模型桩循环荷载试验研究现状

张强 潘希成 宋宁

中建八局第四建设有限公司

摘要： 随着中国基础建设的不断发展，循环荷载下桩基础的承载性能受到越来越多的关注，成为基础研究的重中之重。本文总结国内外循环荷载模型桩试验研究现状，对现有模型试验的试验目的、试验思路、试验内容和试验结论进行阐述，并对各试验参数进行汇总分析得出相应结论。研究发现，现有模型试验采用的土体大多为松软土，其中以粉土和砂土为主，部分为黏土;模型桩模型试验采用的模型桩大多为钢管桩或铝合金桩，部分为混凝土灌注桩，极少数为塑料管桩;加载方式为更加贴近真实受力情况，多采用正弦波型循环荷载。

关键词：桩基础;循环荷载;模型桩试验;研究现状

随着经济的发展，越来越多的道路工程、桥梁工程、离岸工程陆续修建，桩基础因承载力高、沉降小、抗弯刚度大等特点被广泛使用。桩基础在服役过程中不仅承受上部重力产生的恒载作用，还要承受具有显著周期的循环荷载作用，循环荷载下桩基的承载性能受到学者越来越多的关注。循环荷载主要分为：道路工程中车辆行驶等对桩体产生的竖向循环荷载;桥梁工程和离岸工程中风、波浪等对桩体产生的水平循环荷载。研究发现，循环荷载作用下，桩体承载特性与静载作用下存在较大差异，如何保证循环荷载下桩体的承载特性满足使用要求成为当前桩体研究的重点。

国内外研究者针对循环荷载下桩体的承载特性做了大量研究，研究方法主要包括：室内模型试验和现场试验。现场试验是研究桩基的有效方法，但存在投入大、干扰因素多以及周期长等缺点，所以室内模型试验成为揭示桩体循环荷载下承载性能的常用手段。本文总结相关模型试验，对比不同试验的异同，期望对今后循环荷载下桩体承载性状的研究提供参考依据。

一、国内外研究现状

黄雨等（2009）[2]研究不同循环荷载比对饱和砂土中模型桩沉降的影响。研究发现：循环荷载比与循环次数对饱和砂土中的单桩桩顶累积沉降产生较大影响;同一循环荷载比情况下，地基土的割线模量随着循环次数的增加而不断增加，并趋于某一极限值。根据不同循环荷载比对沉降的影响程度，进行了回归分析，拟合出了沉降试验曲线的回归方程。

焦栋梁等（2010）[5]进行了波形为矩形和三角形的循环荷载下的桩承加筋土复合地基模型试验。研究发现：随着循环次数的增加复合地基的累积沉降量增加越来越少，且多次循环加载后的沉降量比单次沉降量增加较为明显，并提出了复合地基沉降的计算经验公式;复合地基总的沉降随着加载周期的减少而逐渐增加;随着循环次数和加载峰值的增加，桩土应力增加，随着周期增加应力减少。

王富强等（2011）[8]为研究近海风力发电工程对桩基础的承载力和变形的严格要求，通过离心机对单桩进行模型试验。试验结果表明水平循环荷载作用下的桩周土体的变形主要为挤压或塌陷产生的沉降和水平向变形;变形的主要集中区为单桩周围较小的范围;变形具有逐渐累积的特性;桩身弯矩峰值出现在埋深上1/3处，且随着循环次数的增加，弯矩的大小和分布几乎不变。

C.H.C. Tsuha等（2012）[10]进行了“单桩在循环横向载荷下的离心模拟”。试验结果表明打入砂中的桩以稳定、不稳定还是元稳定的方式来对竖向循环荷载做出反应取决于循环荷载的均值和循环次数;界面剪切特性、运动屈服、局部密度、断裂界面剪切带的生长和桩-土界面的约束膨胀都是影响桩轴向承载力的重要因素。

章敏等（2013）[11]进行了循环荷载作用下单桩动力模型试验和桩土界面特性研究。结果表明循环荷载幅值对桩顶累积沉降有重要影响，并且桩顶累积沉降随着循环荷载幅值的增加依次呈现出稳定性、亚稳定性以及非穩定性三种变形;桩顶刚度最开始受加载次数的影响，随后逐渐保持稳定;循环荷载下桩周土的超孔隙水压力很小，最终导致桩侧阻力退化;土体的剪切模量比与lgN呈负线性关系，并且随剪应变越大，衰减越明显;在CNS边界条件下，桩侧土在循环剪切作用下出现明显的剪缩行为，切向和法向应力逐渐降低。

顾明等（2014）[12]进行了3[×]3钢管群桩水平循环加载试验，研究了循环荷载下群桩的水平刚度、内力及荷载分配变化规律。研究发现：循环荷载作用对群桩的影响大于对单桩的影响;随着荷载循环次数的增加桩基的水平刚度逐渐减小，并且后期的水平加载刚度受到前期循环加载情况的影响;循环荷载次数的增加影响群桩中各排桩分担的荷载比例，前排桩分担的荷载随着循环次数的增加而增大。

吴亚平等（2015）[14]为明确冻土地区混凝土桩基在循环荷载作用下桩土的流变效应的影响，通过试验得出如下结论：循环荷载大小、频率和冻土温度是影响混凝土单桩-冻土流变效应的主要因素;冻土流变效应使得桩侧冻结应力随时间推移而降低，桩端阻力随时间推移而逐渐变大;荷载频率增大，桩侧冻结应力随之变大，而趋于稳定的时间较短;随着温度的升高，桩端位移增大，桩侧冻结应力减小，趋于稳定的时间较长。

Christina Rudolph等（2015）[15]研究水平循环载荷作用下桩的漂移，并将静载结果与循环模型试验的结果相结合，解释了在服役期间位移或旋转的累积原因。通过小规模建模和离心机测试发现加载方向的改变会显著增加桩的旋转和位移的累积量。

高柏松等（2015）[16]为了研究循环荷载作用下降雨前后对无砟轨道桩网结构路基动力特性的影响，开展了4组大比例尺动力模型试验。试验结果表明桩土差异沉降受加载力和降雨条件影响较大，而受加载频率影响不明显;试验时桩的中性点大致位于0.63L处，且基本不受加载力、频率、降雨等外界因素影响;桩侧摩阻力在加载力、加载频率、降雨等影响下均有明显增长。

Giulio Nicolai等（2015）[18]为研究循环荷载对单桩横向阻力的影响，进行了稠密饱和砂土中的小型单桩模型的试验性能，对单桩施加静力荷载以及上千次循环荷载。研究发现：循环荷载下使桩-土体系承载力增加承载力增加幅度取决于循环荷载的次数，施加循环荷载后桩的承载力（capacity）提高10%-20%，;随着循环荷载的增加，桩的旋转刚度增加。

俞剑等（2017）[19]为研究海上风机的大直径单桩基础在风、浪等水平循环荷载下的循环弱化特性，开展了大直径单桩基础模型和传统长桩基础模型对比研究。研究表明在同样水平力循环荷载作用下，大直径单桩抵抗循环荷载的能力明显优于传统长桩;在海上风机的大直径单桩设计中采用基于黏土残余强度的循环后稳定水平承载力更为合理;并依据骨干曲线和荷载-位移曲线，提出了在水平循环荷载作用下单桩基础循环弱化的理论方法，建立了荷载循环次数、幅值等与桩周土的循环弱化特性之间的联系。

三、结语

本文通过对近年来循环荷载下模型桩试验的总结、分析，列举了现有循环荷载下模型桩试验的研究成果，期望对今后循环荷载下桩体承载性状的研究提供参考依据。结论如下：

（一）模型试验采用的土体70%为Ⅰ类土（松软土），其中以粉土和砂土为主，部分为黏土。循环荷载对粉土、砂土产生的影响较大，长期循环荷载作用下，粉土、砂土与桩基础界面接触力发生较大程度弱化。循环荷载对黏土中桩基础的影响也尤为重要，特别是土中水在循环荷载作用下产生固结，形成负摩阻力，从而影响桩体的承载能力。国内外学者进行模型桩试验时大多选用所在地区的工程用土，研究成果可对当地桩基设计提供相关借鉴，具有较好的实用价值，还可就地取材节约成本。

（二）模型试验采用的模型桩75%左右为钢管桩或铝合金桩，部分为混凝土灌注桩，极少数为塑料管桩。现有工程中桩体大多采用钢管桩或混凝土管桩，铝合金的泊松比较为接近钢管和混凝土，选用钢管桩或铝合金管桩与更加接近真实工程，试验数据更加可靠。预制管桩制作方便，便于传感器的安装，减小试验阻力，对于现有工程预制桩的设计、施工具有较高的参考意义。

（三）桩基础在服役期间受到风、浪或车等引起的具有显著周期性的循环荷载，模型试验中为更加贴近真实受力情况，采用的循环荷载多为正弦波型循环荷载。循环次数根据试验条件和模拟条件的不同而有所区别，在几十次和几万次之间不等，可根据具体情况进行调节。

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