水平撞击下桩—土复合体系动力作用特性试验研究_王祥秋.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023水平撞击下桩 土复合体系动力作用特性试验研究王祥秋，廖镇源，陈世超(佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528000)摘要:以重载车辆撞击公路跨线桥桥墩为研究背景，基于动力相似试验原理以及微粒混凝土等相似试验材料，构建重载车辆水平撞击作用下的缩尺试验模型。基于 4 种不同水平撞击试验工况，系统分析了不同撞击动量作用下桩 土复合体系动力响应以及桩 土接触面动力相互作用特性，并基于超声波损伤识别理论，分析研究了不同水平撞击能量作用下桩身动力损伤演化规律。结果表明:当撞击速度较低时，撞击力峰值随撞击速度的增大呈非线性增长，当撞击速度超过某一水平时，撞击力峰值增长率趋于稳定;水平撞击动量与撞击能量愈大，桩身的撞击损伤程度愈严重，桩身动力损伤指标 D 与水平撞击动量 p 和撞击动能 Ek均呈二次函数关系;水平撞击荷载作用下，桩身破坏模式主要表现为被撞击一侧的拉伸破坏，桩身正反两侧桩土接触面会产生较大量值的瞬态动土压力增量，提高桩侧土体的抗压强度可有效提高桩 土复合体系抗水平撞击能力。关键词:桩 土复合体系;水平撞击;模型试验;桩 土动力作用;撞击损伤中图分类号:TU3521文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0513-08Experimental Study on Dynamic Interaction Characteristics ofPier-Pile Composite System under Horizontal ImpactWang Xiangqiu，Liao Zhenyuan，Chen Shichao(School of Transportation and Civil Architecture，Foshan University，Foshan，Guangdong 528000，P China)Abstract:Based on the principle of dynamic similarity test and similar test materials such as particulateconcrete，a scale test model under horizontal impact of heavy vehicles is established And based on fourdifferent horizontal impact test conditions，the dynamic response of pile-soil composite system under differentimpact momentum and the dynamic interaction characteristics of pile-soil interface are analyzed systematically Basedon the ultrasonic damage identification theory，the dynamic damage evolution law of pile under different horizontalimpact energy is analyzed The results show that when the impact velocity is low，the peak value of impact forceincreases nonlinearly with the increase of impact velocity，and when the impact velocity exceeds a certainlevel，the growth rate of peak value of impact force tends to be stable The greater the horizontal impact momentumand impact energy，the more serious the impact damage degree of pile The dynamic damage index D of pile isquadratic function with horizontal impact momentum p and impact kinetic energy Ek Under the horizontal impactload，the main failure mode of the pile is tensile failure on the impacted side，and a large amount of transient earthpressure increment will be generated on the pile-soil interface on both sides of the pile Improving the compressivestrength of the soil on the pile side can effectively improve the horizontal impact resistance of the pile-soil compositesystemKeywords:composite system of soil-pile;horizontal impact;model test;dynamic interaction of pile and soil;impact damage收稿日期:2022-12-06(修改稿)作者简介:王祥秋(1968)，男，湖南衡阳人，博士，教授，主要从事岩土动力学与地下结构抗震减振理论研究。E-mail:tongji_Wxq 163com基金项目:国家自然科学基金(51278121);广东省特色创新重点项目(2018KTSCX247);广东省自然科学基金(2023A1515012085)0引言重载车辆撞击公路跨线桥桥墩给桥梁工程运营安全产生重大隐患。为此，国内外学者针对车辆撞击桥墩问题开展了大量研究工作。EI-Tawil等1、李界全等2 通过撞击试验，获取了车桥碰撞力变化规律与桥墩碰撞力计算方法。Chu 等3 基于离心机缩尺模型研究了群桩撞击力学特性，测试了撞击力的变化规律。辛纬韬等4、徐小剑5 通过数值模拟分析了不同撞击工况下群桩基础的水平承载力以及船桥撞击力变化规律。尚正祥等6 通过构建饱和土结构性动力本构模型，分析桩 土界面力学行为对桩基动力反应特性的影响。夏佩云7、周红杰等8 基于 ANSYS 有限元软件建立桩基模型，研究桩土相互作用对桩身水平承载力的影响。刘山9、董锐10 将桥墩视为底端固定约束的结构体系，基于混凝土桥墩缩尺试验或采用数值模拟分析了车辆撞击下桥墩损伤特性，张学峰等11 基于 ABAQUS 建立高承台基础桥墩三维模型，模拟各种工况下桩基损伤状态，并提出了相应的损伤评价法。上述各项研究工作为分析车辆撞击桥墩的力学性态奠定了良好的基础。但目前国内外关于车桥碰撞的研究主要集中在车辆碰撞荷载以及墩柱动力响应数值仿真模拟等方面，综合考虑桩基及其桩周土体对桥墩在水平撞击荷载作用下的动力响应特性的影响研究尚不够完善。本文以珠三角某公路跨线桥为研究背景，通过缩尺模型试验研究水平撞击荷载作用下桥墩桩基复合体系动力损伤以及桩 土动力相互作用特性，从而为完善车辆撞击荷载作用桥墩 桩基复合体系动力学分析理论提供试验研究基础。1模型设计依据珠三角某公路跨线桥设计尺寸与荷载工况，根据相似试验理论进行设计，并考虑到本次模拟试验的主要目的在于研究桥墩 桩基复合体系中工程桩的动力响应与撞击损伤特性。缩尺模型主要遵循以下相似原则:(1)桥墩桩基复合结构体系满足几何相似比;(2)桥墩 桩基的动力学参数满足相似比;(3)碰撞动量满足相似比。根据第三相似定理，由于材料弹性模量相似系数 E、材料密度相似系数、几何尺寸相似系数l为已知值，由各物理量的量纲关系及以上相似准则，可推算出各物理量的相似比如表 1 所示。表 1模型主要相似关系Table 1Main similarity relations of the mode物理量量纲相似系数相似比时间Tt01长度Ll01动量MLT1p0001加速度LT2a10力MLT2F001密度ML31应力ML1T21应变L1L1泊松比/1弹性模量ML1T2E1频率T1f102模型制作21材料选择缩尺试验模型中桩基选用微粒混凝土制作。微粒混凝土采用粒径为 2550 mm 的中等颗粒作为粗骨料(占骨料总体积 60%)，粒径小于125 mm的细小颗粒作为细骨料(占骨料总体积40%)。模型桩微粒混凝土配合比为水 水泥 骨料=06 1 375，混凝土强度等级为 C30，弹性模量为 318 GPa。钢筋采用直径为 4 mm 的镀锌铁丝，铁丝的抗拉强度为 80 MPa，弹性模量为 206 GPa。桩周土选用模数为 21、级配良好的干砂，其平均粒径为 031 mm，其他物理力学参数如表 2 所示。表 2干砂物理力学参数表Table 2Physico-mechanical parameters of dry sand材料名称干重度/(kNm3)泊松比内摩擦角/()压缩模量Es/MPa密实度干砂167023382907232模型尺寸根据模型试验几何相似比，桩基截面直径为 011 m，桩身长度为 2 m。为简化模型设计，将桥墩与承台按相似比简化为质量块，桥梁上部结构荷415地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷重通过千斤顶加载进行模拟，箱梁与支座之间的摩擦效应则通过设置于桩顶与千斤顶底座之间的橡胶垫进行模拟，试验模型的具体参数如图 1所示。图 1模型试验图Fig1Model test diagram23试验设备试验采用自主研发的冲击摆锤装置以及岩土工程模型试验箱。数据采集选用 DH3802 型多通道动态应变采集分析仪，采集频率为 50 kHz，微骨料混凝土应变量测选用灵敏系数为 21 的防水性聚胺脂精密级电阻应变片。采用 CYG712 型电阻应变 式 微 型 土 压 力 盒(直 径 为 3 cm，量 程 为500 kPa)量测桩土间动土压力。桩顶和摆锤头部布设东华 1A503C 压电式加速度传感器，以量测摆锤瞬时撞击加速度;试验过程中采用非金属超声波检测仪对桩身损伤程度进行同步监测。24试验工况为了模拟车辆撞击桥墩的实际受力状态，桥墩桩基复合体系撞击试验中，水平撞击部位设定为桩顶部位(相当于高承台桩的承台部位)。撞击动量大小，即撞击速度和撞击质量遵循动量相似原则进行设计。交通事故统计数据表明，对公路跨线桥桥墩 桩基复合体系产生较大撞击损伤的一般均为大中型货车，本次试验重点模拟大型货车(载重20 t)以 1854 km/h 速度撞击桥墩，相应的撞击动量值为 11053105kgm/s，经表 1 中动量相似比推算出模型试验撞击动量值应为 100 300kgm/s。因此，本文共设计了 4 组撞击试验工况，各工况的试验参数如表 3 所示。表 3撞击试验工况Table 3Impact test conditions试验工况撞击速度/(ms1)撞击动量/(kgms1)撞击能量/J桩顶荷载/N工况一1010005002 000工况二15150011252 000工况三20200020002 000工况四30300045002 000注:各试验工况中，摆锤质量为 100 kg3试验结果及分析31撞击加速度与撞击力分析由试验结果可得不同撞击工况下撞击瞬时的加速度时程(如图 2)。由图 2 可知，不同撞击工况下，桩顶撞击点的瞬时加速度时程变化曲线基本一致，即在碰撞发生后