目前，樁基礎(chǔ)在海洋工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但由于海上環(huán)境異常復(fù)雜，樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)需經(jīng)受循環(huán)作用達(dá)數(shù)十萬(wàn)次的低頻風(fēng)浪荷載作用，產(chǎn)生的累積變形會(huì)造成安裝在樁基礎(chǔ)上的海洋工程結(jié)構(gòu)傾斜，從而影響上部結(jié)構(gòu)的正常服役性能甚至使其失效破壞。因此，開(kāi)展對(duì)水平循環(huán)荷載對(duì)樁基礎(chǔ)的研究就顯得十分必要。

由于受海上復(fù)雜環(huán)境和經(jīng)費(fèi)的限制，進(jìn)行樁基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)水平循環(huán)荷載試驗(yàn)顯得非常困難，所以大多數(shù)研究人員在探討水平循環(huán)荷載對(duì)樁基影響時(shí)多以室內(nèi)模型試驗(yàn)為手段。而開(kāi)展此類室內(nèi)模型試驗(yàn)的關(guān)鍵在于需要一套穩(wěn)定可靠，且能輸出頻率和荷載可控的加載裝置，傳統(tǒng)的加載裝置多為費(fèi)用昂貴的激振器或者伺服液壓加載系統(tǒng)。但由于液壓伺服加載系統(tǒng)價(jià)格高昂且所施加的荷載較大，一般以kN為度量單位，而往往室內(nèi)模型試驗(yàn)中所需的荷載只幾十N至幾百N的荷載，加載精度難以滿足小模型試驗(yàn)的要求。

為解決上述存在的循環(huán)加載裝置的問(wèn)題，本文研制出一種新型的水平循環(huán)加載裝置并申請(qǐng)了發(fā)明專利。該裝置原理簡(jiǎn)單、操作方便，成本低廉，荷載幅值和頻率可調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整加載點(diǎn)和滑輪的相對(duì)位置，亦可以實(shí)現(xiàn)豎向或者斜向加載，能夠輸出滿足循環(huán)荷載試驗(yàn)要求的荷載波形，尤其適用于室內(nèi)模型試驗(yàn)的循環(huán)加載，并利用該加載裝置成功對(duì)海上風(fēng)電單樁式基礎(chǔ)開(kāi)展了水平循環(huán)荷載試驗(yàn)研究。

適用于室內(nèi)小模型試驗(yàn)的循環(huán)加載裝置設(shè)計(jì)主要需考慮以下幾個(gè)方面：確定輸出荷載、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電機(jī)及變頻控制器的選型。

該裝置的基本工作原理如圖1 所示。在右下角電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，鋼絲繩會(huì)拉動(dòng)質(zhì)點(diǎn)m沿著導(dǎo)軌向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)質(zhì)點(diǎn)m的左邊與彈簧相連。初始時(shí)質(zhì)點(diǎn)m位于最左邊時(shí)，彈簧此時(shí)處于松弛狀態(tài)，在前半個(gè)周期，質(zhì)點(diǎn)m會(huì)在電機(jī)拉動(dòng)下由左沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到最右邊，此時(shí)彈簧處于拉伸狀態(tài)；后半個(gè)周期，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)在彈簧的拉力作用下沿著導(dǎo)軌從右往左邊移動(dòng)，回到起點(diǎn)，完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)周期內(nèi)，根據(jù)力學(xué)中的力矩平衡原理，質(zhì)點(diǎn)m產(chǎn)生重力F1和連接到樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的拉力T 對(duì)鉸接點(diǎn)O 作力矩平衡。

圖1 循環(huán)加載裝置示意圖

根據(jù)力矩平衡原理就可以實(shí)現(xiàn)將砝碼質(zhì)量塊m的重力F1 轉(zhuǎn)化為拉力T。電機(jī)以設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率即為循環(huán)加載頻率，可以近似模擬風(fēng)、浪等低頻的循環(huán)荷載。圖2為固定在模型箱上的水平循環(huán)加載裝置的實(shí)物圖，主要有水平滑動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及固定于地上或者模型箱上的反力架系統(tǒng)組成。此外，還包括一些附屬機(jī)械裝置如滑輪、夾具緊固構(gòu)件和彈簧等。

圖2 水平循環(huán)加載裝置

圖3為加載裝置中水平滑動(dòng)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)圖，由導(dǎo)軌、裝載砝碼用的小車和彈簧組成。其中，加載用的砝碼質(zhì)量塊固定于由滑塊和軸承滾輪組成的導(dǎo)軌小車上，通過(guò)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)平滑往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中須做好相應(yīng)部件的潤(rùn)滑工作，盡量減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力。動(dòng)力系統(tǒng)由頻率可調(diào)的異步電機(jī)和變頻器組成，通過(guò)設(shè)置變頻器改變輸入電流的頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加載頻率的控制，轉(zhuǎn)速可控制在0.2～100.0 r/s，通過(guò)低伸縮量的鋼絲繩連接導(dǎo)軌小車就可以驅(qū)動(dòng)砝碼質(zhì)量塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)。反力架系統(tǒng)則由不同型號(hào)的鋼材以鉚接或者栓接方式構(gòu)成并固定在模型箱和地面上，為加載系統(tǒng)提供支撐。

圖3 加載裝置滑動(dòng)系統(tǒng)細(xì)節(jié)圖

關(guān)于電機(jī)和變頻器的選擇需視試驗(yàn)需要確定，由于考慮本次及今后的試驗(yàn)需求，選擇YVP 802-4三相異步變頻調(diào)速電機(jī)，功率為0.75 kW，調(diào)頻范圍為0.2～200.0 r/s。變頻控制器需與電機(jī)相配，本次試驗(yàn)選擇了廠家推薦的變頻器（見(jiàn)圖4）。

圖4 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置

本節(jié)主要介紹利用自主研制的水平循環(huán)加載裝置研究單樁基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下樁基和樁周土體累積變形發(fā)展過(guò)程以及樁身內(nèi)力的變化。

圖5為單樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的傳感器布置示意圖，包括3 個(gè)激光位移計(jì)（J1、J2、J3）、11 對(duì)應(yīng)變片以及一個(gè)拉力傳感器。其中J1 位于泥面以上0.5D（D 為樁徑）的樁身上，J2 位于樁右側(cè)泥面的1.6D處，J3 位于樁右側(cè)泥面的2.6D 處。其中J1 用于測(cè)量循環(huán)荷載作用下模型樁位移，J2、J3 則用于測(cè)量樁周土體的位移發(fā)展?fàn)顩r。11 對(duì)應(yīng)變片按間距為5～6 cm 對(duì)稱分布在樁兩側(cè)，第1 個(gè)位于泥面以上3 cm，最后一個(gè)位于樁底，用于測(cè)量樁身的內(nèi)力變化。拉力傳感器L 布設(shè)在泥面以上4D 的樁身位置處，用于測(cè)量施加到樁身上的荷載變化情況。

圖5 模型試驗(yàn)傳感器布置剖視圖

循環(huán)荷載作用下的單樁模型試驗(yàn)主要步驟有：試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，包括：① 調(diào)試加載裝置和傳感器標(biāo)定；② 模型土制備；③ 試驗(yàn)加載；④ 試驗(yàn)結(jié)束，整理儀器并處理分析數(shù)據(jù)。其中，試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟為模型土的制備。

對(duì)于淤泥質(zhì)軟土地基，相較于靜荷載，循環(huán)荷載對(duì)樁基礎(chǔ)及樁周土體的位移有重大影響。圖6為J1激光位移計(jì)測(cè)到的循環(huán)荷載下樁身累積殘余變形，可知：在單個(gè)周期內(nèi)，泥面處的樁身位移呈近似于周期性變化，每次循環(huán)后，樁身會(huì)發(fā)生一定量的殘余變形，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的樁身累積殘余變形隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在循環(huán)荷載的前幾個(gè)周期內(nèi)，泥面處的樁身位移發(fā)展速度很快，累積殘余變形很大，且波動(dòng)值較大；隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，泥面處的累積位移增長(zhǎng)速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，波動(dòng)幅度有所減小。

圖6 樁身殘余變形隨循環(huán)加載次數(shù)的變化情況

圖7 給出的是在循環(huán)荷載作用下樁前、后距樁1D位置處的變形隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：

① 在循環(huán)最初約50個(gè)周期內(nèi)，樁周土基本還未與樁發(fā)生明顯分離，因此樁前后相同位置處的土體變形基本一致；

② 約50個(gè)循環(huán)周期后，模型樁與土體開(kāi)始逐漸分離，表現(xiàn)為樁前后土體變形不一致，樁前土體位移逐漸大于樁后土體位移；

③ 循環(huán)加載次數(shù)600次后樁前后的變形已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 樁前后1D處土表累積變形隨循環(huán)次數(shù)的變化

圖8 給出的是在循環(huán)荷載結(jié)束后樁周土體的破壞情況。由圖可知：樁后土體與模型樁明顯分離形成較大的間隙，間隙寬度約為4.5mm，同時(shí)樁側(cè)土體拉伸裂紋明顯擴(kuò)大，延伸距離約為0.3D深，樁前土體受壓隆起，并產(chǎn)生擠壓泥漿出現(xiàn)，此外還分布有寬度約2mm、長(zhǎng)度約為20mm 的擠壓裂紋。

圖8 樁周土體破壞情況

圖9 樁身彎矩隨循環(huán)次數(shù)的變化

圖9 給出的是樁身彎矩隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)最大彎矩出現(xiàn)在泥面下4D～5D 的位置處，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，樁身的彎矩在增加。在前10 個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，彎矩和位移變化速率最大，當(dāng)加載次數(shù)N 接近1 000 次時(shí)，隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，樁身彎矩的變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定。循環(huán)次數(shù)N 從1 次變化到1 000 次，樁身彎矩最大值出現(xiàn)的位置大約由原來(lái)泥面下4D 移動(dòng)至5D 位置，樁身位移的反彎點(diǎn)也在向下移動(dòng)。這是因?yàn)殡S著循環(huán)加載的進(jìn)行，上部土層由于循環(huán)荷載作用逐漸減弱且喪失了部分承載力，同時(shí)由于荷載重分布的原因下部土體將承擔(dān)更多荷載，使樁土相互作用的影響范圍擴(kuò)大，進(jìn)而引起最大彎矩點(diǎn)位置向下移動(dòng)。

本文研制了一套適用于室內(nèi)小模型試驗(yàn)的低頻水平循環(huán)加載裝置，該裝置能夠?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象輸入穩(wěn)定可靠的正弦荷載波形，荷載幅值和頻率可控，且原理簡(jiǎn)單，加工制造方便，但是在使用時(shí)需注意以下限制：① 加載頻率在0～2 Hz 之間；②荷載在10～100 N 之間；③ 加載次數(shù)受加載部件疲勞特性的限制。但是后兩個(gè)限制可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)尺寸與部件質(zhì)量提高加載范圍和加載次數(shù)。通過(guò)該裝置所做的模型試驗(yàn)得到：

（1）研制的新型低頻水平循環(huán)加載裝置主要由動(dòng)力系統(tǒng)、砝碼質(zhì)量塊滑動(dòng)系統(tǒng)和反力架固定系統(tǒng)構(gòu)成，輸出的荷載穩(wěn)定可靠且精度較高，實(shí)測(cè)荷載與理論荷載的波形相似度為93.4%。

（2）利用該加載裝置成功對(duì)海上風(fēng)電單樁式基礎(chǔ)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，得到了在循環(huán)荷載作用下淤泥質(zhì)軟土地基中單樁式基礎(chǔ)的位移發(fā)展規(guī)律及樁周地基土的破壞情況。

（3）循環(huán)荷載下，樁身彎矩會(huì)隨著加載次數(shù)的增加而呈現(xiàn)累積增加的趨勢(shì)，最后逐漸趨于穩(wěn)定，樁身最大彎矩出現(xiàn)在土表下4D～5D。此外，除了利用循環(huán)加載裝置對(duì)樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn)的初步分析，還對(duì)海上風(fēng)電單樁式基礎(chǔ)進(jìn)行了一系列工況的研究，但限于篇幅所限將另文發(fā)表。

圖文來(lái)源：

[1]汪明元,吳金標(biāo),張建經(jīng),廖蔚茗,閆孔明.一種適用于室內(nèi)模型試驗(yàn)的循環(huán)加載裝置研制及試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2018,39(03):1145-1151.