试验洞悉工程 | 考察海洋桩基的循环加载装置

目前，桩基础在海洋工程中的应用越来越广泛。但由于海上环境异常复杂，桩基础在设计寿命期限内需经受循环作用达数十万次的低频风浪荷载作用，产生的累积变形会造成安装在桩基础上的海洋工程结构倾斜，从而影响上部结构的正常服役性能甚至使其失效破坏。因此，开展对水平循环荷载对桩基础的研究就显得十分必要。

由于受海上复杂环境和经费的限制，进行桩基础现场水平循环荷载试验显得非常困难，所以大多数研究人员在探讨水平循环荷载对桩基影响时多以室内模型试验为手段。而开展此类室内模型试验的关键在于需要一套稳定可靠，且能输出频率和荷载可控的加载装置，传统的加载装置多为费用昂贵的激振器或者伺服液压加载系统。但由于液压伺服加载系统价格高昂且所施加的荷载较大，一般以kN为度量单位，而往往室内模型试验中所需的荷载只几十N至几百N的荷载，加载精度难以满足小模型试验的要求。

为解决上述存在的循环加载装置的问题，本文研制出一种新型的水平循环加载装置并申请了发明专利。该装置原理简单、操作方便，成本低廉，荷载幅值和频率可调节，经过简单调整加载点和滑轮的相对位置，亦可以实现竖向或者斜向加载，能够输出满足循环荷载试验要求的荷载波形，尤其适用于室内模型试验的循环加载，并利用该加载装置成功对海上风电单桩式基础开展了水平循环荷载试验研究。

适用于室内小模型试验的循环加载装置设计主要需考虑以下几个方面：确定输出荷载、机械系统的设计、电机及变频控制器的选型。

该装置的基本工作原理如图1 所示。在右下角电机的驱动下，钢丝绳会拉动质点m沿着导轨向右运动，同时质点m的左边与弹簧相连。初始时质点m位于最左边时，弹簧此时处于松弛状态，在前半个周期，质点m会在电机拉动下由左沿导轨运动到最右边，此时弹簧处于拉伸状态；后半个周期，电机继续转动，质点在弹簧的拉力作用下沿着导轨从右往左边移动，回到起点，完成一个周期的运动。在这个周期内，根据力学中的力矩平衡原理，质点m产生重力F1和连接到桩基础结构上的拉力T 对铰接点O 作力矩平衡。

图1 循环加载装置示意图

根据力矩平衡原理就可以实现将砝码质量块m的重力F1 转化为拉力T。电机以设定的频率转动，其转动频率即为循环加载频率，可以近似模拟风、浪等低频的循环荷载。图2为固定在模型箱上的水平循环加载装置的实物图，主要有水平滑动系统、动力系统以及固定于地上或者模型箱上的反力架系统组成。此外，还包括一些附属机械装置如滑轮、夹具紧固构件和弹簧等。

图2 水平循环加载装置

图3为加载装置中水平滑动系统的细节图，由导轨、装载砝码用的小车和弹簧组成。其中，加载用的砝码质量块固定于由滑块和轴承滚轮组成的导轨小车上，通过导轨实现平滑往复运动，在这个过程中须做好相应部件的润滑工作，尽量减小运动过程中的摩擦阻力。动力系统由频率可调的异步电机和变频器组成，通过设置变频器改变输入电流的频率来控制电机的转速，进而实现加载频率的控制，转速可控制在0.2～100.0 r/s，通过低伸缩量的钢丝绳连接导轨小车就可以驱动砝码质量块往复运动。反力架系统则由不同型号的钢材以铆接或者栓接方式构成并固定在模型箱和地面上，为加载系统提供支撑。

图3 加载装置滑动系统细节图

关于电机和变频器的选择需视试验需要确定，由于考虑本次及今后的试验需求，选择YVP 802-4三相异步变频调速电机，功率为0.75 kW，调频范围为0.2～200.0 r/s。变频控制器需与电机相配，本次试验选择了厂家推荐的变频器（见图4）。

图4 动力驱动装置

本节主要介绍利用自主研制的水平循环加载装置研究单桩基础在循环荷载作用下桩基和桩周土体累积变形发展过程以及桩身内力的变化。

图5为单桩基础模型试验的传感器布置示意图，包括3 个激光位移计（J1、J2、J3）、11 对应变片以及一个拉力传感器。其中J1 位于泥面以上0.5D（D 为桩径）的桩身上，J2 位于桩右侧泥面的1.6D处，J3 位于桩右侧泥面的2.6D 处。其中J1 用于测量循环荷载作用下模型桩位移，J2、J3 则用于测量桩周土体的位移发展状况。11 对应变片按间距为5～6 cm 对称分布在桩两侧，第1 个位于泥面以上3 cm，最后一个位于桩底，用于测量桩身的内力变化。拉力传感器L 布设在泥面以上4D 的桩身位置处，用于测量施加到桩身上的荷载变化情况。

图5 模型试验传感器布置剖视图

循环荷载作用下的单桩模型试验主要步骤有：试验前准备工作，包括：① 调试加载装置和传感器标定；② 模型土制备；③ 试验加载；④ 试验结束，整理仪器并处理分析数据。其中，试验的关键步骤为模型土的制备。

对于淤泥质软土地基，相较于静荷载，循环荷载对桩基础及桩周土体的位移有重大影响。图6为J1激光位移计测到的循环荷载下桩身累积残余变形，可知：在单个周期内，泥面处的桩身位移呈近似于周期性变化，每次循环后，桩身会发生一定量的残余变形，而监测点处的桩身累积残余变形随循环次数的增加而增加。在循环荷载的前几个周期内，泥面处的桩身位移发展速度很快，累积残余变形很大，且波动值较大；随着循环次数的不断增加，泥面处的累积位移增长速度逐渐减小并趋于稳定，波动幅度有所减小。

图6 桩身残余变形随循环加载次数的变化情况

图7 给出的是在循环荷载作用下桩前、后距桩1D位置处的变形随循环次数的变化规律，可以发现：

① 在循环最初约50个周期内，桩周土基本还未与桩发生明显分离，因此桩前后相同位置处的土体变形基本一致；

② 约50个循环周期后，模型桩与土体开始逐渐分离，表现为桩前后土体变形不一致，桩前土体位移逐渐大于桩后土体位移；

③ 循环加载次数600次后桩前后的变形已经逐渐趋于稳定。

图7 桩前后1D处土表累积变形随循环次数的变化

图8 给出的是在循环荷载结束后桩周土体的破坏情况。由图可知：桩后土体与模型桩明显分离形成较大的间隙，间隙宽度约为4.5mm，同时桩侧土体拉伸裂纹明显扩大，延伸距离约为0.3D深，桩前土体受压隆起，并产生挤压泥浆出现，此外还分布有宽度约2mm、长度约为20mm 的挤压裂纹。

图8 桩周土体破坏情况

图9 桩身弯矩随循环次数的变化

图9 给出的是桩身弯矩随循环次数的变化情况，可以发现最大弯矩出现在泥面下4D～5D 的位置处，随着循环次数的增加，桩身的弯矩在增加。在前10 个循环周期内，弯矩和位移变化速率最大，当加载次数N 接近1 000 次时，随着加载的继续进行，桩身弯矩的变化已经趋于稳定。循环次数N 从1 次变化到1 000 次，桩身弯矩最大值出现的位置大约由原来泥面下4D 移动至5D 位置，桩身位移的反弯点也在向下移动。这是因为随着循环加载的进行，上部土层由于循环荷载作用逐渐减弱且丧失了部分承载力，同时由于荷载重分布的原因下部土体将承担更多荷载，使桩土相互作用的影响范围扩大，进而引起最大弯矩点位置向下移动。

本文研制了一套适用于室内小模型试验的低频水平循环加载装置，该装置能够为试验对象输入稳定可靠的正弦荷载波形，荷载幅值和频率可控，且原理简单，加工制造方便，但是在使用时需注意以下限制：① 加载频率在0～2 Hz 之间；②荷载在10～100 N 之间；③ 加载次数受加载部件疲劳特性的限制。但是后两个限制可以通过改进设计尺寸与部件质量提高加载范围和加载次数。通过该装置所做的模型试验得到：

（1）研制的新型低频水平循环加载装置主要由动力系统、砝码质量块滑动系统和反力架固定系统构成，输出的荷载稳定可靠且精度较高，实测荷载与理论荷载的波形相似度为93.4%。

（2）利用该加载装置成功对海上风电单桩式基础进行了模型试验研究，得到了在循环荷载作用下淤泥质软土地基中单桩式基础的位移发展规律及桩周地基土的破坏情况。

（3）循环荷载下，桩身弯矩会随着加载次数的增加而呈现累积增加的趋势，最后逐渐趋于稳定，桩身最大弯矩出现在土表下4D～5D。此外，除了利用循环加载装置对桩基结构进行加载试验的初步分析，还对海上风电单桩式基础进行了一系列工况的研究，但限于篇幅所限将另文发表。

图文来源：

[1]汪明元,吴金标,张建经,廖蔚茗,闫孔明.一种适用于室内模型试验的循环加载装置研制及试验研究[J].岩土力学,2018,39(03):1145-1151.