（岩土工程专业论文）振动荷载作用后饱和弱化砂土的py关系研究.pdf

中文摘要 评价地震荷载作用下，土层液化过程中桩的水平承载特性对桩基础设计有重 要的意义。在之前的研究中，通过施加反压的方法来模拟振动荷载作用后饱和弱 化砂土与水平受荷桩之间的相互作用，初步提出了确定饱和弱化、液化土层p y 曲线的方法。本文则研究振动荷载作用后饱和弱化、液化土层与水平受荷桩的相 互作用，探讨确定振后饱和弱化、液化土层p - y 曲线的方法。开展的工作如下： 通过振动荷载作用使饱和砂土层达到一定的弱化状态，在不施加反压维持土 层累积孔压的前提下，进行饱和弱化土层与水平受荷桩相互作用的模型试验，从 桩顶荷载位移曲线，桩身弯矩和弱化土层p 。y 曲线三方面对振动导致土层弱化和 施加反压导致土层弱化的模型试验结果进行了对比分析，结果表明可以利用施加 反压导致土层弱化的模型试验的方法来模拟振动荷载作用后弱化土层与水平受 荷桩之间相互作用。 基于文克尔地基梁模型，反分析模型试验的桩项荷载位移曲线，确定了饱和 土层的有效强度参数；并利用三次样条插值函数法确定了模型试验的p y 关系， 建立弱化土强度参数与孔压折减系数的关系；建立了依据桩、土参数确定土反力 模量系数的方法，并初步提出确定弱化p y 曲线的方法。 采用弱化p y 曲线模型分析振动荷载作用后弱化土层与水平受荷桩之间的相 互作用，结果表明施加反压导致的弱化土层与水平受荷桩相互作用p y 曲线模型 可以描述振动荷载导致的弱化土层与水平受荷桩相互作用的p - y 关系。 关键词： 振动荷载，弱化土层，p - y 曲线，桩基水平承载力 a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g no fp i l ef o u n d a t i o n st oe v a l u a t el a t e r a lb e a r i n g c a p a c i t yo fp i l eu n d e rc y c l i cl o a d s i nt h ep r e v i o u ss t u d y , am o d e lt e s tm e t h o di n w h i c ht h er e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r ew a sg e n e r a t e db ya p p l y i n gt h eb a c k l ：i r e s s u r et o t h es a t u r a t e ds a n ds t r a t u mw a sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n d s a t u r a t e dd e g r a d a t i o ns a n du n d e rc y c l i cl o a d s ，a n dp - yc u r v e so fs a t u r a t e dd e g r a d a t i o n a n dl i q u e f a c t i o ns t r a t aw e r ep r e l i m i n a r i l ye s t a b l i s h e d t h e r e f o r e ，t h ei n t e r a c t i o no f s a t u r a t e dd e g r a d a t i o ns a n da n dl a t e r a ll o a d e dp i l eu n d e rc y c l i cl o a d sw e r er e s e a r c h e d i no r d e rt oe s t a b l i s ht h ep - yc u r v e so fs a t u r a t e dd e g r a d a t i o na n dl i q u e f a c t i o ns t r a t a u n d e rc y c l i cl o a d si n t h i st h e s i s m a i na c h i e v e m e n t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： m o d e lt e s t so fi n t e r a c t i o nb e t w e e np i l ea n ds a t u r a t e dd e g r a d a t i o ns a n dw e r e c o n d u c t e do nt h ep r e m i s eo fn o ta p p l y i n gt h eb a c k p r e s s u r et od e g r a d a t i o ns t a t es t r a t a w i t ht h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ef r o mc y c i i cl o a d s f r o ml o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e s o fp i l eh e a d ，b e n d i n gm o m e n t sa n dp - yc u r v e so fs a t u r a t e dd e g r a d a t i o ns t r a t a , t h e r e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h a to ft h em o d e lt e s t si nw h i c ht h er e s i d u a lp o r ew a t e r p r e s s u r ew a sg e n e r a t e db ya p p l y i n gt h eb a c k p r e s s u r et ot h es a t u r a t e ds a n ds t r a t u m i t i ss h o w e dt h a tt h em o d e lt e s tm e t h o di nw h i c ht h er e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r ew e r e g e n e r a t e db ya p p l y i n gt h eb a c kp r e s s u r et ot h es a t u r a t e ds a n ds t r a t u mc o u l db eu s e dt o s i m u l a t et h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n ds a t u r a t e dd e g r a d a t i o ns a n du n d e rc y c l i cl o a d s u s i n go nt h eb e a mo nn o n l i n e a rw i n k l e rf o u n d a t i o nm o d e l ，t h ee f f e c t i v es o i l s t r e n g t hp a r a m e t e r sa r ee s t a b l i s h e db yb a c k c a l u c u l a t i n gt h e1 0 a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e o fp i l eh e a do ft h em o d e lt e s t sr e s u l t s 1 1 1 ep yr e l a t i o n s h i p so fm o d e lt e s t sr e s u l t s w e r eo b t a i n e db yt h ec u b i cs p l i n ef u n c t i o n ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n d e g r a d e ds o i ls t r e n g t hp a r a m e t e r sa n dp o r ew a t e rp r e s s u r er e d u c t i o nf a c t o rw e r e e s t a b l i s h e d m e t h o d st od e t e r m i n et h es u b g r a d er e a c t i o nm o d u l u sc o e f f i c i e n to f d e g r a d e ds t r a t aw e r ed e v e l o p e du s i n gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fs o i la n dp i l e ，a n dt h e p - yc u r v e so fs a t u r a t e dd e g r a d a t i o na n dl i q u e f a c t i o ns t r a t aw e r ep r e l i m i n a r i l y e s t a b l i s h e d t h ei n t e r a c t i o no fp i l ea n ds a t u r a t e dd e g r a d a t i o ns a n du n d e rc y c l i cl o a d sw e r e a n a l y z e du s i n gt h ep - yc u r v e so fs a t u r a t e dd e g r a d a t i o na n dl i q u e f a c t i o ns t r a t am o d e l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep - yc u r v e so fs a t u r a t e dd e g r a d e da n dl i q u e f a c t i o ns t r a t a m o d e lc o u l db eu s e dt od e s c d b et h ep - yr e l a t i o n s h i p so fs a t u r a t e dd e g r a d e ds t r a t a u n d e rc y c l i cl o a d s k e yw o r d s ：c y c l i cl o a d s ，d e g r a d e ds a t u r a t e ds t r a t a ，p - yc u r v e ，t h el a t e r a l b e a r i n gc a p a c i t yo f t h ep i l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和耿得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 在露 签字日期：。力夕年月岁同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠本堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：凌缸 导师签名： 签字日期： _ 1 9 t ，7 年 | 莎月) 日签字同期： 同 天津大学硕士学位论文第一一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 桩基础具有承载力高，沉降小，沉降速度缓慢，更适合机械化施工的特点； 可以适应不同基础工程的要求，因此在港口工程、海洋工程、公路桥梁、高层建 筑等建筑工程中的应用十分广泛。而且在这些工程中主要承受水平荷载，比如船 舶荷载、波浪作用力和水流作用力等，因此，桩的水平承载力计算一直是国内外 普遍关注的热点问题之一。尤其是当地震发生时，处于饱和松散砂土中的桩基础 会因土层的液化导致上部结构产生过大变形而发生破坏。鉴于土层液化的危害， 在基础工程的设计中，必须考虑饱和松散砂土层液化对基础稳定性产生的影响。 因此，评价地震荷载作用下，可液化土层中桩的水平承载特性就成为桩基础设计 的一项重要内容。 需要注意的是，地震荷载作用下，饱和砂土层随震动累积残余孔隙水压力的 增加，承载能力逐渐降低，最终发生液化。因此，即便地震荷载作用下土层没有 液化，也会由于土层中累积孔隙水压力的增加，导致其承载能力减小，而且受震 动后的残余孔隙水压力越大，减小的越明显。然而，在目前的桩基础设计中，把 可液化土层分为两种状态，即液化和非液化。其中，对于没有发生液化的土层， 一些研究者没有考虑自由场和近场中地震荷载作用下由于上部结构的惯性力所 导致的残余孔隙水压力的上涨。而在不排水的条件下，残余的超静孔隙水压力的 存在会明显的降低桩的承载能力，在松散的砂土当中这显然是不安全的【l 】。因此 确定地震荷载作用下饱和砂土的实际承载能力对于客观评价桩基础的承载力是 十分重要的。 以下就分析桩基水平承载特性的p - y 曲线法的国内外发展现状与水平做一评 述，同时对液化土层中桩基础水平承载特性的研究现状进行分析，指出存在的问 题，提出了本文所做的研究工作。 1 2p - y l 曲线的研究现状 在评价桩基础承载力的问题中，水平承载桩的计算方法一直是国内外普遍关 心的重点之一。在众多方法中，p - y 曲线法是计算横向受荷桩的重要方法之一。 p - y 曲线法理论比较严谨，能够较好的模拟桩土相互作用的弹塑性发展过程。在 该方法中，桩周土的特性是用一簇曲线把地面以下不同深度处土对桩身的抗力和 天津大学硕士学位论文第一章绪论 桩在该深度处的水平变位相关联称为p y 曲线。目前，这种方法被广泛应用到受 水平荷载的海洋结构以及地基变形较大的桩基础分析当中，实践表明，依据p - y 曲线的计算结果与桩土相互作用的实测结果相比在可靠的误差范围之内，而且计 算效率很高。 p y 曲线的方法起源于1 9 5 6 年，当时m c c i e i l a n d f o c h t 根据墨西哥湾粘土地 基中实体桩水平荷载试验测得的反力挠度曲线，结合固结不排水土样的三轴试 验所得的应力应变关系，提出了水平受荷桩非线性分析方法【2 】。 目前关于计算粘性土p - y 曲线的方法基本都是建立在1 9 7 0 年m a t l o c k t 3 】的研 究基础上，m a t l o c k 基于美国德克萨斯州塞宾河的现场试验建立了水平荷载作用 下软粘土p y 曲线公式，提出了依据原状粘土不排水抗剪强度标准值c 。和三轴 试验中最大主应力差一半时的应变值5 0 确定软粘土中桩的p y 曲线的方法；而 无粘性土p y 曲线的发展则是基于1 9 7 4 年r e e s e l 4 推荐的方法，r e e s e 和c o x 对 埋入砂土中一组钢管桩试验进行了研究和分析，从土楔体极限平衡理论推出砂土 的极限土抗力，建立了典型的砂土p - y 曲线公式，即由直线段、曲线段和直线段 三部分组成。m m l o c k 和r e e s e 提出的方法考虑了土的非线性，在美国石油协会 a p ir p2 a 规范1 5 】第七版中被选用，并称为p y 曲线法。 随后，在m a t l o c k 和r e e s e 的传统理论的指引下，p y 曲线的理论不断的在 发展和完善，提出了许多新的建立p - y 曲线的方法。1 9 8 4 年，o n e i l 和m u r c h i s o n 根据足尺桩的试验结果利用反分析的方法提出了采用反正切函数构造砂土p y 曲 线的方法1 6 】，该方法应用简便，计算得到的p - y 曲线能够反映砂土的极限强度， 并且由p - y 曲线反分析得到的桩身弯矩与试验结果基本吻合，因此，这种方法在 2 0 0 0 年美国石油协会a p ir p2 a 规洲7 j 第二十一版的修订中被推荐。 由于传统的p - y 曲线理论是建立在一系列局部地区现场试验的基础上，因此 有很大的局限性。所得到的p i y 曲线也不一定完全适用于所有的实际情况。为此， a s h o u r 和n o r r i s 提出了一种新的p y 曲线理论楔体应变理论( s w ) 8 - 9 ，它考 虑了桩的抗弯刚度、桩的截面形式和桩的埋深等因素，并且反映到了p - y 曲线的 结果当中。s w 模型能够反应水平承载桩的特性，并且在砂土、粘性土和分层土 的现场试验当中取得很好的效果，s w 模型是对传统p y 曲线的种很好的补充。 由于土体的p - y 曲线不是唯一的，它依赖于邻近土体和桩的参数，因此s w 模型 提供了一种获取实际p - y 曲线的方法，从而为设计者提供了很好的参考依据。 2 0 0 6 年，d e w a r k a r 和p a t i l 提出了种新的双曲形式的p - y 曲线模型l l o 】，该 模型主要适用于软黏土静载试验当中，它认为p - y 曲线的初始刚度随深度的增加 是完全依赖于土的性质。他们使用了种“弯矩区域法”的理论t 9 l 对不受约束的 长桩进行了分析，分析中分别运用了1 9 7 0 年m a t l o k t 习的方法、1 9 9 2 年g e o r g i a d i s 天津大学硕士学位论文第章绪论 的方法和a p i 推荐的双曲p y 曲线法，并且将分析结果同m a t i o k 现场试验的结 果进行了对比。结果表明，使用双曲形式的p y 曲线的分析得到的结果更为理想。 国内对p y 曲线的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代田平、王惠初等在上海黄浦 江大桥试验的基础上，提出适合粘性土的p y 曲线新统一法【1 1 1 。章连洋等在分析镇 江大港试验资料的基础上提出了适合粘性土的p y 曲线确定方法l l 引。张舒羽等人 认为目前国内外规范中的p y 曲线法均需用到土的不排水强度c 。和最大主应力一 半时的应变5 0 而获得这两个参数需要进行费用较高的土工三轴试验因此限制了 p - y l i l i 线法的广泛应用。他们在国内现有原型试验资料基础上，由较容易获得的 一组土工参数推导出粘土的p - y 曲线经验公式【1 3 】。基于国内外的研究成果，我国 海上固定平台入级与建造规范和港口工程桩基础设计规范【1 4 】先后将p y 曲线法列 为分析横向荷载作用下桩性状的方法，为p y 曲线法的应用和发展创造了很好的 条件。 1 3 饱和砂土液化过程中桩基水平承载特性的试验研究 如前所述，地震导致的土层液化造成的危害特别严重，必须客观评价液化土 层中桩基的承载特性。而已有的研究成果一般都是建立在试验的基础上，而桩土 相互作用的试验方法主要有现场实体桩试验和室内模型试验，而室内模型试验则 又分为离心机试验和振动台试验。 首先对于饱和砂土液化后的桩基承载力方面，1 9 9 5 年，l i u 和d o b r y 根据 桩土相互作用的动力离心模型试验得出【”j ，对于相对密度为6 0 的饱和砂土， 在振动荷载作用下土的抗力随孔压比氏的增加呈线性降低，从开始受震到土层 发生液化，土的强度降低了大约9 0 。因此，l i u 和d o b r y 认为在进行液化土 中桩基础设计时，可以将p 的折减系数取为0 1 。利用其折减后的p - y 曲线反分 析土层液化后桩身弯矩m ，发现与实测结果接近。 1 9 9 6 年，b r y n e 和d o u 通过“水力梯度模拟”技术对地震荷载作用下桩与 土之间的相互作用进行了试验研究【l 引。这种独特的方法可以通过高水力梯度来 增加模型中的有效应力以此模拟现场实体桩的应力状态并通过振动台来施加振 动荷载。通过对埋入密砂层中的桩土相互作用试验表明，高频率振动荷载下浅层 土体的p - y 曲线表现出了很强的非线性和滞后性；而低频率振动荷载作用下土体 p - y 曲线表现出了一定的线弹性。并且将模型试验得到的p y 曲线同a p i 规范推 荐的砂土p - y 曲线进行了比较，结果表明除了对于浅层土体之外都是合理的。 1 9 9 8 年和2 0 0 0 年，w i l s o n 在加州大学的戴维斯分校进行了一系列桩土相互 作用的动力离心模型试验【1 9 2 0 l ，并对不同相对密度的饱和砂土通过输入不同的地 天津大学硕士学位论文第一章绪论 震波来模拟实际发生的地震事件。在试验过程中，w i l s o n 观察到：相对于较松散 的砂土而言，密实的砂有较强的抗液化强度，且土层一旦液化，密砂的残余强度 高于松散砂。w i l s o n 采用加权余量法对模型试验的桩土动力p - y 曲线进行了分析， 并与a p i 规范( 1 9 9 3 ) 规定的砂土静力p - y 曲线进行了比较。w i l s o n 建议对于 d r = 5 5 的砂土，p 的折减系数可取为0 2 5 0 3 5 ；对于d r = 3 5 的砂土，折减系数 大约为0 1 - 0 2 。 2 0 0 4 年，王建华、冯士伦利用大、中、小型振动台试验对桩与液化砂土层 的动力相互作用进行研究 2 1 - 2 2 ，分析了不同相对密度的桩土动力p - y 曲线，并 通过选择适当的衰减系数评价土层液化后桩的水平承载力。结果表明：土层的初 始相对密度是影响其液化后残余强度的一个主要因素。当砂土的相对密度 d 。4 0 时，折减系数p 取0 1 ；d ，5 0 ，时，折减系数p 取0 2 5 ；若d r = 4 0 5 0 之间，折减系数p 可在o 1 0 2 5 之间进行线性内差。 2 0 0 6 年，为了对南加州查尔斯顿港r a n e v e l 大桥的设计提供帮助，r o l l i n s 2 3 】 等人使用2 5 9 m 直径灌入桩对爆炸前的土层和爆炸后的导致液化的土层进行了 水平荷载试验。由于爆炸导致的累积残余孔压比达到7 5 1 0 0 的土层深度达到 了1 3 m ，爆炸后荷载位移曲线的刚度降低了大约1 5 ，而且由于水平抗力的降低 导致爆炸后最大弯矩与之前相比增大了1 0 0 。反分析p - y 曲线的形式与1 9 9 9 年 t i l t 工程( t r e a s u r ei s l a n dl i q u e f a c t i o nt e s t ) 中的p - y 曲线相似 2 5 - 2 6 1 ，土抗力随着 位移和深度的增加而增大。结果表明，现场实体桩的爆炸液化试验可以为桥梁工 程的桩基设计提供依据。 而对于饱和砂土液化过程中不同弱化状态下桩基水平承载承载力的研究方 面，2 0 0 4 年，王建华和冯世伦通过桩土相互作用振动台模型试划2 4 1 ，通过对静 力p - y 曲线参数的折减来获取弱化p y 曲线的的方法【27 1 ，进而分析地震荷载作用 下饱和砂土中桩的水平承载能力，并探讨了p - y 曲线参数的衰减与土层累积孔压 比之间的相互关系。结果表明，当残余孔压比凡0 2 时，折减系数取l ；当残 余孔压比r u 0 8 时，折减系数取0 2 5 ；当残余孔压比凡介于0 2 和o 8 之间时， 折减系数随残余孔压r u 的增大而线性减小。 2 0 0 7 年，王建华，戚春香1 27 j 等基于有效应力原理，采用在饱和土层中施加反 压的方法使饱和砂土层中维持某一特定的孔压比，以此模拟震动荷载作用下饱和 砂土中由于残余孔压的产生而导致土强度降低的弱化状态，然后利用模型试验研 究不同弱化状态下饱和砂土与桩相互作用的p y 关系。提出了确定饱和弱化、液 化砂土p y 曲线的基本方法。 通过以上分析可知，对于饱和砂土无残余孔压时的桩土相互作用p y 关系的 理论已经较为成熟：对于振动液化状态下饱和砂土与桩相互作用也有一些定量研 天津大学硕士学位论文第一章绪论 究；对于饱和砂土层液化过程中不同弱化状态下的桩土之间的p y 关系，利用在 饱和土层中施加反压的方法也进行了定量的研究。但是对于振动荷载作用后具有 不同弱化状态的饱和砂土与桩的相互作用还缺乏定量研究。特别是通过施加反压 导致的弱化土层与振动荷载作用导致的弱化土层与水平受荷桩相互作用特性之 间是否存在差异还需要进一步论证。因此本文将围绕这些问题开展相关研究。 1 4 本文工作 由于土层液化过程中桩土相互作用的复杂性，依据以上分析，本文拟通过振 动荷载作用后的饱和弱化土层与水平受荷桩相互作用的模型试验并结合数值计 算，研究振动荷载作用后饱和弱化、液化砂土与桩相互作用的特性，探讨振动荷 载作用后弱化、液化土层p y 陆线的变化规律，建立确定振动荷载作用后饱和弱 化、液化土层p - y 曲线的方法。同时与在饱和土层中施加反压的模型试验结果做 对比分析，阐明施加反压的桩与饱和弱化土层相互作用的模型试验方法是否可以 反映振动荷载作用后饱和弱化砂土与水平受荷桩的相互作用特性。具体研究内容 如下： ( 1 ) 利用振动台模型试验，通过振动荷载的作用使饱和砂土中产生某一特定 累积孔压，在不加反压维持土层中的残余孔压前提下，进行不同弱化状态的饱和 砂土与水平受荷桩相互作用试验，分析桩基水平承载特性随土层中残余孔压比的 变化规律。 ( 2 ) 依据非线性文克尔地基梁模型，对文献 2 7 】中进行的施加反压导致的饱 和弱化土层与水平受荷桩相互作用的模型试验结果进行反分析，确立土层水平极 限抗力p 。和土反力模量系数k 随土层中残余孔压比的变化关系。 ( 3 ) 从桩顶荷载位移曲线，桩身弯矩和p - y 关系三方面对振动导致的土层弱 化和施加反压导致的土层弱化的桩土相互作用模型试验结果进行对比分析，阐明 是否可以利用在饱和土层中施加反压的方法来模拟振动荷载作用后不同弱化状 态饱和砂土与水平受荷桩的相互作用特性。进一步，依据本文进行的模型试验结 果，分析振后不同饱和弱化土层的水平极限抗力p 。和土反力模量系数k ，并与( 2 ) 中建立的关系进行对比分析，最终阐明确定振动荷载作用后饱和弱化土层p - y 关 系的方法。 ( 4 ) 为了更加客观地依据桩与饱和弱化土层相互作用模型试验测定的桩身弯 矩确定p - y 关系，还将对依据桩身弯矩确定p - y 关系的若干方法进行讨论与分析， 找出各种不同方法的适用条件。 无津大学硕士学位论文第二章振后霸化饱和砂_ 十与桩相互作用模型试验 第二章振后饱和弱化砂土与桩相互作用模型试验 振动荷载作用下，由于饱和砂土层中累积孔隙水压力的上升而导致其抗剪强 度降低的现象称为土的弱化。本文将通过振动台模型试验，研究受振动荷载作用 后的饱和弱化砂土中的桩在水平荷载作用下土层中侧向抗力与位移之间的变化 规律，以下介绍与模型试验有关的一些情况。 2 1 模型试验概况 圈2 1 振动台侧视图图2 - 2 箱盖 本模型试验采用机电式单向激振振动台激振装置由一三相交流异步电动 机、变频控制嚣、皮带传动减速装置和制动器组成。传动减速装置驱动偏心轮带 动振动台向水，r 方向发生运动振幅由偏心轮的偏心距决定，振动频率则由偏心 轮回转的速度决定。电动机的转速v 。为1 4 3 0 r r a i n ，工作频率，为5 0 l - l z ，传动 比d 为9 ，皮带轮的变速比为12 7 ，通过变频控制器调节电机的转速来控制振动 台的振动频率，设电机输入频率为， ，振动台的振动频率 可以依据式( 2 - i ) 确 定。当电机输入工作频率= 5 0 h z 时可以算得振动台的最大振动频率为34 h z 。 天津大学硕士学位论文 第二章振后弱化饱和砂土与桩相互作用模型试验 止：霉坚厶 6 0 ，d ( 2 一i ) 制动器是一种由交流电磁铁操纵的，常闭式抱闸制动器：采用回转型开启式 单向交流电磁铁作为传动转置。 振动台主要技术指标：台面尺寸为：2 0 0 r a m 1 0 0 r a m ：振动频率：i h z 一34 h z ： 振幅：0 5 c m 3 c m ：最大载重： 0 0 0 k g 。 图2 - 3 振动台正视图 图2 _ 4 密封膜及桩头质量块 桩与饱和砂土相互作用的振动台模型试验在一钢箱内进行其为一密闭容 器，分为箱体和箱盖两部分。箱体尺寸为08 m 0 6 m x o4 m ，箱盏尺寸为0i m o6 m o4 m 。箱盖项部留有一进气孔，借此给饱和土层施加上覆压力。为防止 箱体发生过大的变形，在箱体， 壁水平方向加有四圈加筋槽钢。沿箱盖宽度方向 的侧壁中心位置处安装一加载气缸，用以给桩顶施加水平荷载，汽缸活塞杆两个 端部分别安装一力传感器和一位移百分表用来控制给桩顶施加的水平荷载和实 测桩顶产生的水平位移。沿箱体长度方向侧壁靠近底部的位置设置了两个进、排 水孔，以此对试验砂土进行饱和并且实现试验过程中的进出水控制。在箱体底部 中心设置一直径2 c m 的出线孔，孔周围焊接5 c m 高的钢管底座，用来固定模型 桩，沿箱体长度方向侧壁距箱底0 1 7 m 和04 7 m 处分别安装了2 个y z d 型孔压 传感器，j j j 于监控试验土层中的孔隙水压力的变化。箱体和箱盖之间用法兰相联， 在箱体内土层上表面和箱盖之问安置了一个柔性乳胶膜。采用这样的装置，是 为了在箱盖与密封膜之间形成卟密闭压力室，且通过箱盖顶部的进气孔，给饱 天津大学硕士学位论文第二章振后弱化饱和砂土与桩相互作用模型试验 和土层施加上覆压力。试验设备见图2 1 至图2 - 4 。 通过箱盖侧壁安装的双出杆气缸给桩顶施加水平荷载，沿模型箱的长度方向 施加水平荷载，为了便于荷载的施加，在模型桩顶部安装半圆柱形钢性承载质 量块。模型箱内汽缸活塞杆端部安装力传感器，其导线通过箱壁安装的密封件 与一静态应变仪相连接，采用全桥连接的方式；试验时，通过监测应变仪的读数 来控制桩顶施加水平荷载的大小，同时通过汽缸另一活塞杆端部安装的位移百分 表来测量水平荷载作用下桩顶产生的水平位移；在箱内还安装了量程为5 0 c m 的 位移百分表，用以测量土层表面位置处产生的位移，该百分表通过一支座固定在 箱盖项部位置，以保证在箱体振动过程中百分表的位置不会变动。 在振动台台面与模型桩顶部上分别布置了加速度传感器以测量相应的加速 度响应。准备试验时，在箱盖密封前先安装好钢性承载质量块，然后将加速度传 感器固定在桩头一侧，并注意保证加速度传感器主轴方向与振动台振动方向一 致，以利于准确观测整个试验过程中桩顶的振动反应时程。台面的加速度传感器 在开始试验前安装在振动台台面一侧，也注意保证加速度传感器主轴方向与振动 台振动方向一致；采用两个y z d 型孔压传感器测量饱和土层中的孔隙水压力变 化。孔压传感器与箱体之间的连接是通过箱侧壁的有机玻璃接头实现的。这种处 理方式带来的误差要比把孔压传感器直接埋在砂土中所产生的误差要小，并且更 容易操作。沿模型桩桩长布置1 2 对应变片，以此记录振动过程中模型桩的桩身 弯矩响应。 用于隔离箱体和箱盖的柔性密封装置为一与土层表面积相同的槽形乳胶膜， 其壁厚约为0 5 m m 。槽形乳胶膜的边沿厚度远远大于其内壁厚度，约为2 m m ， 以便于箱体和箱盖之间的法兰密封。此外，在乳胶膜中间预留了一个小于桩径的 凸起洞口，便于桩通过乳胶膜时的密封。 2 2 试验砂土基本物性指标及饱和砂土制备 模型试验土层为粉砂质细砂，表2 1 给出试验砂土的基本物性指标，颗粒分 析结果如表2 2 ，砂土的颗粒级配曲线如图2 ，5 。 表2 1 试验砂土的基本物性指标 比重孔隙比干密度 ，) ； 最大最小最大最小 。 1 1 2 50 6 9 2 21 5 6 61 2 4 7 天津大学硕士学位论文第二章振后弱化饱和砂土与桩相互作用模型试验 表2 2 试验砂土颗粒分析结果 村径( m m ) 210 50 2 50 10 0 7 5 小于某粒径的- 十颗粒占总土重的百分数( ) 1 0 09 9 6 29 9 6 09 9 1 66 7 4 92 8 3 8 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o 、 、 i l 1 o 1o 0l g r a i ns i z e ( m m ) 图2 5 颗粒级配曲线 模型试验土层厚7 5 c m ，分三层制备，每层控制高度为2 5 c m 。为制各试验所 需的砂土，需要控制以下三个条件：( 1 ) 砂土的相对密度。首先依据试验砂土的 最大干密度、最小干密度和初始相对密度计算试验砂土的实际干密度；再根据砂 土所占的体积和初始含水量，计算相应的进砂的总重量。( 2 ) 砂土的均匀性。对 饱和前的试验砂土均匀击实，保证每层的平均高度为2 5 c m 从箱底两个进水孔 缓慢进水饱和，控制进水速率从而保证饱和砂土的均匀性。( 3 ) 土层的饱和度。 首先当土层完全饱和后孔隙完全被水充满，此时孔压系数b 为l ，从而“。：a 圹，； 其次根据孔压传感器距土面的高度h ，确定当土层完全饱和后孔压传感器位置处 的孔隙水压力的大小应为a o - ，= y 。 ；最后在饱和过程中通过量测两个孔压传感 器读数的增量，待其达到相应的计算值时从而认为土层已经基本达到饱和。 采用以下方法制备模型试验土层： ( 1 ) 制备模型试验土层前，先将标有土层厚度线的土工布悬挂在箱体四壁内 侧，沿箱体侧壁一端放置一块厚为3 c m 的海绵，放置前将海绵内充满水，保证 海绵内的气体全部排出，然后将模型桩固定在模型试验箱中央，记录两个孔压传 感器的初读数，根据预定的相对密度称量每层所需的干砂，倒入模型箱，使之均 匀的填满预定高度。 ( 2 ) 采用分层水头饱和方法对制备的土层进行饱和。即装完每一层土之后， ，上一苓一如it一沈沈昂盆_itouto岛 天津大学硕士学位论文第二章振后弱化饱和砂土与桩相互作用模犁试验 从试验箱底部进水孔缓慢进水。用于饱和土层的水头要保持高出模型箱内土面 1 0 c m 左右，为保证土层饱和的均匀性，要控制土层的进水速率，每层砂土完全 饱和般需要2 3 小时，每层饱和后记录相应的土层饱和进水量，每次试验砂土 的饱和总进水量大约为8 5 蚝。 ( 3 ) 土层饱和完成后，吸去砂土表面多余的浮水。在其上面平铺用于将土层 密封的乳胶膜，然后安装模型试验箱盖并将乳胶膜密封，这样在密封膜与箱盖之 间形成给土层施加上覆压力的压力室。 2 3 模型桩 模型桩为圆形不锈钢管，通过材料拉伸实验测定了其基本力学性能指标。选 取拉伸试件原始标距为5 0 m m ，拉伸试件的外径1 4 m m 、内径1 2 m m 、壁厚为l m m ； 经实验测定的模型桩的力学指标如表2 3 所示。 表2 - 3 模型桩力学性能指标 最大力 拉伸强度屈服力屈服强度非比例延伸强断后伸试件面积 ( i ( n ) ( m p a ) ( 1 ( n )( m p a ) 度( m p a )长率 ( m 2 ) 3 2 4 5 07 9 4 5 52 4 3 25 9 5 4 93 8 2 2 2 20 5 9 44 0 8 4 0 7 e 0 5 由拉伸试验结果绘制应力应变曲线如下图2 - 6 ，根据曲线的直线段的斜率可 以得到模型桩的弹性模量约为2 2 5 g p a 。 图2 - 6 模型桩的应力应变曲线 天津大学硕士学位论文第二章振后弱化饱和砂士与桩相互作用模犁试验 根据文献 2 8 1 d l a 采用有限元法和边界元法对土结构动力相互作用振动台模型 试验中地基土模型侧向人工边界的影响的分析表明，当土体侧向边界取值l 与桩 基础平面宽度d 的比值l d 6 时，侧向边界对桩基影响已明显减弱。在本文的 模型试验中沿桩受力方向土体的侧向边界距模型桩l 约0 3 m ，其与桩径d 的比 值l d 约为1 5 。因此可以忽略土体侧向边界对模型试验的影响。模型桩的几何 尺寸及基本力学参数如表2 - 4 。 表2 4 模型桩的几何尺寸及基本力学参数 材质 i 桩长 i 外径 l 壁厚 i惯性矩( m 4 )l弹陀模量( p a ) 不锈钢l 0 7 9 m 10 0 1 9 5 mj0 0 0 1 5 ml3 4 5 9 2 1 0 一i2 2 5 1 0 9 在桩的水平承载特性模型试验中，直接测量的是桩身应变。为提高测量精度 并进行测量时的温度补偿，在桩的直径受力方向对称贴一对应变片。为便于对试 验数据的处理，沿桩的长度方向共粘贴1 2 对应变片，两对应变片之间间距6c m 。 第一对应变片距桩顶7 c m 。为了确保试验数据的精度，模型桩的制作尤为重要， 其制作过程如下： 1 因为桩径较细，桩身测点较多( 1 2 个) ，为避免导线过粗影响到模型桩的 基本力学参数，所以采用桩内走线的方式，在与振动位置相垂直的各点附近钻孔， 孔径大小为2 m m 。同一平面的四个导线从钢管同一内孔内穿出；为减小出线孔 对模型桩造成截面刚度的影响，其位置要与贴片位置错开2 e r a 。 2 沿桩长方向确定两条轴线，保证轴线位于同一对称平面内。从桩底开始 每隔6 c m 做“十”字标记，中心处作为应变片的黏贴位置。 3 同时为了减小对称应变片阻值误差，同一对应变片采用同样的引线长度； 选用电阻值为1 2 0q 的电阻应变片，一对应变片阻值相对误差不能超过o 1q ， 从而保证试验的精度和动态采集仪的电阻平衡调节。 4 粘贴应变片前，首先用较粗的砂纸将贴片的部位打毛，砂纸的磨痕应与 应变片轴线成4 5 0 ，且呈交叉状，然后重新明确贴片位置处的“十”字标记，用 泡过丙酮的棉球来清洗模型桩表面残留的磨屑。 5 粘贴应变片。具体贴片如下：首先利用透明胶带纸从应变片的背面粘住， 然后慢慢把应变片固定在模型桩的相应位置，确保应变片的十字坐标与模型桩 致，如果第一次未对准，还可提起胶带纸重新对准。对准之后，将胶带纸靠近应 变片引线的一端随同应变片一块揭起，在应变片上涂上4 0 6 快干胶后，用手指慢 慢滚压胶带纸，使它连同应变片一起按原先对准的位置粘贴到模型桩上，并挤出 多余胶液和气泡后，用力加压。筹到快干胶基本固化之后( 一般为l o 分钟) ，将 天津大学硕士学位论文第二章振后弱化饱和砂七与桩相互作用模型试验 胶带纸揭下，完成贴片。 6 紧贴应变片的前沿粘贴绝缘胶布，然后绝缘胶布另一端粘贴端子，最后 将屏蔽线与应变片焊接。 7 贴片完成后检查应变片的绝缘性和导电性，看是否在贴片过程中对应变 片造成损害，或有无短路或断路，并检查同一对应交片阻值，保证阻值差小于 0 1q 。另外，还要用万用表检查应变片的引线与模型桩之间的绝缘电阻是否大 于2 0 0 m 。 8 密封应变片，进行防水绝缘。由于试验要求模型桩在水中连续浸泡的时 间较长，因此要进行防水绝缘处理。为使防水胶与钢管桩牢固粘结，首先用砂纸 进行全桩打磨，去除模型桩表面的氧化膜，用丙酮泡过的棉球清洗磨屑。然后在 应变片的表面连续涂覆一层硅橡胶。待其完全固化后，再沿桩身均匀涂抹一层玻 璃胶，最后橡胶模套在模型桩上，橡胶模与模型桩的接触端用硅橡胶进行密封处 理，这样就很好的保证了整个模型桩的防水绝缘效果。 9 模型桩标定。首先依据材料拉伸实验，测定了不锈钢材料的弹性模量和 比例极限；然后为了检验贴片质量，在试验前先对模型桩进行标定，将模型桩一 端固定，应变片位置保证水平，且加载方向与应变片位置一致，然后确定加载点 位置，在加载点分级悬挂砝码，通过应变仪采集在每级荷载作用下的应变值。根 据模型桩已知的几何尺寸及力学参数计算实测弯矩值，同时根据加载点位置和加 载的大小计算每级荷载下不同应变片位置处的弯矩理论值，实测弯矩与理论弯矩 的误差不大于5 。 1 0 应变片的测量导线通过钢管桩内由箱体底部中心孔引出后与y e 6 2 6 5 型 应变测试仪相接。模型桩顶部端口焊接密封，模型桩底端与试验箱底部中心的钢 管底座通过尼龙管密封联接，桩底部边界条件可视为铰支。此外，模型桩安装时， 要注意桩两侧应变片的位置应与桩身受力方向一致，确保桩身变形的测量精度。 2 4 试验方案与步骤 为了研究饱和砂土振后不同弱化状态下的承载力，需要分析桩的承载力随土 层弱化状态的变化规律，为此安排了土层累积孔压比为0 0 、0 3 5 、0 5 和1 0 的 四组振动台模型试验：为了比较振动导致土层弱化与施加反压导致土层弱化的模 型试验结果之间有何差异，又安排了相应孔压比为0 3 5 、o 5 和1 0 的三组施加 反压导致的弱化土层与水平受荷桩相互作用的模型试验，具体方案如表2 5 所示， 其中s t a t i c 表示施加反压的模型试验；s h a k e 表示振动台模型试验。 模型试验结束后需要对固结后的土层进行相对密度测量。首先量测试验后土 天津大学硕! 学位论文第二章振后弱化饱和砂土与桩相互作用模型试验 层的平均下沉量，由下沉量确定固结后土体的体积，再根据所加干砂量计算固结 后土层的实际干密度；最后根据砂土的最大干密度、最小干密度计算估计后土层 的相对密度。然后沿固结后土层不同深度、不同位置处取土，确定固结后土层的 浮容重和含水量，然后计算固结后土层的相对密度。表2 5 中给出了由试验后求 出的固结土层的相对密度，在初始2 0 的相对密度，1 0 k p a 的上覆压力下，饱和 土层固结后相对密度约为4 0 ，饱和土层平均浮容重为9 k n m 3 。 表2 5 模型试验方案 孔压比土层初始相上覆压力固结后相对浮容重 编号 ( 凡)对密度( ) ( k p a ) 密度( ) ( k n m 3 ) lo 2 01 04 0 9 2o 3 5 s t a t i c2 0l o4 0 9 3 0 3 5 s h a k e2 0l o4