張小龍, 邢 磊, 王 麗, 王多銀*

(1. 重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心,重慶 400074；2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室,重慶400074)

三峽蓄水成庫有效利用了內河航運資源，有力推動了內河航運事業(yè),但同時,內河碼頭建設也因為庫區(qū)施工水位提升遇到了新的困難。鋼管混凝土嵌巖樁可以大大減小樁基枯水位期施工時間,從而在庫區(qū)工程中得到了廣泛應用。重慶港區(qū)的眾多碼頭如寸灘港、果園港、新田港等均采用了這種結構形式,并從最初的4跨5樁式逐漸向3跨4樁式發(fā)展,如圖1所示。

圖1 內河大水位差框架碼頭結構剖面示意圖Fig.1 Structural profile of frame wharf with large water level difference in inland river

鋼管混凝土嵌巖樁主要由兩部分組成,即外部嵌入基巖較淺的鋼管和內部嵌入基巖較深的鋼筋混凝土樁芯,該結構形式可以有效減小樁基枯水位施工時間,結構如圖2所示。鋼管最初僅被作為一種施工輔助工具,然而,由于鋼管的存在,樁芯混凝土處于側向受壓狀態(tài)，鋼管能夠提供均勻且連續(xù)的約束,相當于提高了配筋率,從而鋼管混凝土嵌巖樁具有更高的強度、延性和破壞前更大的能量吸收等特性,各種約束影響因素如表1所示。同時,鋼管混凝土嵌巖樁的承載力也受到地基及其上面淺覆蓋層屬性等因素的影響。因此,基于中外大量研究成果,從鋼管混凝土嵌巖樁的橫向承載特性、縱向承載特性及界面力學特性三方面進行綜述,以揭示鋼管混凝土嵌巖樁的最新研究進展,并指出該領域的后續(xù)研究重點。

圖2 鋼筋混凝土嵌巖樁截面示意圖Fig.2 Section diagram of reinforced concrete rock-socketed pile

表1 不同約束作用下承載力影響因素Table 1 Influencing factors of bearing capacity under different constraints

1 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性

針對鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載力特性的研究主要集中在組合結構抗彎抗剪等方面力學特性,主要結構形式包括雙層鋼管混凝土樁、矩形(方形)截面鋼管混凝土樁、圓形截面鋼管混凝土樁,由于鋼護筒對鋼筋混凝土樁芯的套箍作用,結構表現出了不同的力學特性?，F對中外相關學者的研究從理論分析、數值模擬和室內模型試驗3個方面綜述如下。

1.1 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性理論分析

在理論分析方面,Hajjar等[1]首先將混凝土強度、鋼管強度及鋼管寬厚作為基本參數,建立了用于描述方鋼管內混凝土本構關系的數學表達式,并建立了用于分析方鋼管混凝土滯回性能的兩類理論模型。在對混凝土本構關系進行數值分析時,韓林海等[2]建立了混凝土本構關系模型,該模型分別適用于鋼管普通混凝土和鋼管高強混凝土軸壓構件。Aval等[3]在壓彎構件受到往復荷載作用時,采用纖維模型法對其荷載-變形關系曲線進行了分析。在已有基礎上,Lakshmi等[4]建立了鋼管本構關系模型,該模型可用于有限元分析,且得到了非線性平衡方程,并發(fā)現由平衡方程分析的結果與試驗結果較吻合。后來,肖從真等[5]通過58個鋼管混凝土抗剪試件的試驗研究,得出了鋼管混凝土柱受剪承載力的計算公式,然而其并沒有考慮鋼管的套箍作用。Hu等[6]在已有基礎上得到了一種可以用于開展有限元分析的混凝土材料本構模型。將無銹鋼管與空鋼管高強混凝土試件的試驗結果進行對比,最終Lam等[7]在連續(xù)性強度理論的基礎上,建立了設計表達公式。近年來,吳乃森等[8]運用線性回歸方法對鋼管混凝土受彎構件抗彎剛度疊加理論中的折減系數進行研究,發(fā)現圓形鋼管混凝土構件中混凝土對整體抗彎剛度的貢獻優(yōu)于方形截面鋼管混凝土構件,但其針對方形截面折減系數誤差偏大。蔡健等[9]擬合了方鋼管混凝土柱有限元分析結果,在進一步考慮受到剪跨比和軸壓比影響的基礎下得出了方鋼管混凝土柱的橫向抗剪承載力計算公式,并發(fā)現其計算結果偏于安全。上述研究成果主要針對鋼管混凝土樁結構抗彎抗剪等承載力影響因素展開研究,并基于此建立了本構模型或者設計表達公式,但是較少考慮對不連續(xù)情況下(比如樁芯施工缺陷)結構彎矩剪力等影響的研究。

1.2 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性數值模擬分析

除了理論分析以外,數值模擬是研究鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性的另一重要研究手段。丁發(fā)興等[10]基于有限元軟件ABAQUS,并結合提出的混凝土單軸受力和軸對稱三軸受壓應力-應變公式,分析了不同截面形狀的鋼管混凝土軸壓短柱的力學性能,得出ABAQUS中混凝土塑性損傷本構模型的膨脹角為40°,并指出方、矩形鋼管混凝土的約束套箍作用沒有圓鋼管混凝土明顯,也沒有鋼筋混凝土明顯。通過ABAQUS分析,黃宏等[11]得出在方鋼管混凝土管壁內設置縱向加勁肋時將穩(wěn)定性及極限荷載提高的結論,構件后期延性隨著縱向加勁肋寬度的增加及構件極限荷載增大而增長,但是其研究沒有考慮鋼管混凝土構件力學性能將受到長細比的影響。最近,黃宏等[12]利用軟件ABAQUS研究雙鋼管混凝土管樁壓彎剪性能時發(fā)現構件經歷了彈性階段、彈塑性階段和塑性階段3個破壞階段；同時核心混凝土在荷載作用下也會受到構件內鋼管很大的約束作用,混凝土強度在受到內、外鋼管的共同約束時將提高,同時內、外鋼管的屈曲失穩(wěn)也會由于混凝土的存在而延緩。羅源等[13]采用ABAQUS分析了鋼管自應力混凝土柱抗剪性能的全過程,結果表明其抗剪承載力在剪跨比相同時比普通鋼管混凝土柱高,且自應力越大,抗剪承載力越大,同時剪跨比將會影響自應力對抗剪承載力的提高作用,當剪跨比取值范圍不同時,自應力對抗剪承載力的影響作用也不同。當λ≥0.4時,自應力對抗剪承載力的影響較小；λ<0.4時,自應力對抗剪承載力的影響較大。Fu等[14]對鋼管輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete-filled steel tube, LACFST)在水平循環(huán)荷載作用下的數值分析表明,隨著鋼管厚度的增加,試件的承載力和延性顯著提高。隨著鋼和混凝土強度的提高,構件的承載力提高,延性和耗能性能略有下降。上述研究成果對不同構造形式鋼管混凝土樁在靜荷載下,力學響應過程和承載力影響因素開展了研究,但是沒有涉及動荷載下結構響應,比如橫向沖擊荷載。

1.3 鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載特性的試驗研究

在試驗方面,Braford等[15]首先通過鋼管混凝土柱剪切試驗發(fā)現了鋼管混凝土受壓過程中易過早失穩(wěn)破壞的問題,為了防止鋼管過早發(fā)生局部屈曲,建議試件長徑比不要超過125。王多垠等[16]通過室內模型試驗研究發(fā)現大直徑嵌巖灌注樁在襟邊寬度越來越小以后,大約在樁體地面線下5 cm處,各樁的彎矩均將達到最大值,這對于承受橫向載荷的大直徑嵌巖樁是不利的,它將極易導致樁體的失穩(wěn)或是巖土的漸進破壞。錢稼茹等[17]通過35根鋼管混凝土柱受剪承載力試驗發(fā)現,剪跨比λ=0.5為試件剪切破壞和彎曲破壞的分界點,當剪跨比繼續(xù)增加,達到1≥λ>0.5時,試件為剪彎破壞。后來,聞洋等[18]進行了15根方鋼管混凝土柱的偏心受壓試驗,發(fā)現偏心率和長細比是影響方鋼管混凝土柱承載力的主要因素,偏心率增大,緊箍力對核心混凝土強度的提高減弱,構件的承載力明顯降低,混凝土強度對承載力的影響明顯減小。黃勇等[19]在進行方鋼管和圓鋼管混凝土短柱受剪性能試驗時發(fā)現兩者的破壞形態(tài)接近,破壞均發(fā)生在受剪彎作用最大的底部區(qū)域,為延性破壞,但圓鋼管混凝土試件抵抗變形能力相對較強,表現出了較好的延性。在6個足尺方鋼管混凝土柱試件的抗剪性能試驗中,蔡健等[9]發(fā)現了試件的剪切破壞特點,實驗表明試件剪力-位移曲線表現為3段,分別為彈性段、彈塑性段和塑性段,并通過分析可得出試件在有軸壓、剪跨比小時的抗剪承載力較高。近日,徐禮華等[20]在進行24 根柱試件偏心受壓試驗時發(fā)現,鋼管自應力自密實高強混凝土柱長徑比或偏心距越大,其極限承載力越低,鋼管自應力自密實高強混凝土柱在初始自應力為3～5 MPa時提高9.2%～11.7%。陳東等[21]通過9個碳纖維增強聚合物(carbon fibre reinforced polymer, CFRP)-方鋼管混凝土試件和3個方鋼管混凝土試件的剪切性能試驗研究,發(fā)現橫向CFRP層數對試件承載力的影響不大,引起初始剛度和應力曲線的形狀變化不大,但是其影響程度略大于混凝土強度的變化引起的試件承載力的變化。針對鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載力試驗研究影響因素如表2所示。上述研究成果是對鋼管混凝土樁橫向承載力影響因素展開的研究,但沒有考慮有局部缺陷管樁結構橫向承載特性。

表2 針對鋼管混凝土嵌巖樁橫向承載力試驗影響因素Table 2 Influencing factors of transverse bearing capacity test of concrete filled steel tubular rock-socketed piles

2 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性

鋼管混凝土嵌巖樁在實際工程中主要用于承擔來自上部結構的豎向承載力,結構豎向承載力也是大家研究的重點,由于鋼管的約束效應,基于不同參數的結構的承載力均得到不同程度加強,但力學行為也更加復雜?，F從理論分析、數值模擬和模型試驗方面進行綜述。

2.1 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性的理論分析

在進行理論分析時,Tomii等[22]首先進行試驗,該室內模型實驗在軸壓荷載作用下,采用方形、圓形和八角形截面鋼管混凝土,分別測定了它們黏結強度和滑移之間的關系。隨后,韓冰等[23]通過對受彎構件徐變的分析,在長期荷載作用下,建立了鋼管混凝土受彎構件承載的計算方法,并持有其承載力會在徐變的影響下會降低的觀點。后來韓林海等[24]推導了方鋼管混凝土軸壓強度簡化計算公式,但是在其推導過程中只考慮了內外力平衡的情況而忽略了混凝土之間的滑移。劉潔[25]基于內部的鋼管混凝土樁芯和外部的箍筋兩部分的應力-應變關系,得出了外部箍筋對鋼筋混凝土樁芯的平均約束應力計算公式,并分析了組合柱軸壓荷載-變形曲線規(guī)律,然而其研究中并沒有考慮柱的長細比對截面強度的影響,也沒有考慮3種材料之間的相對滑移。歐智菁等[26]提出了通過計算柱的相對長細比來計算鋼管混凝土柱穩(wěn)定系數的統(tǒng)一算法,并通過模型試驗對該算法進行了試驗驗證,結果表明,該算法的計算結果與試驗結果吻合較好,從而驗證了鋼管混凝土柱穩(wěn)定系數的統(tǒng)一算法的合理性。上述研究成果研究了鋼管混凝土管樁豎向承載力理論本構模型,但缺乏鋼護筒與混凝土樁芯相對滑移及發(fā)展對結構承載力的影響研究。

韓林海等[24]給出的約束效應系數ξ計算公式為

式(1)中:α=As/Ac為剛換混凝土截面含鋼率；fy為剛才屈服極限；fck為鋼筋混凝土抗壓強度；As為鋼管橫截面面積；Ac為混凝土橫截面面積。

2.2 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性的數值模擬分析

在進行數值模擬時,Susantha等[27]分析了方形和矩形鋼管混凝土極限承載力,通過分析結果對兩個不同截面構件的極限承載力進行了對比。陳寶春等[28]利用ANSYS建立了鋼管混凝土結構有限元模型,提出了其極限承載力的計算方法,然而并沒有考慮構件的疲勞強度和動力性能。后來,黃宏等[29]、Mohamed等[30]采用有限元軟件對帶肋筋方鋼管鋼筋混凝土短柱的荷載-變形關系進行了研究,經分析得出設置肋筋不僅改善了核心混凝土的縱向應力,而且明顯減小了鋼管管壁的拉應力作用區(qū)范圍,改善了管壁的穩(wěn)定性,對混凝土核心區(qū)的約束平均提高幅度較大。丁發(fā)興等[31]對3根方鋼管混凝土短柱進行三維實體有限元分析,得出方鋼管混凝土的極限承載力大于混凝土和鋼管兩者承載力之和,并基于有限元參數分析結果和極限平衡理論,建立了方鋼管混凝土柱軸向承載力計算的實用公式,該公式的計算結果精度是最高的,但是其不夠嚴謹,忽略了受力性能還要受到構件尺寸、材料的影響。李召等[32]對方鋼管約束混凝土短柱進行了數值模擬,模擬結構表明,圍壓應力比越大,核心混凝土軸壓承載力越大。Liu等[33]通過三維細觀數值模型分析發(fā)現,隨著試件尺寸的增加,標稱軸向抗壓強度減小,尺寸效應隨著約束系數的增大而減弱。馮忠居等[34]在不同鋼管埋深條件下,模擬了鋼管混凝土復合樁的豎向承載特性,發(fā)現其極限承載力在鋼管埋深增大時將有效提高,但是該結論基于假定材料為均質材料之上,沒有考慮構件豎向承載力會受到局部缺陷的影響。Zhang等[35]針對凍融循環(huán)和酸雨腐蝕相結合的鋼管混凝土短柱,材料強度、鋼比和組合時間等參數的變化對結構的軸壓性能有較大的影響。上述研究成果基本只考慮了結構在靜荷載工況下豎向承載力,較少研究在高頻周期荷載或者快速外荷載下結構承載力。

2.3 鋼管混凝土嵌巖樁縱向承載特性的試驗研究

在試驗方面,呂西林等[36]通過軸心受壓試驗,發(fā)現方鋼管混凝土短柱的延性較空鋼管短柱和素混凝土短柱更好,且與混凝土的強度和寬厚比呈負相關。韓林海等[24]以約束效應系數為基本參數通過軸壓試驗研究,得出試驗數據與理論分析結果一致,從而進一步論證了方鋼管核心混凝土應力-應變關系模型以約束效應系數為基本參數的有效性。周緒紅等[37]建立了考慮鋼管約束作用隨構件長細比增大而降低的軸壓穩(wěn)定承載力計算公式,然而其研究并沒有考慮構件的縱筋率、鋼管徑厚比對鋼管混凝土構件承載力的影響。由于鋼的膨脹比混凝土大,從而導致界面黏結不完善,降低了彈性強度和剛度,因此在早期彈性階段無法充分發(fā)展。為了解決這一問題,Lai等[38]提出以環(huán)的形式來限制混凝土的彈性側向膨脹,從而提高軸向承載力、剛度和降低強度退化率,如圖3所示。

圖3 帶環(huán)的鋼管混凝土短柱Fig.3 Concrete filled steel tubular short column with ring

Ekmekyapar等[39]通過雙層鋼管混凝土軸壓試驗發(fā)現,當鋼管內筒結構合理時,雙層鋼管混凝土柱比鋼管混凝土柱具有更好的性能。此外,內筒結構與筒體混凝土的工作性能一致,對降低高強混凝土的破壞模式具有重要作用。Zhang等[40]對7根方截面鋼管混凝土短柱進行了靜載和沖擊對比試驗,結果表明,鋼管混凝土柱在兩種荷載作用下的破壞模式相似,均表現為鋼管的局部屈曲。Zhou等[41]通過19組試件試驗發(fā)現,斜交結合肋可以有效地提高鋼管混凝土的軸向壓縮力和約束混凝土的復合效應。與無加勁肋的鋼管混凝土試件相比,斜向黏結肋的承載力提高10%～20%,延性提高30%以上。Wei等[42]發(fā)現高強鋼絲網約束顯著提高了鋼管混凝土柱的承載力和峰后剛度,高強鋼絞線間距減小時,鋼管混凝土柱的荷載軸向應變響應可由軟化行為發(fā)展為硬化行為。Liu等[43]通過槽口六角鋼管混凝土短柱軸向荷載試驗表明,鋼管切口可以削弱鋼管對核心混凝土的約束作用,降低試件的極限強度,缺口取向對構件的失效模式影響很大。在管柱中填充常規(guī)混凝土的組合構件的設計已在規(guī)定中得到并明確規(guī)定,但對于再生骨料混凝土填充鋼管構件,現行規(guī)定沒有其他特殊要求,Nour等[44]通過試驗推導出了以鋼管外徑、鋼管厚度和屈服強度、柱長、再生粗骨料取代率和混凝土抗壓強度變量的軸向承載力預測模型,并驗證了正確性。針對鋼管混凝土管樁豎向承載力試驗研究相對比較豐富,但是缺乏鋼護筒嵌巖樁結構在橫向荷載后(比如低周反復荷載或者橫向沖擊/撞擊荷載),結構豎向承載力研究。部分鋼管混凝土嵌巖樁豎向承載力影響因素試驗研究統(tǒng)計如表3所示。

表3 部分鋼管混凝土嵌巖樁豎向承載力試驗影響因素Table 3 Influencing factors of vertical bearing capacity test of concrete filled steel tubular rock-socketed piles

3 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學特性

鋼管與混凝土核心筒的相互作用是鋼管混凝土組合結構設計的關鍵,目前對鋼-混凝土界面的研究主要集中于切向的黏結滑移作用,沒有考慮界面法向力學行為。在鋼管鋼筋混凝土樁中,鋼管限制在混凝土核心上,從而導致了鋼管和混凝土之間的復合作用。詳細研究現狀將從理論分析、數值模擬和模型試驗3個方面展開。

3.1 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學特性理論分析

在理論分析方面,楊有福等[45]對鋼管及核心混凝土間的黏結性能進行了相關研究,提出了鋼-混凝土界面黏結強度的簡化計算公式,并得出了界面黏結應力-相對滑移關系的簡化模型,但其理論模型尚未考慮混凝土齡期和澆筑方式的影響。隨后,王鐵成等[46]在對鋼管與混凝土黏結性能進行研究時,得出鋼管混凝土柱的極限承載力受到鋼管與混凝土之間的黏結的影響并不顯著的結論。劉永健等[47]闡述了鋼管混凝土界面黏結滑移特點和研究現狀,其中對混凝土強度、構件受力狀態(tài)進行了著重分析。Zhu等[48]提出了反應性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)填充圓鋼管和方鋼管承載力的統(tǒng)一計算方法,界面黏結性能和尺寸效應的計算公式與實驗數據吻合較好。Dong等[49]推導了避免脫層的最小約束剛度方程,推導了屈服強度和極限強度的計算公式,并給出了實現一級延性的圖表。

3.2 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學特性的數值模擬分析

在數值模擬方面,胡波等[50]利用ANSYS模擬了鋼-混凝土界面黏結-滑移相互作用,得出構件受壓時,鋼-混凝土界面容易發(fā)生相對脫離,且法向相對滑移較大處縱切向相對滑移也相應較大。之后,姜封國等[51]通過有限元軟件ANSYS,建立了鋼管混凝土柱的水平側移模型,并通過分析發(fā)現黏結強度對鋼管混凝土柱抗側移的影響分為兩個階段,即增強段和穩(wěn)定段,同時提出了關于黏結強度對抗側移性能提高的峰值問題。Schnabl等[52]通過參數化模型研究,鋼管混凝土柱界面柔度可以顯著降低鋼管混凝土柱的臨界屈曲荷載。如果縱向和徑向界面剛度中至少有一個是高的,則在分析和實驗屈曲載荷之間獲得了很好的一致性,界面剛度和邊界條件對鋼管混凝土柱的屈曲荷載影響很大。Ouyang等[53]為了模擬填充混凝土和鋼管之間的相互作用,在它們之間插入了界面單元,如圖4所示。在彈性階段,由于混凝土的泊松比小于鋼的泊松比,混凝土-鋼界面可能發(fā)生分層。在拉伸法向應變下,允許分層,法向應力、法向剛度、剪應力和剪剛度均為零。但在壓縮法向應變下,采用剛法向應力應變關系模擬硬接觸行為,采用摩擦系數為0.5的剛塑性剪切應力應變關系模擬剪切行為。并且發(fā)現增大轉角半徑可以在峰值后階段產生更好的約束,從而改善方形鋼管混凝土柱的峰后性能。陳艷華等[54]建立了鋼筋混凝土界面脫黏研究的三維模型,結果表明鋼筋和混凝土界面的黏結受到摩擦作用的影響很大。上述數值模擬分析方法針對鋼-混凝土界接觸面展開了多方面的嘗試研究,但是沒有對鋼-混凝土界面接觸狀態(tài)變化構成和樁的力學性能的本構關系展開詳細分析。

圖4 矩形截面鋼管混凝土樁數值模型Fig.4 Numerical model of concrete-filled steel tubular pile with rectangular section

3.3 鋼管混凝土嵌巖樁界面力學特性的試驗研究

在試驗方面, Morishita等[55]首次采用推出試驗方法對鋼管-混凝土界面黏結性能進行研究,并對圓形、方形、八邊形鋼管混凝土構件進行了推出試驗。薛立紅等[56-57]通過開展32個鋼管混凝土樁的推出試驗,發(fā)現樁芯混凝土強度、混凝土養(yǎng)護條件及鋼管表面光滑程度對鋼-混凝土界面黏結強度影響顯著,但界面長度對界面黏結強度幾乎無影響,并首次通過反復推出試驗,確定了界面摩阻力對界面黏結強度的影響,但其研究并沒有考慮混凝土的初始應力的影響。后來,Qu等[58]通過對矩形鋼管-混凝土界面結構的反復推出試驗,研究了鋼-混凝土界面黏結強度、黏結應力分量的分配和宏觀機械咬合力的發(fā)展,解釋了黏結力發(fā)展的機制,獲得了界面黏結應力的分布規(guī)律,提出了臨界剪力傳遞長度的概念。許開成等[59]通過對4個鋼管混凝土試件的推出試驗,得到了黏結應力-滑移本構關系,并得到了物理試驗模型的驗證,不足之處為其研究只考慮到了單軸應力狀態(tài)。周鵬華等[60]進行了自應力自密實高強混凝土柱和鋼管自密實混凝土柱試件的試驗,提出了其抗剪黏結強度的計算公式,但其研究僅考慮混凝土強度和自應力。雙層鋼管混凝土(concrete-filled steel tubular, CFST)柱,減少了混凝土拱起作用,提供更均勻的圍壓,但存在的缺點是彈性階段出現界面黏結不完善,降低了彈性強度和剛度。Dong等[61]通過試驗表明,環(huán)約束雙皮鋼管混凝土柱的剛度、軸向承載力和延性明顯高于無約束柱。目前鋼管混凝土樁(柱)鋼-混凝土界面的研究主要集中在軸向混凝土樁芯推出試驗方面,涉及樁芯混凝土和鋼管整個接觸截面,缺乏樁身在局部范圍以內受到外部荷載時,界面劣化和力學特征的研究。

4 結論

通過幾十年的不斷探索和工程實踐應用,中外學者對鋼管混凝土嵌巖樁的研究成果比較豐富,從各個方面研究鋼管混凝土嵌巖樁承載力能力及其影響因素。然而樁基結構包括鋼管混凝土嵌巖樁的靜荷載承載力富余量一般都較高,特別是縱向,但是對動荷載下鋼管混凝土嵌巖樁的研究不是很多。因此未來,以下幾個方面有待進一步研究。

(1)物理模型實驗方面。采用在結構上粘貼應變片通過應變儀采集數據仍是目前結構實驗的主流方法,但是應變片無法較好地測量鋼管里面鋼筋混凝土樁芯表面應變以及鋼筋混凝土樁芯里面的應變,在結構澆筑好后,往往發(fā)現里面的應變片已經壞掉,或者有的應變片在未知的情況下發(fā)生了位移,可考慮高精度的超聲波CT成像技術檢測結構內部應變。

(2)鋼管混凝土嵌巖樁組合結構本構模型。對于鋼-混凝土組合結構,其力學特性受到混凝土和鋼筋兩種材料的影響,可以基于已知的混凝土、鋼材(鋼管、鋼筋、肋筋)本構模型及相應的泊松比,運用連續(xù)介質力學和斷裂力學理論,對組合結構進行彈塑性分析,未來應結合理論和試驗相結合的方法開展專題研究。

(3)組合結構橫向動力響應特性。樁基豎向承載能力一般富余量較大,對于偶然橫向動荷載的承載力相對較低,但反而研究較少。目前動力響應特性的研究主要集中在單一材料結構上,并且主要是基于某種假設上的理論研究,缺乏對鋼筋混凝土嵌巖樁這種包括混凝土樁芯、鋼筋、鋼管(含肋筋)、地基等組合結構的在動荷載下其模態(tài)和震動響應的研究,尤其是橫向沖擊荷載。

(4)鋼管混凝土嵌巖樁在橫向沖擊荷載下,局部界面劣化機理研究。鋼-混凝土界面結合情況關系到鋼護筒和鋼筋混凝土樁芯能否良好地協(xié)同工作,目前針對界面的研究主要集中切向的黏滯力和摩擦力,立足點在整個接觸界面,但是缺乏結構在受到橫向沖擊荷載時,局部大應變甚至破壞的界面研究,韓林海等[24]提出的約束效應系數ξ又是如何發(fā)揮作用的,局部界面的劣化情況及其對整個結構承載力的衰減的影響等均未明了,且結構的這種薄弱環(huán)節(jié)決定了整個樁基結構的承載力,這恰恰是最需要研究的薄弱環(huán)節(jié)。

(5)鋼管混凝土嵌巖樁在橫向沖擊荷載下,樁基嵌入段局部劣化機理研究。該處也是靜荷載時樁基結構的薄弱環(huán)節(jié),但是橫向動荷載或者沖擊荷載的作用時間一般較短,無法達到樁受到的靜荷載時傳遞的地基深度,故在更小的局部范圍內,在樁基嵌入段局部,地基-鋼管-混凝土樁芯結構的吸能和多層界面劣化發(fā)展也缺乏相關的研究,這也是鋼管混凝土嵌巖樁橫向動荷載承載力能力下一個階段研究重點。