d e lp i l ea n dr i b b e dp i l e a r ec a r r i e do u ti ns i l ts o i l t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h er i b b e dp i l ei se f f e c t i v ei ni n c r e a s i n gp i l el a t e r a l c a p a c i t ya n dr e d u c i n gr e s p o n s ea m p l i t u d e a n dc y c l i cd e g r a d a t i o ne f f e c t s w i t hp - yc u r v e sa r es t u d i e dt o o 3 、t h es i l ts t a t i ca n dc y c l i cp - yc u r v e sh a v e b e e nd e r i v e df r o m t h e e x p e r i m e n tt e s tr e s u l t s ，a n dc o m p a r e dw i t ht h ea p ip - y c u r v e s 4 、 a n a l y s e sp e r f o r m e du s i n gs i l tp - yc u r v e sd e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n t a l t e s tr e s u l t sc a p t u r er e a s o n a b l yw e l lt h el o a d d i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo ft h e t e s tp i l ea n dr i b b e dp i l e t h u sv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo f t h es i l tp - yc u r v e sa n dt h em e c h a n i s mo fr i b b e dp i l e 5 、t h ec o m p u t e rs o f t w a r ea b o u tt h er i b b e dp i l eh a sb e e nd e v e l o p e da n d v e r i f i e d t h en e wt y p eo fr i b b e dp i l eo f f s h o r ep l a t f o r mi sh e l p f u lt os a v et h eo f f s h o r e p l a t f o r m sc o n s t r u c t i o nc o s t ，i n c r e a s et h er e s i s t a n c eo fo f f s h o r ep l a t f o r ma n de x t e n d i t ss e r v el i f e t h ed e r i v e ds i l ts t a t i ca n dc y c l i cp yc u r v e sh a v eo f f e r e dt h e o r e t i c a l n 内容摘要 s u p p o r ta n de x p e r i m e n t a lt e s t r e s u l t sf o rt h ep i l ef o u n d a t i o nd e s i g no fo f f s h o r e p l a t f o r m s k e yw o r d s ：r i b b e dp i l e ，s i l tp yc u r v e s ，m o d e lp i l ee x p e r i m e n t ，c y c l i cl a t e r a l l o a d i n g ，o f f s h o r ep l a t f o r m i i i 第一审绪论 1 1 项目的提出 第一章绪论 海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础性设施。随着海上油气资源的开发 不断向深每进军的同时，浅海边际油气资源的开发利用也引起了人们的日益关注， 研究和开发适合浅海边际油气资源开发的固定式轻型平台得到了广泛的重视。自8 0 年代以来，国外轻型平台的应用日趋广泛，墨西哥湾地区尤为突出。近年来，在北 海南部海域也已开始应用，其中应用较多的轻型平台主要有m o s s l l 型、m a n t i s l 型、g u a r d i a n 、s e a h o r s e 及独桩平台等。独桩平台又称为独柱支撑平台，其上部甲 板结构由单一钢管桩支撑，隔水套管则置于钢管桩内。其具有结构简单，制造、安 装方便，造价低等特点，而且单支柱结构形式还能较大程度地降低环境荷载的作用。 目前在北海地区、美国墨西哥湾、意大利亚得利亚海得到广泛应用，其适用水深可 达4 0 米。 我国的海洋石油开发起步于6 0 年代末期，到目前为止，已有近百座采油平台 在进行海上采油作业。为了滚动开发，许多平台为了满足原油外输和配电注水的需 要，在平台周围设立了独立桩结构，随着开发水深的增加，独立桩在风、浪、流和 冰荷载作用下，往往产生较大的水平位移，使其上面依托的输油管线的立管、注水 管线和电缆线造成损坏，甚至渗漏油，造成海洋环境的污染，给油田经济造成严重 的损失。因此，国内海洋石油开发工程对于水深大于2 0 m 的深水采油平台的栈桥支 撑桩多采用组合群桩、小导管架等结构形式，以减少栈桥在波浪荷载作用下的水平 位移，对于依托的输油立管、注水管线和电缆立管的支撑桩也都采用刚性很大的结 构，以保证输油立管、注水管和电缆的工作安全。对于水深大于1 5 m 小于2 0 m 的 采油平台栈桥支撑桩如仍采用常规的独立桩支撑，在风、浪、流的作用下，其位移 通常大于3 0 c m ，易造成栈桥上工艺管线及附属结构的损坏，严重影响正常的工作； 而如果采用小导管架或组合群桩支撑则造价又相当昂贵。在我国油田开发正在由过 去的地质储量管理转变为经济可采储量管理的形势下，引入轻型平台的概念并结合 我国的实际情况积极开展轻型平台结构的研究、开发和应用，并把这种技术应用于 独桩舟洋平台加肋桩摹结构研究 浅海和滩海地区，对于加快我国油田的开发，使更多边际性油田能够达到开发经济 界限，将具有十分重要的意义。 通过对水平荷载作用下单桩受力响应分析知，桩基承受的最大弯矩和剪力发生 浅层土中，浅层土和桩问的相互作用决定了桩基水平承载力和水平挠度响应。要提 高独立桩平台的水平承载力，减小其幅值响应，就是想办法提高浅层土中桩土间的 相互作用力，为此我们提出了一种新的桩型一加肋桩，如图1 1 所示，这种加肋桩 基有以下优点： ( 1 ) 桩身上套管的布置，增加了桩的抗弯刚度和剪切刚度，从而减小了水平荷载 作用下桩的水平响应幅值。 ( 2 ) 加肋桩扩大了桩身的侧面积，提高了桩与土体间的摩擦力，因而提高了桩 基竖向承载力，减小了桩长。 ( 3 ) 加肋桩扩大了被动区受压土体的体积，提高了被动土压力；提高了平台的 水平承载力。 a 图1 1 加肋桩基结构示意图 对海洋平台桩基通常采用a p i 建议的p - - y 曲线法进行设计。但其推荐的p - - y 曲线主要是针对砂土和粘土的，而没有提出粉土p - - y 曲线形式。胜利油田滩海某些 第一章绪论 区域大约6 m 以上的土层，粉土占绝对优势，对这些区域海洋平台的设计采用的方 法是借鉴砂土或粘土的值来考虑粉土的特性，但这种处理方法的可靠性有待于论证。 本项目通过对粉土中模型桩进行静力和循环试验，研究粉土与桩基相互作用机 理，并首次提出静力荷载和循环作用下黄河粉土的p - - y 曲线，为渤海湾海洋平台桩 基设计提供初步的试验数据和理论依据 1 2 目的和意义 通过对粉土中加肋桩基和普通桩基的对比理论和试验研究，提出加肋桩基合理 的结构形式及黄河粉土的p y 曲线，给出加肋桩设计计算方法和计算软件，以满足 工程设计要求。其意义有： 1 加肋桩基提高了桩基的水平承载力，减小了平台的水平响应； 2 加肋桩基为胜利油田滩海区域石油的开发提出了一种新型结构的平台； 3 对于平台的合理设计、节约平台造价、提高平台抗力和延长使用寿命都具有 十分重要的理论价值和工程实际意义。 4 另外这种桩基形式也可推广应用于桥梁、码头的桩基设计中，提高桥梁和高 桩码头抵抗水平荷载的能力，具有广泛的应用前景。 5 首次提出静力荷载和循环作用下黄河粉土的p - - y 曲线，为海洋平台桩基设 计提供了初步的试验数据和理论依据。 1 3 研究内容 1 对加肋桩基结构进行研究。研究加肋桩结构尺寸、埋置深度和宽度对桩基响 应的影响。 2 进行水平荷载作用下，加肋桩基和普通桩基的对比物理模型试验研究。 3 建立静力荷载和循环作用下黄河粉土的p y 曲线。 4 在试验研究的基础上，修正加肋桩的数学计算模型，并与试验结果相比较， 验证理论分析的正确性。 5 提出加肋桩基的设计计算方法并开发计算分析软件。 独桩海洋平台加肋桩摹结构研究 第二章桩基理论及试验研究概况 2 1 数值解析方法 水平荷载作用下，桩土相互作用( p s i ) 解析分析方法的研究主要随着两方面需 要而逐渐发展的，即海上石油工业的兴起及核工业的发展。海上循环波浪荷载时时 对海上桩基结构施加水平荷载，通过一些现场和模型试验建立了以经验为基础的p y 曲线方法来对水平承载桩进行分析，这种方法目前已被广泛接受的。这种静态 荷载分析方法通过修正可应用于循环荷载的分析，也可应用于动力或地震荷载工况。 同时，对粘弹性介质中的理想桩也建立了桩土动力相互作用分析方法；并推广至工 程应用中。与p y 曲线方法相比，这些方法主要偏重于理论研究，其中有限元法就 是1 9 6 0 至1 9 7 0 年对部分埋置的核工厂中土与结构相互作用问题的大量研究而逐渐 发展的结果。然而这些方法通常并不能完全考虑在桩土界面局部屈服的特征，因此 比较适合于较低水平的地震荷载作用的分析。 为分析水平荷载及弯矩作用下桩基的响应( 不管是推倒分析或更复杂的振动分 析) 必须指定土基础间相互作用的非线性应力一变形特性。已经建立了很多解析模 型来求解桩土系统的响应。下面将简要概述p s i 的理论分析方法，一般分为离散和 连续系统两种模型。更为详细的叙述可参考n o v a k ( 1 9 9 1 ) ，g o h l ( 1 9 9 3 ) ，f e n d e r ( 1 9 9 3 ) 及g a z e t a s 和m y l o n a k i s ( 1 9 9 8 ) 。 2 1 1 弹性地基反力法 h e t e n y i ( 1 9 4 6 ) 最初给出了4 阶偏微分方程( 2 1 ) 弹性地基梁的解答( 也称为弹性 地基反力法) e i i d 4 y = p ( 2 1 ) 这里p = 一e y ，e 、i 为桩弹性模量和惯性矩，y 为桩的位移，x 为离地表深度， e 为地基模量，p 为土对桩反力。因为弹性连续体模型不可能得到任意土层分布的 桩刚度的解析解，因而这种方法广泛用于水平静态承载桩的分析，并用来确定p s i 4 第二章桩基理论及试验研究概况 分析中桩顶的刚度。 m a t l o c k 和r e e s e ( 1 9 6 0 ) 介绍了两种土模量随深度变化的土层中，水平承载刚性 桩和柔性桩的一种归一化的迭代求解的方法。d a v i s s o n 和g i l l ( 1 9 6 3 ) 研究了成层土 中恒定土反力模量( 但每层可以不同) 水平受载桩问题，得到的结论是地表处土的模 量对桩的响应起控制作用，因此土性的勘察和描述应重点放在这一区域。b r o m s ( 1 9 6 4 a , b ) 在经典的论文中描述了粘性土和非粘性土中水平承载桩的分析方法，并根 据t e r z a g h i ( 1 9 5 5 ) 建议的地基土反力模量求得桩顶固定和自由的刚性桩和柔性桩地 面处的位移。对于不排水情况，他指出地基土模量应不变且极限土抗力为9 s u ，对 于排水情况，规定地基土模量随深度线性增大并依据r a n k i n e 土压力理论求得极限 土抗力为3 k 。d 。仃。 j a m d o k o w s k i 和g a r a s s i n o ( 1 9 7 7 ) 对水平承载桩地基土模量和土极限抗力的发 展现状进行了讨论。r a n d o l p h 和h o u l s b y ( 1 9 8 4 ) 用经典塑性理论得出不排水条件下 水平承载桩极限土压力下限和下限值为桩表面粗糙度的函数，其范围近似为9 到 1 2 s u 。h a n s b r o ( 1 9 9 5 ) 采用b r o m 排水极限水平抗力计算方法并根据b a r t o n ( 1 9 8 2 ) 离 心机试验的结果建议排水极限水抗力量。2 d 。j 对无粘性土更合适。k u l h a w ya n d c h e n ( 1 9 9 5 ) 对钻孔桩采用b r o m s 原理进行分析，识别钻孔桩身的水平抗力的组成， 指出对水平承载桩和钻孔桩进行适当实验研究的重要性 2 1 2w i n k l e r 地基梁模型( p y 曲线法) w i n k l e r ( 1 8 7 6 ) 模型的基本假定为每一土层的反应与其邻近土无关，用梁和离散 弹性体系模拟水平承载桩。虽然这个假定忽略了土层间剪力的传递，但对水平承载 桩的静力态和动力响应分析是广泛和有效的。在这种模型中，桩土的接触面被离散 成许多点，在这些点上并联着弹簧和阻尼器表示每层土中桩土间的刚度和阻尼效应。 桩土间的弹簧可以是线弹性的也可以是非线性的；用来模拟桩土间非线性的弹簧的 p y 曲线是根据现场试验结果并根据经验方法得出的。与其它方法不同，该法隐含 地考虑了桩基施工过程对桩周土影响该方法进一步可以进行桩土间隙、循环退化、 速率相关等问题分析。w i n k l e r 地基梁模型的一个缺点就是对桩土界面的二维简化 忽略了径向的和三维相互作用的影响。 m c c l e l l a n d 和f o e h t ( 1 9 5 8 ) 据说是水平承载桩分析p y 曲线法的创始人。他们 提出了将不同深度处土体的三轴应力一应变实验数据和桩的荷载一位移曲线相关联 独桩海洋甲台加肋桩基结构研究 的方法，并估计了每一土层的地基土的反力模量。特别值得注意的是，p e c k ，m a t l o c k 及其它学者随着对此文的讨论，这里r e e s e 首先提出了应表面土楔的概念( 见图2 1 ) 和深层塑性滑动破坏模型来求得土体的极限不排水抗力为1 2 s u 。 f 图2 1水平荷载下土表面处被动土楔几何形状及桩土相互作用( r e e s e ，1 9 5 8 ) 图2 2 p y 曲线的描述a ) 静止桩；b ) 水平承载桩所激发土抗力 6 第二章桩摹理论及试验研究概况 f - - s o i t 舵5 i s t 咀“帅p l _ 、 4 ：、。 、 - h p i l e 、 、 、一一一x ， 、 、 y 一一一x x 。一 l 孵l c t i o _ y 图2 3 典型的p - - y 曲线族随深度而硬化( m e y e ra n dr e e s e ，1 9 7 9 ) 壳牌公司的一系列研究报告，如m a t l o c k 及其合作者进行了软土中水平承载桩 的静态和循环的现场和实验室试验，描述p y 曲线是由于土体产生水平位移y ， 从而在桩周不均匀应力场中产生土抗力p ”( 见图2 2 ) 。同时得到了单桩的p y 曲线 族，如图2 3 所示，曲线刚度通常随深度而硬化 m a t l o c k ( 1 9 7 0 ) 提出式( 2 2 ) 来描述软土中桩的静态和循环荷载的p y 曲线， 如图2 4 a 和2 4 b 所示，并收编于美国石油协会( a p i ) 规范( a p i ，1 9 9 3 ) q a 。 删吐必) ”3 ( 2 2 ) 式中，p 为土水平抗力；见为极限土抗力2 ，c d ；，为极限土抗力系数；c 为 土不排水抗剪强度；d 为桩径；咒桩身偏位临界值= 2 5 e 。d ；s 。三轴不固结不排水 压缩实验中最大主应力差一半的应变；x 地表下深度；b 土体失效发生流塑破坏的 临界深度。 独桩海洋平台加肋桩摹结构研究 f 王 d 竺 i - 10 塑 岔 芷 d o 0 5 k o 窖 皇 t 0 ； 皇 ： 百 若 茧 ： 象 deflection，deflection“ 图2 1 3 硬粘土中桩径为2 4 一i n 桩在静态和循环荷载作用下的p y 曲线 ( r e e s e 等，1 9 7 5 ) 1 9 1_。一岩zv上is岂一5 独桩海洋平台加肋桩基结构研究 2 2 2 现场动力试验 为估计动力荷载作用下桩基的动刚度，学者们在现场进行了单桩和群桩的足尺 试验研究。在所有的三种试验中，通常在桩顶固定一质量来强调桩基的共振响应和 阻尼特性。r i n g d o w n 试验是由迅速释放开始作用于桩基的水平位移，当桩在回弹 到初始位置过程中，测得其随后的自由振动。桩的刚度和阻尼值可由测得自由振动 中用对数递减法推出。冲击试验是r i n g d o w n 试验的更小应变形式，在对桩冲击处产 生自由振动并进行测试。外力振动试验是在桩项固定一偏心质量振动器，马达转动 偏心质量块产生对桩顶的振动。通过调整方向、马达速度和固定质量，这个试验能 进行不同频率和幅值的水平、垂直或摇摆振动研究。电动振荡器也可用来进行动力 振动试验，并能对桩顶输出比机械类更高频率的振动，其极限为1 0 0h z 。桩土刚度 和阻尼可以用半能量带宽法直接由试验结果共振曲线中取得。当响应为线性且很好 取得了土的弹性特性，则观测与预计结果符合的很好。相反地，当荷载水平较高产 生了非线性桩土响应，预测模型的响应不精确。关于现场桩基的动力试验总结在表 2 1 中，在总的观察结果后面是对这些选取试验的评论。 桩土动力试验与试验场所非常相关。 桩土动力试验与频率和荷载水平相关。 桩土垂直刚度大于水平刚度。 桩帽的埋设提高了桩土的动刚度和动阻尼。 桩土的非线性响应降低了刚度和阻尼。 群桩效应与频率、桩间距、场地相关，对桩剐度和阻尼更显著。 弹性连续体解析模型考虑桩周的软弱区，桩土间隙及随深度双曲线变化的土 模量对于工程提供了合理的精确水平研究。 p e t r o v s k i 和j u r o k o v s k i ( 1 9 7 3 ) 对松散砂土中的钻孔桩和4 桩群桩进行了动力试 验，研究了桩帽不同埋置条件的影响。线性和非线性响应的对比见图2 1 4 a 和2 1 4 b ， 图中描述了随荷载水平增大，剐度和阻尼降低，图b 是图a 中去掉桩帽阻力的结果。 第二章桩摹理论及试验研究概况 e u 一 一 乱 ， 石 定 = 岩 。 兰 。i ：p ( t m = 朝 ! ，1 5 骄一 ；l u f i j 1 r矜ij jz l 1 p 弋 m = 1 3 孓 丝 暂心迨 4 ，_ ，_ 咿 e 6 8 6 图2 1 4桩基动力荷载响应 a ) 线性响应；b ) 桩顶附近土去除的非线性响应( p e t r o v s k ia n dj u r o k o v s k i ，1 9 7 3 ) 前苏联学者g d b ( 1 9 7 5 ) 用独特的方法，报告了用一系列的时间控制爆炸来得到 近似地震激励的特征来进行现场桩基试验。g r i b 的结果和分析并没有给人留下深刻 印象，但他的实验方法很先进，因为它克服了直接在桩顶施加动力荷载的限制而是 通过自由场地施加动力荷载。在7 0 年代s i m q u a k e 试验中及z e l i k s o n 等( 1 9 8 2 ) 所 进行的离心机试验也用这种爆炸激励方法进行土与结构相互作用试验研究。 s c o r 等( 1 9 8 2 ) 打入粉质砂土的钢管桩进行了水平振动力试验和振铃方式试验， 桩身布设仪器并同时对观测的场地响应进行离心机试验研究。场地大量的测试仪表 监控桩身弯矩、桩顶位移和加速度、桩周土孔隙压力及地表自由场地速度。最大桩 顶加速度达到o 2 6 5 9 ，这表示地震荷载作用，与许多小振动测试有所不同。在较高 的荷载水平下，在桩顶周围可以观察到部分液化现象，这大量降低了桩的刚度。动 阻尼值较小( 1 - - 7 ) 并随着桩运动幅值的增大而增大，直到液化发生为止。在小荷载 作用下振动及振铃方式试验下的共振频率有很大的不同，范围分别为2 3 到2 9 对 4 1 到4 3 h z 。t i n g ( 1 9 8 7 ) 由试验结果计算出p - - y 曲线并与a p i 建议曲线进行了比较， 发现由于非线性响应、间隙及部分液化a p i 过高估计了观察到的刚度。在最近刊物 中，l a m 和c h e a n g ( 1 9 9 5 ) 发表了在同一场所进行的另一循环荷载测试结果，目的是 2 1 jds石1d乏驾兰n 独桩海洋平台加肋桩基结构研究 为了比较动力p y 曲线与循环p - - y 曲线的不同。试验是对最近施工完的桩基进行， 首先对一根桩进行振动荷载试验，测得两根桩的荷载一变形几乎完全相同，表明先 前的振动荷载没有对桩土体系产生永久的变化。水平荷载作用下，自由桩顶水平抗 力比固定桩顶抗力大，这是由于自由桩顶的转动变形所调动的额外摩擦力所致。作 者把这一机理归因于s t e v e n s 和a u d i b e r t ( 1 9 7 9 ) 所观察到的“桩径效应“。循环荷载 作用下的桩土刚度非常接近于低振幅振动荷载作用下的刚度，但在大振幅振动荷载 下的非线性响应降低了表观刚度值的8 0 。这是由于这两种类型的试验土体排水与 不排水的结果。 c r o u s e 和c h a n g ( 1 9 8 7 ) 对垂直桩和内斜钢管混凝土桩进行了振铃式试验，桩基的 支撑随桩帽埋于表面松散砂土和饱和土而变换。观察到的共振频率和阻尼值小于那 些简化方法的计算值1 0 - - 3 0 ，特别低的阻尼值暗示了桩帽与土相互作用被抑制了。 在1 9 6 5 年震级6 5 级的p u g e ts o u n d 地震时，作者观察到场地经历的峰值地面加速 度为o 0 6 一o 1 9 ，这可能导致松散砂土的沉降并与桩帽脱离。当不考虑桩帽埋入的 接触效应，预测值和观测值显示很好的一致性。 b l a n e y 等( 1 9 8 7 ) 和b l a n e y 和o n e i l l ( 1 9 8 9 ) 对在超固结粘土中的3 x 3 钢管群桩进 行了动力试验研究。这两篇文献分别报告了垂直和水平振动试验结果。第一篇研究 的首要结论是群桩的平均频率响应其刚度和阻尼比等效单桩大。这可断定与群桩内 波的相互作用有关，但注意不要将此作为一个普遍结果，而是与场地土的特性和桩 间距紧密相关。相反，在水平振动荷载作用下，群桩的平均频率响应比等效单桩更 柔、阻尼更小。结合观测到的桩土间隙的数学模型非常精确的得到了试验测试到的 响应。 桥梁的桩基跨越西雅图泥炭土和泥沼，作为基础研究的一部分，k r a m e r ( 1 9 9 3 ) 对一8 英寸的钢管桩进行了振动、振铃和冲击试验研究。不幸的是，不同方式的试 验结果不一致，在某些情况下与预期的变化趋势相反，部分与s c o t t 的发现相应。 测试结果的不统一的原因可能是s h a k e d o w n 变形硬化的结果。在自由振动测试中记 录的辐射阻尼超过2 5 ，从动力振动试验得到的平均水平刚度。后者的值与水平静 力荷载试验结果相关性很好，因此被用来进行群桩动力刚度的推导。 第二章桩基理论及试验研究概况 2 2 3 模型桩试验方案 模型桩试验对于p s i 的研究提供了大量信息，但必须仔细考虑比例模型试验方 案及其固有的缺陷。比例模型试验优点是经济、实用并可进行参数的研究和重复性 试验。模拟模型的技术提高了模拟方法的可信度。可以同时进行运动和惯性作用系 数的研究，具有上部结构的群桩也能构造并进行试验。模型试验的缺点是不可能完 全满足所有的相似准则、反映现场真实的桩土应力场以及存在边界效应等。 对桩基的模型试验研究文献有很多。w e n ( 1 9 5 5 ) 是首先在桩身布设应变片来进行 模型桩试验研究，并主要研究了垂直桩及斜桩群中轴向和水平荷载的分布。其结果 表明对称和不对称斜桩群水平抗力优先分配在群桩中前排桩上，这与f e a g i n s ( 1 9 3 7 ) 群桩的现场试验结果相似。作为粘土中桩基水平承载力的综合研究的一部分， m a t l o c k 和r i p p e r g e r ( 1 9 5 7 ) 进行了一系列基本的研究试验。为了观察弹性介质中刚 性桩周围应力场的发展情况，它进行了凝胶中圆柱的光弹试验研究，见图2 1 5 。在 荷载作用阶段( d ) ，柱的后面与凝胶分离产生间隙，因而这一区域应力较低。作者正 确推断这一现象仅会在桩土系统靠近表面的区域出现。同时进行了完全埋入重塑粘 土中的模型桩水平拉力和严格垂直桩段水平荷载的试验研究，这两种试验方案的目 的是为了评估深处和浅处桩土相互作用的差异。研究了加载速率、长径比、埋入深 度等的变化对非线性荷载一变形响应的影响并与现场测试结果进行比较。m a t l o c k ( 1 9 6 2 ) 在项目的总结报告中将这一试验技术扩展到循环水平荷载并进行了垂直埋入 重塑土中刚桩圆柱桩的“罐试验”示意图2 1 6 代表一个典型的荷载循环。这些试 验与现场试验一起对a p i 介绍的静力和循环荷载下软粘土中p - - y 曲线的构造起了 重要的作用。g a u l ( 1 9 5 8 ) 在其关于膨润土中静态和循环荷载的模型桩试验中对比例 模型的相似性进行了详细的分析。图2 1 7 a 描述了1 h z 循环荷载作用下，随着上覆 土压力5 0p s f 的施加其弯矩包络线逐渐降低。静态和循环荷载的弯矩包络线的比较 见图2 1 7 b ，显示了在这些试验中土循环抗力的退化很小，其结果毫无疑问是非常 高塑性指数的函数，本工况中为5 5 0 。 独树海洋平台加肋桩摹结构研究 图2 1 5 刚性柱在弹性介质中平动的应力条纹图案( m a t l o c k 和r i p p e r g e r ，1 9 5 7 ) 一：( ” 一一 匿 叫 函! 夼 一_ 、一 出 1 、! ：皆一 镒一 图2 1 6a ) 罐试验示意图； b ) 间隙软弱区域的典型荷载循环试验( m a t l o c k ，1 9 6 2 ) 2 4 第二章桩摹理论及试验研究概况 图2 1 7 模型桩顶荷载试验弯矩图 a ) 上覆土压力变化；b ) 振动和静态荷载( g a u l ，1 9 5 8 ) p r a k a s h ( 1 9 6 2 ) 在其博士论文中研究了置入砂土中群桩模型的静力和循环荷载试 验。桩间距由2 d 到8 d 变化，其结论是当桩间距在荷载方向上大于8 d ，在垂直于荷 载方向上大于3 d 时群桩效应可以忽略不计。他同时也观察到了在恒定循环荷载的影 响将增大桩身的位移和弯矩，但其程度是逐渐降低的。这些结论的影响很大，通常 被用来进行群桩的设计。 d a v i s s o na n ds a u e y ( 1 9 7 0 ) 在砂土中进行了单桩和非常大的斜群桩模型的水平荷 载试验，为美国工程兵闸门和大坝的基础设计建立标准。他们的目的是对群桩的性 能有一个更好的理解，并将模群桩试验结果与单桩的现场试验相关联，这样可以通 过外推法来进行群桩的设计。他们发现单桩的循环荷载产生的挠度约为静力荷载下 的2 倍，其弯矩的分布在深处适度增大，但最大值不受影响。对6 桩的桩群( 直桩 斜桩) 说明了桩顶约束和桩帽与土表面的接触的影响。大的模型试验再次阐明了循环 荷载增大桩基挠度( 为静力荷载挠度的1 5 0 ) ，用h r e n n i k o f f s ( 1 9 5 0 ) 方法的群桩效 应分析证明的合理精确的。a l l e n 和r e e s e ( 1 9 8 0 ) 进行了在软土中( t e s t1 ) 及软土上 覆盖逐渐硬化土层( t e s t s2 - - 5 ) 桩基的水平荷载模型试验，并将试验结果与c o m 6 2 3 程序中默认硬土与软土p - - y 曲线标准计算的结果相比较，两者符合的很好，见图 独桩海洋平台加肋桩摹结构研究 2 1 8 。正如作者所观察到的，一些误差可能是由与桩径相关的挠度引起的，s t e v e n s 和 a u d i b e r t ( 1 9 7 9 ) 也提示过，并进行了大桩径桩基的水平荷载试验。 图2 1 8 模型桩的理论p y 曲线与实验的比较( a l l e na n dr e e s e ，1 9 8 0 ) m a t l o c k 等( 1 9 8 2 ) 对重塑土中群桩模型进行了一个重要的研究，测试打桩过程中、 随后固结及循环轴向荷载作用下孔隙水压力和桩侧摩擦力发展状况。其测得的孔隙 水压力与固结理论一致，但是在加载过程中表现不一致而有较小的变化，与有效应 力概念关于摩擦力降低不一致。作者因此提出循环降低的机理仅局限在桩侧有限距 离处的一薄层剪切区内。 c o x 等( 1 9 8 3 ) 描述了置入非常软土中的桩段关于桩间距及荷载方位等参数对群 桩效率系数影响的研究。用桩段的目的是测试效率系数，因为水平荷载效应主要由 靠近表面处桩土体系所承受。这种方法与m a t l o c k s 罐试验相同，尽管刚性桩的挠 度模式看来适合研究单桩响应，但刚性的群桩与柔性群桩有显著的不同。k i s h i d a 等( 1 9 8 5 ) 取得了砂土和粘土中模型桩的水平循环荷载的x r a y 图片，说明了在砂土中 间隙被充填和压缩而粘土中间隙保持张开，图2 1 9 。用相同的方式，h u g h e s 和 g o l d s m i t h ( 1 9 7 7 ) 用立体的摄影测量技术研究水平荷载作用桩土的位移场。 z idoj町芷u卜j 第二章桩摹理论及试验研究概况 r 一一1 1 i q q i 缝 缀： ! l0 q 鹾三 o 乒： q q 誓： 图2 1 9 砂土及粘土中桩土间隙的位移矢量图( k i s h i d a 等，1 9 8 5 ) p a r k0 9 8 7 ) 发表了关于钢管砼桩抗震性能的全面研究，主要是对水平荷载作用下 组合构件的性能研究，进行了桩顶自由和桩顶约束条件下松散和中等密实砂土中等 比例模型桩的试验研究。观察结果表明中等密实砂土中产生比松散砂土更大的作用 力，在桩顶周围间隙处砂土变密实，在循环荷载作用下曲率的峰值随深度延长并转 移，致使桩荷载一遮蔽跟随桩运动以及桩身屈服扰动区的形成。有趣的是，由于间 隙周围砂土的密实而增大了土的模量部分被土表面的降低所抵消，这相当于增大了 桩的自由长度，这种效果也是受桩基施工的影响。尽管在低延性水平时的局部屈曲 变形、强度、延性和能量的耗散等被认为等于或高于等效钢筋混凝土构件性能。 在与电力研究院合作下，c o r n e l lu n i v e r s i t y 学者们进行了对砂土和粘土中静态和 循环水平荷载作用下钻孔桩大模型进行了广泛的试验研究，报告分别见a g a i b y 等 ( 1 9 9 2 ) 和m a y n e 等( 1 9 9 2 ) 。在粘土中的试验中，用泥浆填满箱子并经过几周时间进 行固结甚至几个月来得到超固结强度。钻孔桩模型小心的模拟桩土界面的粗糙度。 静力荷载试验结果荷载与位移响应表现为非线性，没有产生明显的屈服，除在密实 砂土中出现的峰值后的软化现象。循环荷载导致累积位移的增大，但其增大的程度 是逐渐降低的，密实砂土除外，这可能是因为其处于亚稳状态。循环后的静力荷载 破坏试验表明水平承载力没有损失，初始刚度有少许减少。 在现场试验和实验室进行的缩尺模型桩和群桩的动力试验的数量是有限的。其 实验结果补充了桩动力现场试验。少数学者用人工粘土进行试验，其中k a n a ( 1 9 8 6 ) 独舯海洋甲台加肋桩摹结构研究 仔细考虑了缩尺模型中模型土和桩相似性的建立，并成功地将其试验结果与原型试 验结果相比较，为粘土中l g 加速度动力桩模型试验的使用提供了一些验证( 缩尺 比例为1 0 7 5 ) 。n o v a k 和e 1s h a r n o u b y ( 1 9 9 2 ) 用p o u l o s 静力相互作用因子、k a y n i a 和 k a u s e l 动力相互作用因子、w a a s 和h a r t m a n 完全动力分析和n o v a k 和e ls h a r n o u b y 等效桩基概念法从这些试验结果中计算了群桩的影响。用n o v a k 法的p i l a y 2 程序 计算了单桩的刚度阻尼，并考虑桩周软弱区忽略了桩顶部1 0c m 以上土抗力，并描 述了土模量随深度双曲线变化情况。并用相互作用因子组合前两种方法的解得到群 桩的阻抗，用后两种方法直接计算群桩阻抗。对于竖向响应，为求解方便，t h ew a a s 和h a r t m a n 方法将群桩转化为一轴对称的形式并提供了与现场数据符合很好。其它 三种模型需要考虑总的或表观质量，包括在桩问的土体。对刚度不需要修改，对静 力相互作用下阻尼调整为1 0 ，等效桩刚为5 0 ，动力相互作用方法为2 0 0 。等 效桩模型则需要考虑表观质量并降低阻尼( x4 0 ) 来与试验结果相符，静力相互作 用因子对试验结果的一致性很差。由此得出的结论是对于间距小的大尺寸群桩问题 很复杂，目前理论经过调整能够对其响应进行计算。考虑到静力相互作用仅对小的 群桩在低频时动力刚度做近似的计算，另外可能低估其刚度值。看来理论过高估计 了阻尼作用，可能是没有考虑到桩土间隙的形成或土体非线性以及桩周的软弱区都 可能降低土体阻尼作用。对于特殊土体状况和桩间距，整个桩群及其内部土体好象 作为一整体振动。 2 2 4 试验方案总结 现场和实验室的桩基荷载试验研究方案有助于我们更好的理解p s i 。现场桩基试 验通过施加的水平荷载来得到单桩和群桩的响应。m a t l o c k l 9 6 2 的最初试验工作强 调了桩土非线性响应，与循环退化和间隙问题一起是整个现场研究的基础。g i l l ( 1 9 6 8 ) 的结果分析表明了在某些情况下p - - y 曲线可能不适合，这包括b a ym u d 。群桩的足 尺试验清晰地说明了承担荷载的摭蔽效应、循环退化、斜桩性状及桩帽对抗力贡献。 单桩和群桩的动力荷载试验表明响应与场所、频率、荷载水平、桩帽、桩群间距相 关。不同试验方法动力试验结果的变化性被几个学者证明了。模型试验成功被原型 试验结果所校准，非常重要的证明了模型技术的有效性m a t l o c k 从1 9 5 7 到1 9 6 2 进行的室内桩土相互作用研究工作大量补充他的现场研究，并自身成为一套完全的 研究方法。同时，也证实容器边界效应、模型技术及相似准则对模型试验的影响很 第二章桩摹理论及试验研究概况 大，许多模型实验结果因为没有充分注意这些方面而使试验结果有问题。 通过对桩基试验文献总结分析知，大部分桩基荷载试验装置如图2 1 2 所示，仅 在泥面处桩顶施加水平荷载，这与海洋平台桩基在泥面处同时承受较大水平力和弯 矩的实际情况不符。因而本文的模型试验将通过在泥面上悬臂桩项施加水平荷载的 方案来进行加肋桩基的模型试验。模型试验方案将在第四章详述。 独桩海洋甲台加肋桩摹结构研究 第三章加肋桩基结构研究 3 1 加肋桩基的计算模型 在水平荷载作用下，桩与土的作用机理十分复杂。桩是利用桩周土的抗力来承 担水平荷载，当水平荷载较小时，这一抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变 形主要为弹性的，随着水平荷载的增大，桩的变形加大，土抗力非线性增加，表层 土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不 能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩土体系便趋于破坏。循环荷载下的桩土 系统发生软化现象，即当水平位移达到一定程度后，随着位移的增大土抗力逐渐减 小。桩周土体软化的不同模式相当于桩身土抗力的不同分布模式，从而影响桩身水 平位移。 海上循环波浪荷载时时对海上桩基结构施加水平荷载，其桩土间的相互作用可 以用非线性p y 曲线方法进行表示。这种方法目前已被广泛接受的。水平荷载及弯 矩作用下也加强桩基的响应的计算，也必须指定桩一土间相互作用的非线性p - - y 曲线。对p y 曲线最有影响的三个因素是，土体特性、桩的