測試海洋工程樁-土動力響應(yīng)的多荷載耦合加載裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

胡瑞庚， 劉紅軍，2，3*, 王兆耀， 于 鵬

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室, 青島 266100；3.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，青島 266100)

近年來，海洋工程獲得迅速發(fā)展，樁基礎(chǔ)在近海風(fēng)機、近海鉆井平臺、港口碼頭、跨海大橋等海洋工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。海洋工程樁基礎(chǔ)工作環(huán)境復(fù)雜、受力形式多樣，除了承受上部結(jié)構(gòu)的自重荷載，同時受到風(fēng)、波浪等水平循環(huán)荷載的長期作用[2]。此外，在港口碼頭、跨海大橋等領(lǐng)域，樁基礎(chǔ)還受到上部來往車輛與移動工作機組產(chǎn)生的豎向循環(huán)荷載作用。碼頭結(jié)構(gòu)在工作期間還會受到冰荷載及船的撞擊荷載作用。多個循環(huán)荷載作用會引起樁周土體剛度弱化，導(dǎo)致安裝在樁基礎(chǔ)上方的支撐結(jié)構(gòu)傾斜，從而影響上部結(jié)構(gòu)的正常服役性能甚至失效破壞[3-5]，因此，開展多荷載耦合作用下海洋工程樁基礎(chǔ)-土動力響應(yīng)的研究十分必要。

由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，對海洋工程樁基礎(chǔ)進行現(xiàn)場循環(huán)加載試驗較為困難，所以目前主要采用模型試驗的方法對循環(huán)加載下樁基礎(chǔ)-土的動力響應(yīng)進行研究[1,3,6]。而開展此類模型試驗的關(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，常用的加載裝置多為與作動器連接的伺服液壓加載系統(tǒng)、高能激振器和離心模型機，海洋工程結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)、波浪等水平循環(huán)荷載的頻率為0.01～0.1 Hz[2]，一般伺服液壓加載系統(tǒng)難以滿足，而采用高能激振器和離心模型機價格昂貴，試驗成本高昂。

鑒于以上循環(huán)加載模型試驗的局限性，國內(nèi)外學(xué)者對循環(huán)加載裝置進行了相應(yīng)的研究。Rovere等[7]、Roesen等[8]分別設(shè)計了一種用于吸力桶基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的水平循環(huán)加載裝置，能分別施加固定頻率的單向、雙向水平循環(huán)荷載，但帶有電動機的水平桿一端與模型箱外壁鉸接，兩者之間的摩擦力影響施加荷載的特性。Zhu等[9]、孫永鑫[10]對Rovere設(shè)計的加載裝置進行了改進，孫永鑫改進后裝置的電動機不再與模型箱外壁鉸接連接，而是裝在平衡梁一端，平衡梁與固定支架采用刀口形式接觸，提高了荷載施加的準(zhǔn)確性。黃茂松等[11]、管友海等[12]設(shè)計了一種模擬長期循環(huán)荷載作用的試驗系統(tǒng)，能同時施加水平、豎向循環(huán)荷載，但輸出的水平和豎向循環(huán)荷載的幅值、頻率相等，當(dāng)兩個方向的荷載同時施加時不能獨立控制單個荷載的特性。王立忠等[13]采用與激振器連接的剛性連桿對模型鋼管樁施加水平循環(huán)荷載，但在試驗中需每隔一段時間斷開連接桿測試模型的動力參數(shù)，操作煩瑣，容易對樁周土體產(chǎn)生擾動。余璐慶等[14]對王立忠等[13]設(shè)計的加載裝置進行了改進，采用齒輪系統(tǒng)施加循環(huán)荷載，能施加不同幅值和頻率的簡諧荷載，且操作簡便?？芎＠诘萚15]設(shè)計了一種循環(huán)荷載作用下嵌巖鋼管樁加載試驗裝置，通過與模型樁兩側(cè)連接的鋼塊砝碼施加雙向水平循環(huán)荷載，由于需人為放置砝碼實現(xiàn)水平循環(huán)荷載的施加，測試精度低，加載次數(shù)有限，且不易控制加載頻率。汪明元等[3]設(shè)計了一套適用于室內(nèi)模型試驗的水平循環(huán)荷載加載裝置，裝置可輸出不同幅值和頻率的單向、雙向水平循環(huán)荷載，并利用該裝置對單樁模型基礎(chǔ)進行水平循環(huán)加載試驗研究。

考慮到已有循環(huán)加載裝置的缺點和不足，研制出測試海洋工程樁基礎(chǔ)-土動力響應(yīng)的多荷載耦合循環(huán)加載裝置，該裝置結(jié)合海洋工程樁基礎(chǔ)全生命周期的受荷特點，能同時或分別施加水平循環(huán)荷載、水平?jīng)_擊荷載和豎向循環(huán)荷載，能得到多荷載耦合作用下海洋工程樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)及樁土相互作用導(dǎo)致的樁周土剛度弱化規(guī)律，對海洋工程樁基礎(chǔ)的設(shè)計和維護具有重要意義。

1 多荷載耦合循環(huán)加載裝置的研制

所要研制的多荷載耦合循環(huán)加載裝置要盡可能完整地模擬海洋工程結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)全生命周期的受荷狀態(tài)，即風(fēng)和波浪等水平循環(huán)荷載、上部來往車輛與移動工作機組產(chǎn)生的豎向循環(huán)荷載和海冰、船的撞擊荷載，故裝置需要具有同時裝配的水平循環(huán)荷載加載裝置、豎向循環(huán)荷載加載裝置和水平?jīng)_擊荷載加載裝置。

研制的多荷載耦合循環(huán)加載裝置如圖1所示，它包括長方體模型箱、模型鋼管樁、固定支架、水平循環(huán)荷載加載裝置、豎向循環(huán)荷載加載裝置和水平?jīng)_擊荷載加載裝置。其中長方體模型箱尺寸為：3 m×1.2 m×1.6 m(長×寬×高)，由角鋼骨架和透明有機玻璃組成，角鋼骨架的四面通過透明有機玻璃密封成型，模型箱內(nèi)裝填試驗?zāi)M的海床地基，海床地基底部為由礫石、PVC排水管、無紡?fù)凉げ冀M成的20 cm厚的排水系統(tǒng)；模型鋼管樁由無縫不銹鋼材料加工而成，壁厚2.5 mm，埋置于海床地基頂端中部；固定支架由10 mm厚的角鋼焊接而成，放置在平整地面上。

1.1 水平循環(huán)加載裝置的工作原理

1.1.1 單向水平循環(huán)荷載

水平循環(huán)加載裝置如圖2所示，刻度盤與電動機Ⅰ的機身焊接連接，剛性轉(zhuǎn)桿與電動機Ⅰ的轉(zhuǎn)軸螺栓連接，剛性轉(zhuǎn)桿、剛性連桿、滑塊、鉸接式接頭組成對心曲柄滑塊機構(gòu)，滑塊放置在水平循環(huán)加載導(dǎo)軌上，通過電動機Ⅰ轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動帶動對心曲柄滑塊機構(gòu)的運動實現(xiàn)水平循環(huán)荷載的施加。

假設(shè)電動機的輸出功率為P，對于兩相電動機，輸出扭矩M[16]為

1為模型箱；2為排水系統(tǒng)；3為模型鋼管樁；4為水平循環(huán)加載支架；5為水平加載鋼環(huán)；6為定滑輪Ⅰ； 7為鋼絲繩Ⅰ；8為力傳感器；9為定滑輪Ⅱ；10為鋼絲繩Ⅱ；11為砝碼加載盤；12為位移傳感器；13為水平循環(huán)加載板；14為彈簧Ⅰ；15為滑塊；16為水平循環(huán)加載導(dǎo)軌；17為鉸接式接頭；18為剛性連桿；19為剛性轉(zhuǎn)桿；20為轉(zhuǎn)軸；21為電動機Ⅰ；22為刻度盤；23為電動機Ⅱ；24為變頻調(diào)速器；25為轉(zhuǎn)盤；26為繞線器；27為鋼絲繩Ⅲ；28為定滑輪Ⅲ；29為豎向循環(huán)加載導(dǎo)軌；30為小車；31為定滑輪Ⅳ；32為鋼絲繩Ⅳ；33為豎向循環(huán)上加載板；34為彈簧Ⅱ；35為豎向循環(huán)下加載板；36為卡扣；37為豎向循環(huán)加載支架；38為固定支架；39為鋼絲繩Ⅴ；40為定滑輪Ⅴ；41為撞擊桿；42為沖擊加載斜導(dǎo)軌；43為拉桿；44為彈簧Ⅲ；45為轉(zhuǎn)桿；46為滑軸；47為拉鉤；48為聯(lián)軸Ⅰ；49為聯(lián)軸Ⅱ；50為沖擊加載小車；51為沖擊加載水平導(dǎo)軌；52為沖擊荷載加載板；53為U形卡扣圖1 多荷載耦合循環(huán)加載裝置示意圖Fig.1 Schematic of multi-load coupled cyclic loading device

圖2 水平循環(huán)加載裝置示意圖Fig.2 Schematic of lateral cyclic loading device

(1)

式(1)中：n為電動機轉(zhuǎn)速，r/s。假設(shè)電動機輸出水平循環(huán)荷載的周期為T(s)，則加載頻率f為

(2)

對心曲柄滑塊的受力如圖3所示。

圖3 對心曲柄滑塊的受力示意圖Fig.3 Schematic of force condition of center crank slider

根據(jù)圖3可得出以下關(guān)系：

Fh=Fcosφ

(3)

(4)

式中：F為剛性轉(zhuǎn)桿與剛性連桿鉸接點處的力，N；Fh為F沿x方向的分力，N；Ft為F沿與剛性轉(zhuǎn)桿垂直方向的分力，N；θ為剛性轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)角(°)；φ為剛性連桿與x軸正方向的夾角，(°)；

將式(4)代入式(3)可得：

(5)

對心曲柄滑塊機構(gòu)一般L>>4r(r為剛性轉(zhuǎn)桿的長度)，這時φ趨近于0[17]，式(5)可寫為

(6)

電動機的輸出扭矩M為[18]

M=Ftr

(7)

聯(lián)立式(1)、式(7)可得:

(8)

將式(8)代入式(6)得：

(9)

式中：ω為剛性轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動的角頻率，rad/s;t為剛性轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動的時間，s。

圖4 滑塊-彈簧系統(tǒng)受力示意圖Fig.4 Force diagram of slider-spring system

圖5 系統(tǒng)輸出的水平作用力隨θ的變化曲線Fig.5 The curve of system-output horizontal force with θ

根據(jù)式(9)和圖5，保持電動機Ⅰ的轉(zhuǎn)速n不變，改變轉(zhuǎn)桿與連桿的連接長度可實現(xiàn)在同一加載頻率下，施加不同幅值的水平循環(huán)荷載。

同時調(diào)節(jié)n和r且滿足nr=常數(shù)，可以在相同荷載幅值下施加不同頻率的水平循環(huán)荷載。

1.1.2 雙向水平循環(huán)荷載

圖6 雙向循環(huán)加載示意圖Fig. 6 Schematic of two-way cyclic loading

圖8 水平?jīng)_擊荷載加載裝置示意圖Fig.8 Schematic of horizontal impact loading device

由式(9)及圖5可得，當(dāng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)至θ=45°位置時，滑塊-彈簧系統(tǒng)輸出的水平作用力為

(10)

(11)

圖7 系統(tǒng)輸出的水平作用力F″h隨θ的變化曲線Fig.7 The curve of system-output horizontal force F″h with θ

1.2 水平?jīng)_擊荷載加載裝置的工作原理

水平?jīng)_擊荷載加載裝置如圖8所示。

由圖8可以看出，自動撞擊脫鉤器的拉鉤與小車相連，拉桿與鋼絲繩Ⅴ相連并繞過定滑輪Ⅴ與轉(zhuǎn)盤上的繞線器相連。啟動電動機Ⅱ，轉(zhuǎn)盤帶動繞線器轉(zhuǎn)動，連接在繞線器上的鋼絲繩Ⅴ通過自動撞擊脫鉤器帶動小車沿傾角為θ的導(dǎo)軌向上運動，此時自動脫鉤器的轉(zhuǎn)桿在彈簧Ⅲ的作用下處于垂直狀態(tài)，拉鉤末端A位于拉桿上的聯(lián)軸Ⅱ與滑軸之間，使拉鉤卡住固定，當(dāng)轉(zhuǎn)桿運動至撞擊桿處，轉(zhuǎn)桿與撞擊桿發(fā)生碰撞，轉(zhuǎn)桿克服彈簧Ⅲ的彈力并繞聯(lián)軸Ⅱ順時針轉(zhuǎn)動，滑軸向拉鉤頂端B滑動，帶動拉鉤繞聯(lián)軸Ⅰ順時針轉(zhuǎn)動，使小車脫鉤。小車脫鉤后沿傾角為θ的導(dǎo)軌向下運動，進入水平導(dǎo)軌，撞擊安裝在模型樁上的加載板，實現(xiàn)水平?jīng)_擊荷載的施加。

假設(shè)模型樁為彈性體，端部為固定約束，則模型樁受沖擊荷載時的受力示意圖可簡化為圖9。

圖9 模型樁受沖擊荷載過程的簡化示意圖Fig.9 Simplified schematic of impact loading process of model Pile

假設(shè)桿為彈性體，在桿的變形過程中，積蓄在桿內(nèi)的應(yīng)變能Vε為

(12)

式(12)中：Fd為小球?qū)U的沖擊力，N。

根據(jù)橫向集中力作用下懸臂梁撓度的計算公式[19]，可得桿在C點的沖擊位移為Δd為

(13)

式(13)中：h為小球沖擊點距地面的距離，m；EI為桿的抗彎剛度，Pa·m4。

由式(12)、式(13)可得：

(14)

由彈性體的功能原理，在彈性體變形過程中，積蓄在彈性體內(nèi)的應(yīng)變能Vε在數(shù)值上等于外力所做的功W[19]， 即：

(15)

由式(15)可得：

(16)

(17)

水平?jīng)_擊荷載作用下的動荷因數(shù)Kd為

(18)

水平?jīng)_擊荷載Fd為

(19)

要利用式(19)求得小車的水平?jīng)_擊力Fd，需要求出小車沖擊模型樁時的速度v，圖10為小車沖擊模型樁前的運動示意圖。

圖10 小車運動示意圖Fig.10 Schematic of trolley movement

如圖10所示，小車在電動機的輸出力FT作用下，由A處靜止?fàn)顟B(tài)運動至B處，撞擊脫鉤器在B處被撞擊桿撞擊脫鉤，小車沿傾角為θ的斜面向下運動，進去水平導(dǎo)軌以速度v在C處沖擊模型樁，假設(shè)導(dǎo)軌光滑，小車由A處運動至B處所需時間為t，則小車在A→B→C的運動過程中滿足：

(20)

式(20)中：η為電動機的機械效率。

由式(20)求出小車的沖擊速度，并代入式(19)得水平?jīng)_擊荷載Fd為

(21)

1.3 豎向循環(huán)荷載加載裝置的工作原理

裝置可利用與電動機相連的鋼絲繩Ⅲ帶動小車沿導(dǎo)軌運動，引起與加載板相連的彈簧Ⅱ伸長或壓縮，對模型樁施加豎向循環(huán)荷載，加載裝置見圖11。

圖11 豎向循環(huán)加載裝置示意圖Fig.11 Schematic of vertical cyclic loading device

1.3.1 豎向受拉循環(huán)荷載

裝置豎向受拉循環(huán)加載示意如圖11、圖12所示，鋼絲繩Ⅲ繞過定滑輪Ⅴ與電動機Ⅱ相連，鋼絲繩Ⅳ繞過定滑輪Ⅳ與彈簧Ⅱ及加載板相連，加載板通過卡扣與模型樁相連。

圖12 豎向循環(huán)加載原理示意圖Fig.12 Work principle diagram of vertical cyclic loading device

由式(1)、式(7)可得鋼絲繩Ⅲ中的拉力Fr為

(22)

轉(zhuǎn)盤通過鋼絲繩Ⅲ帶動小車在導(dǎo)軌上的BC間運動，通過調(diào)整鋼絲繩Ⅲ的長度使小車處于B點，轉(zhuǎn)盤上的D點位于刻度盤0°位置時，彈簧Ⅱ處于原長狀態(tài)，則小車在BC間運動時，彈簧Ⅱ處于伸長狀態(tài)，啟動電動機，保持電動機Ⅱ的n和r不變，彈簧Ⅱ通過與模型樁卡扣連接的下加載板施加豎向受拉循環(huán)荷載，所施加豎向作用力(沿y軸向上為正)的變化曲線見圖13。

圖13 系統(tǒng)輸出的豎向作用力FY隨θ的變化曲線Fig.13 The curve of system-output vertical force FY with θ

圖13中系統(tǒng)輸出的豎向作用力最大值FY,max通過式(23)計算：

FY,max=Ft=kΔxmax

(23)

式(23)中：k為彈簧剛度系數(shù)，N/m; Δxmax為彈簧最大變形量，mm。

1.3.2 豎向受壓循環(huán)荷載

將上加載板換成質(zhì)量為m的質(zhì)量塊，且滿足mg>Ft，轉(zhuǎn)盤通過鋼絲繩Ⅲ帶動小車在導(dǎo)軌上的CB間運動，通過調(diào)整鋼絲繩Ⅲ的長度使小車處于C點，轉(zhuǎn)盤上的D點位于刻度盤180°位置時，彈簧處于原長狀態(tài)，則小車在CB間運動時，彈簧Ⅲ處于壓縮狀態(tài)，啟動電動機Ⅱ，保持電動機Ⅱ的n和r不變，彈簧Ⅱ通過與模型樁卡扣連接的下加載板施加豎向受壓循環(huán)荷載，所施加豎向作用力F′Y(沿Y軸向上為正)的變化曲線見圖14。

圖14 系統(tǒng)輸出的豎向作用力F′y隨θ的變化曲線Fig.14 The curve of system-output vertical force F′y with θ

圖14中系統(tǒng)輸出的豎向作用力最大值F′Y,max通過式(24)計算：

F′Y,max=mg-Ft=kΔxmax

(24)

2 結(jié)論

結(jié)合海洋工程樁基礎(chǔ)全生命周期的受荷特點，研制了一種測試海洋工程樁基礎(chǔ)-土動力響應(yīng)的多荷載耦合循環(huán)加載裝置，對裝置各個模塊的工作原理進行了詳細闡述，并推導(dǎo)了各模塊工作時輸出力的大小和規(guī)律。

(1)水平循環(huán)加載模塊，通過變頻電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動帶動對心曲柄滑塊機構(gòu)中的滑塊在導(dǎo)軌上水平往復(fù)運動，從而實現(xiàn)水平循環(huán)荷載的施加。

(2)水平?jīng)_擊加載模塊，變頻電動機的轉(zhuǎn)盤帶動繞線器轉(zhuǎn)動，通過鋼絲繩與繞線器連接的沖擊加載小車沿傾角為θ的導(dǎo)軌向上運動至撞擊桿處時，連接在沖擊加載小車上的撞擊脫鉤器與撞擊桿發(fā)生碰撞后自動脫鉤，沖擊加載小車進入水平導(dǎo)軌，撞擊安裝在模型樁上的加載板，實現(xiàn)水平?jīng)_擊荷載的施加。

(3)豎向循環(huán)加載模塊，利用與變頻電動機相連的鋼絲繩帶動小車沿導(dǎo)軌運動，引起與加載板相連的彈簧伸長或壓縮，通過與下加載板連接的卡扣實現(xiàn)豎向循環(huán)荷載的施加。

該裝置能得到多荷載耦合作用下海洋工程樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)及樁土相互作用導(dǎo)致的樁周土剛度弱化規(guī)律，對海洋工程樁基礎(chǔ)的設(shè)計和維護具有重要意義。