（岩土工程专业论文）横向受力桩与弱化饱和细砂相互作用的试验研究.pdf

中文摘要 在地震荷载作用下，土层中累积孔隙水压力会不断增加，导致土层处于弱化 状态，尽管此时土层没有达到液化标准，但会对桩基平台产生危害，甚至影响它 的正常使用，在工程的设计中，必须考虑土层弱化对基础稳定性产生的影响。合 理的评价可液化土层中桩基的水平承载力，具有较大的工程应用价值。因此，对 上述问题进行研究是十分有意义和必要的。 首先，按照文献 2 中所述的采用在饱和土层中施加反压的方法使饱和砂土 层中维持一特定的孔压比，以此来模拟震动作用下饱和砂土中由于残余孔压的产 生而导致的弱化状态的模型试验方法，采用文献【2 中的试验装置，利用细砂做 不同弱化状态的桩土相互作用模型试验。通过模型试验得出弱化状态下饱和砂土 中桩土相互作用的p o y 曲线，研究土层水平极限抗力以及桩侧水平极限位移、土 模量系数等特征参数随饱和砂土中残余孔压变化时的规律，并和文献 2 中采用 粉砂质细砂所做模型试验的结果进行对比分析，探讨了砂土性质对这些特性参数 的影响。 其次，采用本模型试验所用的细砂，制作与模型试验具有相同密度的重塑土 样，通过三轴压缩试验测定了不同弱化状态砂土的强度参数。文献 2 中曾参照 r e s s e 建议的破坏模式，研究了在考虑土层表面作用有上覆压力时情况下，依据 土强度参数确定砂土水平极限抗力的方法。按照此方法以及实测的砂土强度参数 确定了不同弱化状态饱和砂土水平极限抗力的理论值，并与模型试验实测值进行 比较，研究理论水平极限抗力和实测水平极限抗力之间的关系。 最后通过小振动台设备，采用细砂分别做特定孔压比的振动和静力试验，通 过两种试验结果的对比分析，来确定前面模型试验中采用在饱和土层中施加反压 的方法使饱和砂土层中维持一特定的孔压比来模拟震动作用下饱和砂土中由于 残余孔压的产生而导致的弱化状态这种方法的可行性。 关键词：弱化土层；p - y 曲线；桩土相互作用；水平极限抗力；水平极限位移 a b s t r a c t u n d e rs e i s m i cl o a d s i n t e g r a lp o r ew a t e rp r e s s u r ei ns t r a t u mw i l li n c r e a s e c o n t i n u a l l y , a n da sar e s u l t t h es t r a t u mb e c o m ed e g r a d e ds a t u r a t e d t h o u g ht h e s t r a t u mh a s n tc o m et ol i q u e f i e ds t a n d a r d ，i tw i l lp r o d u c eh a z a r dt op i l ef o u n d a t i o n ， a n de v e na f f e c tt h er e g u l a rs e r v i c e i ne n g i n e e r i n gd e s i g n ，i t sn e c e s s a r yt oc o n s i d e r a t e t h ei m p a c to fd e g r a d e ds t r a t u mo nf o u n d a t i o ns t a b i l i t y i th a se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v a l u et oe v a l u a t el a t e r a lb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e si nl i q u e f i e ds t a n d a r d t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho nt h ec o n t e n t sm e n t i o n e da b o v ei sv e r yu t i l i t ya n dn e c e s s a r y f i r s t l y , i na c c o r d a n c ew i t ht h em e t h o do fr e f e r e n c et w ot h a tt h er e s i d u a lp o r e w a t e rp r e s s u r ew a sm a i n t a i n 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 d s t r a t u m am o d e lt e s tm e t h o dw 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 ds a n d sw i mt h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ef r o ms e i s m i cl o a d s m o d e lt e s t so f t h es o i l p i l ei n t e r a c t i o nc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n td e g r a d a t i o ns t a t es t r a t aw e r e c o n d u c t e du s i n gf i n es a n da n dt e s td e v i c e sc o n c e m e di nr e f e r e n c et w o t h er u l e so f p a r a m e t e r so fu l t i m a t e1 a t e r a lr e s i s t a n c e s 1 a t e r a lr e s i s t a n c ea n dm o d u l u sc o e 伍c i e n t m a tc h a n g e dw i t ht h er e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r ei ns a t u r a t e ds a n dw a sa n a l y z e d t h r o u g ht h es o i la n dp i l ep - yc u r v e so fd e g r a d e ds a t u r a t e ds t r a t a g e t t i n gf r o mm o d e l t e s t s a n dc o n t r a s t i v ea n a l y s i s i n gw i t ht h em o d e lt e s t sr e s u l t su s i n gi n o r g a n i cs i l t - f m e s a n dc o n c e r n e di nr e f e r e n c et w o ，d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c et h a ts a n dn a t u r et ot h e s e p a r a m e t e r s s e c o n d l y , m a k i n gr e m o u l d e ds a m p l ei nt h es a m er e l a t i v ed e n s i t yu s i n gt h es a m e f i n es a n di nt h e s em o d e lt e s t s t r i a x i a lt e s t sw e r ed o n et od e t e r m i n et h ei n t e n s i v e p a r a m e t e r si nd i f f e r e n td e g r a d e ds a t u r a t e ds t a t u s r e s e a r c h i n gt h em e t h o dt o d e t e r m i n et h eu l t i m a t el a t e r a lr e s i s t a n c e sb a s e do nt h es a n di n t e n s i v ep a r a m e t e r so n t h ec o n s i d e r a t i o nt h a tt h e r eh a v eo v e r l y i n gp r e s s u r eo nt h es u r f a c eo ft h es a n d r e f e r e n c i n gt ot h ef a i l u r em o d es u g g e s t e db yr e e s ei nr e f e r e n c et w o d e t e r m i n i n gt h e t h e o r e t i c a lv a l u eo fu l t i m a t el a t e r a lr e s i s t a n c e si nd i f f e r e n td e g r a d a t i o ns t a t eo ft h e s a t u r a t e ds a n ds t r a t u mi na c c o r d a n c ew i t ht h i sm e t h o da n d 也es a n di n t e n s i v e p a r a m e t e r s t h e nh a v i n gac o m p a r i s o nw i t ht h ea c t u a lm e a s u r e si nt h em o d e lt e s t sa n d r e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i po fu l t i m a t el a t e r a lr e s i s t a n c e sb e t w e e na c t u a lv a l u ea n d t h e o r e t i c a lv a l u e f i n a l l y , u s i n gf i n es a n d ，i nt h ec o n d i t i o n so fs p e c i f i cr e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r e ， t h ed y n a m i ca n ds t a t i cm o d e lt e s t sw e r ed o n eo ns m a l ls h a k i n gt a b l ea n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o n t r a s t e dt ov e r i f yt h a tt h em o d e lt e s t w h i c hc a ns i m u l a t e t h es a t u r a t e ds a n d sb e c o m ed e g r a d e dw i t ht h er e s i d u a lp o r ew a t e rp r e s s u r ef r o m s e i s m i cl o a d sb y a p p l y i n gt h e b 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 mt o m a i n t e n a n c es p e c l t i cr e s i d u a jp o r ew a t e rp r e s s u r e ，w a sa p p r o p r i a t e k e yw o r d s ：d e g r a d e ds a t u r a t e ds t r a t u m ，p - yc u r v e s ，s o i l p i l ei n t e r a c t i o n , u l t i m a t el a t e r a lr e s i s t a n c e s ，u l t i m a t el a t e r a ld i s p l a c e m e n t s 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取得的 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，也不包含为获得苤盗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。 签名喝魂吖一期：矽曙年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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：书砂叶 签季日期：秒g 年易月彳日 导师签名： 签字日期：日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 弱化饱和砂土中水平承载力研究的背景和意义 随着我国港口及近海工程建设事业的蓬勃发展，桩基作为基础工程的重要形 式之一，在海洋平台、港口码头、桥梁等工程中得到广泛应用。港口及海洋工程 结构，尤其是海洋桩基平台设置在无掩蔽的海域，承受着暴风、巨浪、海冰、地 震等恶劣海洋环境的侵袭，这就要求桩基本身在施工及使用过程中具有足够的强 度和稳定性。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。在国内外由于地震引起土层液化造成 的工程事故已经发生过多起。 而且在地震荷载作用下，土层中累积孔隙水压力会不断增加，尽管此时土层 没有达到液化标准，而是处于弱化状态，但其承载能力也会减小，而且受震动后 的残余孔隙水压力越大，减小的也就越明显，这样也会对桩基平台产生危害，甚 至影响它的正常使用，所以在基础工程的设计中，也有必要考虑土层弱化对基础 稳定性产生的影响。在目前的桩基础设计中，只把可液化土层分为两种状态，即 液化与非液化。对于发生液化的土层，设计时认为其水平承载力为零，这种方法 偏于保守，实际上液化后的土层仍然有一定的残余强度；而对于没有达到液化标 准的土层，则不考虑其残余孔隙水压力导致的土层承载力降低，而这样考虑与实 际情况是不符的，可能会给工程的稳定性和安全性带来很大的危害。因此，如何 评价弱化状态下的桩的水平承载力的变化是一个值得探讨的问题。目前国内外在 这方面做的研究较少，而且已做的工作也没有考虑得出的结论是否对不同性质的 砂土都适用，所以研究弱化状态下的桩的水平承载力是有很大的工程利用价值 的。 1 2 弱化饱和砂土中桩基水平承载力的研究现状 如前所述，弱化状态下的桩的水平承载力研究有很大的理论和工程应用价 值。国内外一些学者也对此做了一些相应的研究工作，得到了一些规律性的东西， 提出了几种弱化饱和砂土中桩基水平承载力的评价方法。( 1 ) 利用确定软粘土p - y 曲线的方法构造砂土层的p 吵曲线。1 9 9 8 年，w a n g 和r e e s e 编制了l p i l e 计 第一章绪论 算程序【l 】，在此程序中，建议p 和y 的关系依据液化后土的残余强度、采用m a t l o c k 和r e e s e 提出的确定软粘土p - y 曲线的方法构造液化后砂土的衰化p - y 曲线【3 4 1 。 w a n g 和r e e s e 提出液化土不排水残余强度s 可以通过与不同相对密度研的标 准贯入试验s p t 的锤击数叫1 ) 6 0 的关系得到【5 j 。此方法缺点是数据点比较离散， 对应唯一的m 1 ) 6 0 很难选择一个准确的s 值。因此，此方法还不能被准确应用。 ( 2 ) 无强度法。这种方法假定在基础运动或产生挠度时，液化土层不存在任何抗 力，这是一种最保守的方法，也是最不经济的。( 3 ) 折减系数法。砂土发生振动 液化，主要是由于松散饱和砂土变密，且不能够立即排水，土中孔压上升，有效 应力减小，导致土的强度骤然下降。因此，许多学者认为可以通过对土的抗力p 进行折减的方法来描述液化砂土中桩基的p - y 曲线，并对此方法进行了大量研究。 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【6 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俾u ) 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o 1 。利用 其折减后的p i ) ，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 9 年和2 0 0 4 年，t o k i m a t s u 对不同类型的足尺桩也进行了液化土层的桩基水平承载 力试验研究 7 。8 】，利用反分析的方法对土层液化后的水平抗力折减系数进行了讨 论。t o k i m a t s u 认为，当土反力的折减系数取0 0 5 0 2 时，由液化土层的p - y 曲 线反分析得到的桩身变形与试验结果接近。 1 3 桩基水平承载力计算方法及试验研究 桩基水平承载力的计算方法较多，主要采用三种计算方法，即m 法、p - y 曲 线法和n l 法。 在砂土中进行的桩基水平承载力试验分为现场试验和室内模型试验。由于现 场动力试验采用了原状土，和工程实际参数一样的桩以及与实际工况一致的桩 土应力条件，测试结果可以真实反应桩土的相互作用机理。目前被规范采用的研 究成果，绝大多数是通过结构的现场试验得到的。 1 3 1 桩基水平承载力计算方法 桩的水平承载力及桩侧土的位移受桩的材料特性、约束情况以及土层性质的 变化等因素影响较大，常用的计算方法有三种，即m 法、p - y 曲线法和n l 法。 1 、m 法 m 法是一种线弹性地基反力法，即桩土之间作用力和桩变位成正比，水平地 2 第一章绪论 基抗力系数随深度线性增加。大量试验证明，在小位移情况下也会有很大的非线 性，位移越小，m 值变化越大。对m 法来说，m 的取值对最终结果有很大影响， 直接关系到结果的正确与否。 2 、n l 法 该方法是通过大量现场试验测得桩身实际抗力，并采用数量统计的方法得到 的。它体现了桩土相互作用的非线性，既可以计算水平位移较小的情况，也可以 计算水平位移较大的情况。计算需要的土性指标易获得，且离散性较小。 3 、p - y 曲线法 p - y 曲线法属于复合地基反力法的一种，该方法考虑了桩土之间的非线性作 用，使用不受水平位移大小的限制，既可以用于短期静载荷的计算，也可以用于 长期往复载荷的计算。非常适用于港口和海洋工程的计算，适用范围较其它方法 要广。 1 3 2 桩基水平承载力的试验研究 最早p - y 曲线法的开端是m c c l e l l a n d f o c h t 9 j 根据在墨西哥海湾的堆积粘土 地基中作的实体桩( 3 0 f t x l 0 0 f t ) 水平荷载试验提出来的。通过所得的反力挠度 曲线( p - y 曲线) 并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 了关于桩的横向承载力非线性问题的分析方法。随后，1 9 7 0 年，m a t l o c k 3 j 对打 入水下饱和软粘土中直径为0 3 2 5 m 、长度为1 2 8 m 的钢管桩进行了水平荷载试 验分析，得到了软粘土的p - y 关系。1 9 7 4 年r e e s e 4 等根据砂土中桩土相互作用 的现场试验，结合理论分析，提出了依据砂土的土性参数和桩的外形尺寸确定水 平静力荷载作用下桩一土p - y 曲线的方法，也是a p i 规范建议的确定砂土p - y 曲线 方法的基础。 1 9 8 9 年，韩英才等利用砂土中钢管桩的水平激振试验研究了水平动荷载作 用下单桩的p - y 曲线【1 0 1 ，讨论了振动荷载作用下桩土相互作用的影响因素，得出 循环荷载作用下桩的p y 曲线与振动频率、阻尼和桩土界面的分离间隙有关。1 9 9 9 年，w e a v e r 通过两根足尺桩( 一个直径0 6 m ，另一个直径0 9 m ) 的现场试验结果 分析了不同平均累积孔压比凡下的桩土动力p - y 曲线【l 川。a s h o u r ，r o l l i n s ，g e r b e r 也利用上述方法对不同形式和不同直径的单桩及3 x 3 群桩进行了地震模拟现场 试验 1 2 - 1 3 】，结果表明：现场爆炸测试时，大于等于o 8 的累积孔压比可以维持4 6 m i n ；稳定后动力p - y 曲线的形状随位移的增加凹形上升，随着孔隙水压力的消 散，土的侧向抗力增加，p 吵曲线由凹形逐渐转为平缓下降。与其他方法确定的 土层液化后的p - y 曲线比较可以看出，采用p 折减系数0 3 以及软粘土构造p 吵 曲线的方法确定的液化砂土的p - y 曲线与其试验结果较接近，但形式完全不同， 第一章绪论 在小位移时，由p 折减系数法以及软粘土p i ) ，曲线法确定的液化砂土p - y 曲线会 高估土的侧向抗力，而在大位移情况下又会低估土的侧向抗力。 还有许多学者选择室内试验。室内试验一般分为离心机动力模型试验和振动 台模型试验。离心模型试验经常被用来研究桩土相互作用。试验主要是根据相似 原理，通过增加重力，减小模型尺寸使其测试结果与原型的情况具有可比性。离 心模型试验具有费用低，可以很快的调整参数以及重复试验。但它也有固有的缺 点。根据相似理论，土体的颗粒大小也应该成比例，但是，在相同密度下，良好 级配的粗粒土比相对较粗糙的土强度高。为了保持强度的一致，在离心模型试验 中采用与原型相同粒径和密度的土，这样就违背了相似准则。离心模型试验有很 多研究，如l i u 和d o b r y 在1 9 9 5 年将1 ：4 0 ，长度1 6 8 m m 的单桩模型试验放置在 级配良好，粒径约为0 1 5 m m ，相对密实度d r 性= 6 0 的砂土中进行动力离心试 验j 。根据试验分析结果，他们提出将静力p - y 曲线中的p 折减0 9 倍后作为反 映液化土层中桩土相互作用的p - y 曲线。 19 9 8 年w i l s o n 在美国加州大学戴维斯分校的大型离心机上，对饱和砂土及 软粘土中的桩进行模型试验 1 4 - 1 5 】。试验结果表明：砂土的相对密实度，土的位移 水平和历史，以及地震的特性等因素都对土反力的大小有影响。通过分析，w i l s o n 得到土层液化过程中的p - y 曲线，提出对于相对密实度为5 5 的砂土，合理反映 液化砂土侧向抗力的折减系数大致为0 2 5 至0 3 5 ；对于相对密实度为3 5 的砂 土，合理反映液化砂土侧向抗力的折减系数大致为0 1 。 振动台试验是用来模拟震动载荷的。振动台试验的优点在于可以在较短的时 间内进行较多的模型试验以消除一些随机因素的影响；缺点主要是由于容器的存 在，使得土受到容器边界条件的约束，边界会对土体的变形产生限制，波的反射 和散射都将对结果产生影响。2 0 0 4 年王建华、冯士伦【l6 】利用不同液化土层种类、 厚度与初始相对密实度、不同模型试验的尺度、模型桩的直径等，进行了小型、 中型与大型振动台共1 8 次桩与液化土层的相互作用模型试验。得到：( 1 ) 砂土液 化对地震能起到减震效果；液化过程中，当桩土体系的固有频率与输入振动频率 接近时，桩项加速度最大；在输入规则波振动的条件下，桩身弯矩一般经历先增 长后减小的过程；( 2 ) 提出了如果土层的初始相对密实度不大于4 0 ，可以取静 力p - y 曲线的1 0 作为该土层的衰化p - y 曲线；如果土层的初始相对密实度大于 等于5 0 ，可以取静力p - y 曲线的2 5 作为该土层的衰化p - y 曲线；如果土层的 初始相对密实度介于4 0 和5 0 之间时，可以在1 0 和2 5 之间通过进行线性 插值确定土层的衰化p - y 曲线。( 3 ) 引入积分方程法计算动力p ：y 曲线，并据此证 明采用衰化p - y 曲线评价液化土层中水平抗力的正确性。( 4 ) 分析了利用砂土的循 环强度、液化后的不排水静强度和结构残余强度评价液化后砂土抗力所存在的问 4 第一章绪论 题。 1 4 本文工作 目前对于处于弱化状态土层的水平承载力研究，仅仅处于探索阶段。考虑到 此项研究对于实际工程，尤其是海洋平台这类结构的经济价值，十分有必要对其 进行深入的研究。 文献【2 中曾采用粉砂质细砂，利用桩土相互作用的模型试验，对处于弱化 状态的桩土相互作用特性作了研究，并按照r e s e e 的建议，根据模型试验结果确 定了不同弱化状态下饱和砂土的p - y 曲线，并对p - y 曲线的特征参数：土层水平 极限抗力p 、桩侧土体位移肌、蜘以及土反力模量系数和土层残余孔压比的关 系作了深入的研究，总结出了一些规律。由于文献 2 中的模型试验都是采用的 粉砂质细砂，于是就存在这么一个问题，如果采用不同种类的砂土来做同样的模 型试验，能得到和采用粉砂质细砂所做模型试验一样的结论吗? 也就是说，文献 2 中总结出的规律是否具有一般性。基于这种考虑，本文采用细砂，按照文献 2 中的模型试验方法，做相同试验条件下的模型试验，具体研究工作如下： ( 1 ) 应用有效应力原理，采用在饱和土层中施加反压的方法使饱和砂土层 中维持一特定的孔压比，模拟振动荷载作用下饱和砂土中由于残余孔压的产生而 导致的弱化状态。然后利用模型试验研究饱和砂土液化过程中，桩基水平承载力 的衰化规律，并将本模型试验结果与文献 2 中采用粉砂质细砂所得到的试验结 果进行了比较分析，阐明砂土的类型、相对密度及土层中的残余孔压比对桩基水 平承载力的影响。 ( 2 ) 按照r e s e e 的建议，根据模型试验结果确定的饱和弱化砂土的p ) ，曲 线，研究p - y 曲线上的特征参数：土层水平极限抗力p 。、桩侧土体位移以、蜘 及土反力模量系数随土层残余孔压比的变化规律，并和文献 2 中采用粉砂质细 砂所做模型试验得到的p - y 曲线的特征参数进行了对比分析，分析了砂土类型以 及相对密度对这些参数的影响，为建立弱化土层桩土相互p - y 曲线的方法提供了 理论分析依据。 ( 3 ) 通过三轴试验测定了与模型实验相同密度的土样在不同弱化状态下砂 土的强度参数，并将由土强度参数确定的水平极限抗力与模型试验结果进行对比 分析。 ( 4 ) 最后通过小型振动台，控制初始相对密度2 0 ，先通过振动使饱和砂 土达到某一特定孔压比，然后再通过加反压的方法使饱和砂土中维持振动所达到 的孔压比，做该条件下的模型试验；然后还是利用该小型振动台，控制和上次振 动试验一样的相对密度，做静力试验，即不通过振动，直接加反压使饱和砂土中 第一章绪论 维持和振动试验中振动停止时同样的孔压比，做静力条件下的模型试验。改变孔 压比，做不同弱化状态下的振动和静力试验，由于振动试验和实际工况是一致的， 所以可以通过对比振动和静力试验的结果来说明在饱和土层中施加反压的方法 使饱和砂土层中维持一特定的孔压比，模拟振动荷载作用下饱和砂土中由于残余 孔压的产生而导致的弱化状态的方法的可行性。 6 第二章利用反压法模拟砂土弱化状态的试验模型 第二章利用反压法模拟砂土弱化状态的试验模型 2 1 试验概况 2 1 1 试验装置 1 、试验箱 模型试验箱由箱体和箱盖两个部分组成。其尺寸分别为：箱体尺寸 1 2 m 0 6 m 1 1 聊，箱盖尺寸1 2 m 0 6 m 0 3 m ，采用钢材制作。为了使箱体能 承受较大压力，在箱体外壁都加焊接了角钢。在箱盖侧部中央位置安置一个加载 气缸，百分表和力传感器分别安装在气缸活塞杆两端，箱盖项部开有进气孔，通 过加气压来模拟土层上覆压力。在箱体和箱盖之间放置了一块橡胶垫和乳胶膜， 乳胶膜中部设置一个直径小于模型桩直径的孔，便于桩通过乳胶膜时密封。箱盖 与箱体之间采用螺栓连接密封。在箱体底部设置一个直径3 c m 的出线孔，孔周 围焊结5 c m 高的底座，模型桩用套管和底座连接，然后用喉箍拧紧。在模型箱 一侧箱壁上设置有三个孔压传感器来测量试验过程中土层的孔隙水压力变化，其 位置见图2 1 。 口孔压传感器应变片 进水孔 ( a ) 模型试验箱剖面图 第二章利用反压法模拟砂土弱化状态的试验模型 m ) 箱盖( c ) 箱体 图2 - 1 模型试验设备简图 2 、模型桩 模型桩采用桩长为1 1 5 c m 的钢管制作，方法如下：( 1 ) 由于模型桩两侧要对 称粘贴1 0 对应变片，从桩顶1 5 c m 处开始贴片，依次每隔l o c m 贴一对应变片， 其余留l o c m 用于桩底部的边界约束。所以在距粘贴应变片2 - 3 c m 处钻孔，便于 从桩内走线。( 2 ) 用砂纸去掉模型桩表面的氧化膜，取丙酮清洗模型桩，选取合 适的应变片，其阻值应接近1 2 0 0 ，用4 0 6 粘接剂将应变片固定在模型桩选定位 置，粘贴过程中压紧应变片，挤出其中的气泡。用相同的方法贴上接线端子。然 后通过端子，将屏蔽线与应变片焊接屏蔽电线放置在桩内。( 3 ) 测量与桩身同 一高度处的一对应变片相连的屏蔽线阻值，阻值差小于0 5o 为合格，再检验应 变片的绝缘性检验时应将万用表两个指针分别与接线端子和模型桩相接，阻值 无穷大则绝缘性能合格。( 4 ) 将每个应变片上涂覆一层7 0 4 硅橡胶待其凝固后t 在胶层上再涂覆一层9 1 4 环氧树脂，能防止水渗进去损坏应变片。( 4 ) 最后还要 用乳胶套管包住整个桩，外面再裹一层尼龙，并用橡胶带扎紧，这样能让整根模 型桩具有更好的防水性能。 表2 1 模型桩的几何尺寸及基本力学参数 长度佃) 外径m )壁厚m )惯性矩( m 4 ) 弹性模量( h ) 60 7 4 5 x 1 0 8 2 1 0 1 3 、反压装置 第二章利用反压矬模拟砂土弱化状态的试验模型 本模型试验是应用有效应力原理，采用在饱和土层中施加反压的方法使饱和 砂十层中维持一特定的孔压比，来模拟振动荷载作用下饱和砂土中由于残余孔压 的产生而导致的弱化状态，试验过程中需要施加反压。反压的施加通过反压装置 来实现结构如图2 - 2 所示，反压装置主要由气源、反压罐组成。其中反压罐顶 盖分别设有一进水孔和一进气孔，反压罐底部设有一排水孔与模型试验箱底部进 水孔相连。加反压时应先将罐内注入一定量的水，然后施加气压，通过罐顶的进 气孔将水顶进模型箱内，来使模型箱内的饱和土层达到所需的孔压比。 酾嚷赫毛一 匿 图2 - 2 反压装置图 2 1 2 砂土的制备殷其物性指标 本模型试验的砂土采用细砂，为了与文献 2 中的粉砂质细砂对比，表2 - 2 给 出了两种试验砂土的基本物性指标。 表2 - 2 试验砂土的基本物性指标 孔稼比千密度( g , c m 3 l 砂土性质比重 最大最小最大最小 粉砂质细砂 2 6 50 6 9 2 2 细砂 试验土层厚l l o c m ，分五层制备，每层控制高度为2 1 为制各试验所需 的砂土，需要控制以下几个条件：控制砂土的相对密度、砂土的均匀性、砂土要 达到09 5 以上的饱和度。采用以下方法制备模型试验土层： 第二章利用反压法模拟砂土弱化状态的试验模型 ( 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，然后将模型桩固定在模型箱中央，并安装孔压传感器，记录初读数，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。即在装完每一层土之 后，从试验箱底部进水孔缓慢进水。每层水头的高度大致控制在砂土高度的3 2 高度处，并控制进水速率，为保证土层饱和的均匀性，每层饱和一般需要4 5 小 时。饱和完毕吸去砂土表面多余的浮水。 ( 3 ) 试验砂土饱和完全后，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 2 试验步骤 模型试验的试验步骤如下： ( 1 ) 关闭模型箱底部排水开关，通过箱盖上的进气孔给饱和后的土层施加 2 0 k p a 的上覆压力。 ( 2 ) 读取三个孔压传感器的读数，由此来确定施加上覆压力后而产生的孔压 系数b ，判断土层的饱和状态。箱内饱和土层土单元为k 应力状态，在上覆压 力g 作用下，可以按照式( 2 1 ) 来确定土层的孔压系数b 。文献 2 中曾研究过，饱 和砂土试样在民应力状态下k o 8 5 ，孔压系数彳约为o 0 8 。试验结果表明， 土层受到上覆压力后产生的超孔隙水压力f 均不小于上覆压力的0 8 2 倍，这说 明采用分层水头饱和方法制备的土层孔压系数b 0 9 5 ，满足饱和土层的试验要 求。 b ： 丝 k o + a ( 1 一k o ) q ( 2 - 1 ) ( 3 ) 固结排水。当土层中孔压传感器的读数降至施加上覆压力前的读数、 且关闭排水开关后孔压传感器的读数不再变化时，认为土层在上覆有效压力作用 下的固结已经完成。 ， ( 4 ) 施加反压。以此模拟具有一定弱化状态的饱和土层。所加反压根据模型 试验的要求而定。 ( 5 ) 待模型箱内孔压稳定在试验所需的孔压时，就可以采用分级加荷的方法 在桩顶施加水平荷载。记录每一级荷载作用下桩项相对稳定后的水平位移和力传 1 0 第二章利用反压法模拟砂土弱化状态的试验模型 感器读数。当浅层土体的水平抗力达到极限状态时，停止试验。 ( 6 ) 打开箱盖，取出砂土，同时用环刀分层取样，测其容重及含水率，确定 土层固结后的实际相对密度。 2 3 试验方案 本模型试验控制的饱和土层初始相对密度为2 0 ，上覆有效压力为2 0 k p a ， 按照0 ，0 2 5 ，0 5 ，o 7 5 ，1 0 五种孔压比控制土层中的超孔隙水压力。 试验完毕后打开箱盖，所测的箱内土层的实际相对密度大约为4 0 。文献 2 中粉砂质细砂饱和土层的初始相对密度分别为2 0 、3 0 和4 0 时，土层固结后 的相对密度大约为3 0 、4 0 和5 0 。 第三章模型试验结果分析 第三章模型试验结果分析 采用细砂做相对密度为4 0 ，孔压比为0 、0 2 5 、o 5 、0 7 5 、1 的一共5 组 模型试验，根据模型试验结果进行了桩土p - y 曲线分析。首先讨论了根据桩身弯 矩确定桩土p - y 曲线的方法，然后结合模型实验结果分析了桩头载荷位移曲线以 及土层中桩身弯矩的变化形式，进而研究了桩土弱化p - y 曲线的形式、沿土体深 度变化的p - y 曲线规律，三段结构p - y 曲线上的特征参数：土层水平极限抗力p “、 桩侧土体位移y 。、y m 及土反力模量系数随土层残余孔压比的变化规律。并结合文 献 2 中得出的规律，对两种砂土的上述特征参数进行了对比分析。 3 1 p - y 曲线简介 p - y 曲线就是在水平力的作用下，泥面以下某深度处的土反力p 与该点桩的 挠度y 之间的关系曲线。它反映了桩周土受力后变形的非线性特征，桩的刚度以 及外荷载作用性质等特点。在同一深度处的p - y 曲线中，桩的位移y ，对应有相应 的桩侧土反力p f ，在位移为y f 时，对应有相应的桩侧土反力p ，。随着位移的增大， 土反力增长的趋势在逐渐减小，体现了土体的非线性特点。随着深度的增加，相 同位移条件下，土反力p 会相应的增加，曲线的形式与浅层土体的p 吵相同。p 吵 曲线法是一种非线性地基反力法。它考虑了土的非线性特性，分层特性，不同的 土类及荷载类型等因素，适应于分析横向荷载作用下的桩结构物，特别适合于分 析横向荷载作用下有较大变位的桩结构物。对于海洋工程中的高桩结构以及港口 工程中的靠船墩、靠船簇桩等结构，在水平荷载作用下，结构水平变位较大，桩 周土体已经进入非线性工作状态。传统的假想嵌固点法( 港口工程中常用的一种 分析方法，即假定桩在土下一定深度处，桩身水平变位和转角为零) 或线性弹性 地基反力法不能很好地反应实际的桩土相互作用，而在这种情况下p - y 曲线法却 是一种很有效的方法。 3 2 根据桩身弯矩确定试验p - y 曲线 3 2 1p - y 曲线的基本方程 设竖直桩全部埋入土中，在断面的主平面内，地表面桩顶处作用有垂直于桩 轴线的力疡和外力矩，桩的全长范围内作用有水平的分布荷载虿( x ) ，选择地 第三章模型试验结果分析 面与桩中性轴的交点为坐标轴的原点0 ，取桩的中心轴为x 轴，与桩的中心轴相 垂直的方向为y 轴，以向下及水平力玩作用的方向为坐标轴的正方向，如图3 1 所示。 由于荷载作用使桩产生挠度，也使作为支撑介质的地基产生连续分布的反 力。可以假定任意点x 处桩的单位长度反力万是深度与这一点桩的挠度y 的函数， 即万= 万( x ，y ) 。受到荷载的桩，除了产生弯曲与水平反力外，在与土接触的桩 表面上还将产生竖直方向的摩擦力。如果不考虑竖向力对挠度曲线的影响，可以 认为地基反力沿桩身水平方向作用。 生 m 。 ，、 m i + d m p a x 图3 1 桩的受力分析图3 2 微分单元d x 的力平衡 从桩上取出出单元体，作用在这个单元体上的力如图3 - 2 所示。其中s 为 截面的剪力，m 为截面的弯矩。设作用在上截面的反时针旋转的m 为正，使微 体具有逆时针旋转趋势的剪力为正，即上截面中的方向为正。这与一般结构力学 中符号规定相一致。 考虑图3 2 中单元体的平衡，由水平方向力的和得出： ( s + d s ) 一s 一万( x ，y ) d x + g ( x ) d x = 0 _ d - s ：歹( x ，y ) 一虿( x ) d x 利用s = d m d x 的关系，则 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 第三章模型试验结果分析 j d s _ ：d j 2 m 厂：万( x ，y ) 一虿( x ) 一= 一= ，7 x v 一x -出出2 1 7 ( 3 3 ) 式中：n x ，y ) ，g ( x ) 一单位长度桩身的荷载强度，其单位为( n m ) 或( k n i m ) 。 根据材料力学中的定义，由于y 的二阶微分d 2 y d x 2 与弯矩m 的符号刚 刚相反，所以可以得出弯曲微分方程式为： e 1 4 ：一m d x 2 ( 3 4 ) 式中：e 是桩材料的弹性模量；，是桩的惯性矩；彤称为桩的抗弯刚度。 如果假定在分析的桩段里日为常数，并将式( 3 4 ) 的二次微分代a ( 3 3 ) 式， 则可以得出： 日参= 顸础m ( 功 ( 3 - 5 ) 这就是土中桩的挠曲微分方程式。当分布荷载万( 工) 为作用于桩上的残余 水压及桩侧的土压时，一般可设g ( x ) = o 此时可以得出下面的形式： 日箬峒训) o ( 3 - 6 ) 无论地基是弹性的还是非弹性的，上面的挠曲微分方程式总能成立。式( 3 6 ) 即为承受水平荷载时桩所满足的数学关系式。关于上述基本方程的求解有许多种 方法，以m a t l o c k ，r e e s e 为代表的学者所采用的有限差分法最具有实用性，他 们的研究成果证明了这种方法在处理桩土相互作用方面的合理性和广泛应用性。 1 4 第三章模型试验结果分析 3 2 2 土层抗力 在试验过程中，可以实测到每级荷载作用下沿桩身布置的应变片的应变值， 根据式( 3 7 ) 可以确定桩身弯矩。进而，依据式( 3 8 ) 可以直接得到桩周土的抗力。 m ：鱼二! 二! ：丝 2 d d 2 m 一 1 了。p ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 式中：e 。、8 r 一沿桩身同一高度处的一对应变片的应变值：加桩径。 目前，关于桩土相互作用土抗力的分析，基本都是采用上述方法，通过测桩 身应变后间接得到弯矩，并对桩身弯矩进行二次微分进一步得到土反力。微分运 算要求函数是一个连续的函数。对于二阶微分，要求其一阶微分也必须是连续性 函数。微分计算一般会将误差扩大，而目前试验实测的弯矩又基本上都是间断点 上的弯矩，是非连续性的，误差是客观存在的。经过二次微分以后，误差会进一 步放大。但通过减小间隔点的距离，并且如果间距是等间距的，可以很好的减小 误差。本试验所采用的应变片为等间距，而且间距又足够小，可以很好的符合差 分方程的要求。本文采用五点中心差分的方法来计算土反力p ，当计算桩头和桩 底节点的土反力时，需要补充虚拟节点。以下将详细介绍五点中心差分的方法以 及在边界节点位置虚拟节点的方法。 厂( z + 幽) = 厂( x ) + 厂( x ) 7 z + j 1 厂( 工) 幽2 + i 1 ”( s ) 7 z 3 f ( x + 2 j 1 ) = 厂( 工) + 2 厂( 互) 助+ 2 。( 工) 幽2 + j 4 厂”( 7 7 ) 幽3 f ( x - 幽) = 厂( x ) 一厂( x ) 幽+ 互1 厂”( z ) 幽2 一云1 厂”( ) 幽3 f ( x - 2 幽) = 厂( 工) 一2 f ( x ) 幽+ 2 f ”( z ) 幽2 弋4 厂”( 善) 幽3 式中： x s x + 五， z r l x + 2 五，x 一厅p xx 一2 a h 善x 。 ， 忽略三阶以上微分，可以得