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第35卷第10期岩土工程学报Vol.35No.102013年.10月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringOct.2013砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验朱斌1,2，熊根1,2，刘晋超3，孙永鑫1,2，陈仁朋1,2(1.软弱土与环境土工教育部重点实验室（浙江大学），浙江杭州310058；2.浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州310058；3.广东省电力设计研究院，广东广州510000)摘要：大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p–y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性，通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性，分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p–y曲线。在修正p–y曲线初始刚度的基础上，采用双曲线型p–y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性，试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后，由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p–y曲线，提出了循环应力比相关的p–y曲线循环弱化因子，以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。关键词：离心模型试验；大直径；桩；水平受荷；砂土中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：1000–4548(2013)10–1807–09作者简介：朱斌(1977–)，男，教授、博士生导师，主要从事海洋岩土工程等方面的教学和科研。E-mail：binzhu@zju.edu.cn。Centrifugemodellingofalarge-diametersinglepileunderlateralloadsinsandZHUBin1,2,XIONGGen1,2,LIUJin-chao3,SUNYong-xin1,2,CHENRen-peng1,2(1.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.GuangdongElectricPowerDesignInstitute,Guangzhou510000,China)Abstract:Large-diameterpilefoundationsaremoreandmorewidelyusedinoceanengineering.Thecurrentp-ycurveapproachgivenintheAPIcodecannotbeusedforlarge-diameterpilessubjectedtolateralloads.Todealwiththisproblem,thebehaviorsoflarge-diameterpilesinsandunderlateralstaticandcyclicloadingsareinvestigatedbasedonseveralcentrifugalmodeltests.Thecalculationapproachforlateraldisplacementofpileshaftandsoilreactionforceusingthemeasuredbendingmomentofthepileshaftisverified.Staticp-ycurvesoflarge-diameterpilesinbothdryandsaturatedsandsarealsoobtained.Bymodifyingtheinitialstiffnessofp-ycurves,aseriesofhyperbolicp-ycurvesareadoptedtocomputeinternalforceanddeformationoflarge-diameterpiles.Thechangeofdeformationandinternalforceoflarge-diameterpilefoundationsunderone-waycyclicloadingisreleased.Thetestresultsshowthattheheaddisplacementandthemaximummomentofpileshaftalmostlinearlyincreaselogarithmicallywithnumberofcycles.Finallythecyclicp-ycurvesoflarge-diameterpilefoundationsaccordingtobendingmomentofthepileshaftineachcycleareobtained.Acyclicdegradationfactorrelatedtothecyclicstressratioandacorrespondingapproachforanalyzingcyclicdeformationandinternalforceofthepileshaftareproposed.Keywords:centrifugalmodeltest;largediameter;pile;lateralload;sand0引言近海风电机组及塔架体型大，且受风、浪等复杂荷载的耦合作用，因而对支撑风电机组和塔架结构的基础提出了更高的要求。国内外常见的近海风电机组桩基型式包括超大直径单桩基础、三脚架基础、导管架基础和群桩基础等。其中超大直径单桩基础（monopile）直径可达3～8m，即使其它风机群（多）桩基础的基桩直径也达1.5～2.5m。与陆地相比，近海风机桩基础直径明显偏大。目前，p–y曲线法被公认为桩基水平非线性变形───────基金项目：国家自然科学基金项目（51179169，50979097）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（2012FZA4019）；浙江省重点创新团队支持计划项目（2009R50050）收稿日期：2013–02–251808岩土工程学报2013年的最有效分析方法，并被美国石油协会（API）所采用[1]。然而已有研究发现API规范建议的桩基p–y曲线表现了过大的初始刚度[2-3]。更有甚者，桩基p–y曲线受桩径影响很大[2-4]，然而由于API规范p–y曲线是基于桩径小于1.5m桩基的相关试验，对于大直径桩基不能适用。由于风和波浪等荷载的周期性使风电机组基础发生循环累积变形，造成风电机组塔架倾斜，从而影响风电机组的正常服役性能甚至导致其失效破坏，这一问题是风电机组基础设计中需解决的关键难题。国内外学者针对桩基水平循环特性开展了一些理论和试验研究。Reese等[5]认为线弹性土反力模量随深度线性增加。在此基础上有学者采用折减静力土反力模量系数hn来考虑循环效应，如：Broms[6]认为hn的折减与砂性土的密实度有关，并基于40次循环加载的数据建议密实度较低时折减1/4，密实度较高时折减1/2；Davisson[7]则建议循环次数超过50次时hn折减30%；Long等[8]统计了34根桩的循环加载试验数据，认为土反力模量系数hn的折减与循环荷载特性（循环荷载比、循环次数等）、桩的打入方式以及土的相对密实度等相关。另外一种研究思路是折减静力p–y曲线，通过折减非线性土反力模量来考虑循环效应，如Little等[9]建议保持桩身变形y不变，直接折减土反力p；Long等[8]则认为应该同时折减土反力p和桩身变形y，并提出了相应的循环p–y曲线分析法。上述分析方法主要是通过现场加载试验得到，受到循环加载次数等方面的限制，同时试验通常不可重复。而由于水平循环荷载作用下桩周砂性土颗粒错动、致密化等机理非常复杂，数值分析方法往往难以获得理想结果。离心模型试验能够较好地控制试验条件，可重复性好，是另一种有效研究手段。国内外已开展的桩基水平循环加载离心模型试验仍非常有限，代表性工作有：Rosquoet等[10]在干砂中开展了系列桩基水平循环加载试验，提出了与循环荷载大小相关的桩身循环变形计算表达式；国内王富强等[11]则开展了典型饱和砂土地基中近海风机刚性单桩基础的水平循环加载试验，重点研究了桩周土的变形及孔压发展规律。本文通过离心模型试验研究砂性土中大直径柔性单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和特性，提出相应的分析方法，为海洋建构筑物特别是海上风机的大直径桩基础设计提供必要的分析理论和计算方法。1试验原理和设备对于刚性桩，可通过无量纲参数建立1g模型试验与现场原型之间的对应关系，但仍不能保证1g小应力条件下砂土剪胀性与现场实际应力条件下的一致性。对于柔性桩，类似的无量纲参数难以获得，其物理模型更依赖于土工离心机模型试验，以获得较好的模型相似关系[12]。本文试验利用浙江大学ZJU-400土工离心机完成。离心机有效旋转半径为4.5m，吊篮有效容积为1.5m×1.2m×1.5m。离心机容量为400g·t，最大离心加速度为150g。2试验方案2.1地基土的制备与物理力学特性试验砂土选用福建标准砂，平均粒径d50为0.00017m，土粒比重为2.633，最大孔隙比为0.952，最小孔隙比为0.607，试验中地基厚度为0.75m。本文离心模型试验地基土分别为干砂和饱和砂，对于干砂地基，通过人工落雨法制备，落距与相对密实度关系的标定曲线如图1所示，选取0.56m落距最终得到的干砂地基相对密实度为60%～65%。地基土参数见表1。对于饱和砂地基制备，采用真空法对干砂地基进行饱和，模型砂土饱和流体选用羧甲基纤维素钠（CMC）与无气水配制的溶液，CMC与水的质量比为0.82%，30°左右时该配比得到的溶液黏度为83cst，是水的83倍，与试验中离心加速度一致，密度为0.9998g/cm3，与水相近。图1福建砂相对密实度标定曲线Fig.1CalibrationcurveofrelativedensityforFujiansand表1模型试验福建标准砂基本参数Table1ParametersofFujiansandintests内摩擦角/(°)黏聚力/kPa相对密实度天然孔隙比干密度/(g·cm-3)饱和密度/(g·cm-3)峰值残余3935065%0.7271.5241.9452.2模型桩本文试验模型桩由6061号铝合金空心管加工而成，其极限抗拉强度为124MPa，受拉屈服强度为55.2MPa，延伸率为25.0%，弹性模量为68.9GPa，泊松比为0.330，疲劳强度为62.1MPa，截面尺寸为0.03m×0.002m。铝管模型桩桩端用一圆锥形铝块封闭。模型桩与原型桩的抗弯刚度相似比为1∶n4，本文模型试验离心加速度n=83g，模型桩与原型钢管桩之间第10期朱斌，等.砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验1809的参数对应如表2所示。表2模型桩与原型桩参数Table2Parametersofmodelandprototypepiles桩型桩径/m壁厚/m埋深/m抗弯刚度模型桩0.030.0020.61193N·m2原型桩2.50.0455056.66GN·m2模型桩桩身表面共布置15对BF350-2FB(23)-X30型弯矩应变片，泥面以上0.036m布置1对应变片，泥面以下桩身共布置14对应变片，其中桩端以上12对均0.036m等距布置，靠近桩端2对间隔0.090m（如图2）。应变片以全桥方式布置，其导线通过桩身小孔从桩身内部引向桩顶。应变片底层采用CC-33A应变片黏合剂黏合，应变片外层采用环氧树脂保护，为避免外涂层内出现气泡且同时获得均匀厚度的涂层，需多次涂抹（不少于3次）并用砂纸打磨，直到桩身涂层厚度为1～1.5mm，且分布均匀。最后模型桩采用悬臂梁法标定其抗弯刚度及应变片的应变系数。图2模型桩身应变片布置图F