剛性樁復(fù)合地基模型在擬動力試驗下的樁身反應(yīng)研究

焦 濤1，李梁慧，劉德輝

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064； 2.河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 開封 475004)

1 概述

隨著人類活動的需要以及社會城市化的發(fā)展，大多數(shù)天然地基已不能完全滿足工程的要求，所以剛性樁復(fù)合地基應(yīng)運而生。剛性樁復(fù)合地基主要通過具有較大剛度的樁(混凝土樁以及具有較高強度等級的CFG樁等)對強度或變形不能符合要求的地基進行加強而形成的一種非均質(zhì)人工地基[1]。此類地基造價低并且具有較強的承載能力，因而在土木工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。

剛性樁復(fù)合地基主要通過砂石褥墊層調(diào)節(jié)樁-土的荷載分擔比，改善地基承載力以及沉降的問題。而在地震作用下，復(fù)合地基中剛性樁的受力機理也因砂石褥墊層的加入而變得更加復(fù)雜，因此剛性樁的動力響應(yīng)是確定復(fù)合地基的抗震能力的關(guān)鍵。若對剛性樁復(fù)合地基的抗震性能不進行深入研究，將會在一定程度上影響剛性樁復(fù)合地基的使用[3]。

由于現(xiàn)場試驗對于研究復(fù)合地基的抗震性能來說較為困難，因此本文依據(jù)相似理論，采用相似比為1∶10的剛性樁地基復(fù)合模型進行模型試驗，并保證復(fù)合地基的模型試驗環(huán)境與實際環(huán)境相似。通過一套自創(chuàng)的試驗系統(tǒng)，采用擬動力試驗來研究此類地基的抗震性能[4～6]。試驗選取了4組代表性地震波，并按照相關(guān)規(guī)范，對地震波的加速度峰值和上部施加荷載的數(shù)值進行調(diào)整，以此獲得不同工況下樁身響應(yīng)的試驗結(jié)果。通過對試驗結(jié)果的分析與歸納，可為剛性樁復(fù)合地基的理論研究提供試驗依據(jù)，并可為此類復(fù)合地基的抗震設(shè)計提供理論支撐。

2 試驗概況

根據(jù)相似性理論，并綜合考慮擬動力試驗系統(tǒng)、模型自身性質(zhì)等因素，剛性樁復(fù)合地基的試驗?zāi)Ｐ瓦x取長度相似比為1∶10，材料彈性模量相似比為1∶1，加速度相似比為1∶1，質(zhì)量密度相似比為1∶1，應(yīng)力與應(yīng)變相似比為1∶1[7-11]。

試驗裝置主要由10 mm厚鋼板加工制作而成的砂箱(直徑為1.3 m，高為1.8 m)、砂土以及3×3的群樁模型組成。將砂土裝入砂箱模擬地基，并且每隔20 cm進行夯實，再埋入3×3的群樁模型到合適位置，最后用0.9～4 mm的小碎石平鋪30 mm的褥墊層即可。

試驗中采用的材料是河南地區(qū)的砂土，含水率為5.7%。模型樁的內(nèi)徑為18 mm，外徑為25 mm，樁長900 mm，其材料為三型聚丙烯管材(PP-R)，高強且取材方便。樁頭與三型聚丙烯管材加工成的堵頭進行熱焊接。相關(guān)參數(shù)通過拉伸、壓縮試驗測定：模型樁的彈性模量為1.27×103MPa，模型樁泊松比為0.36。

在結(jié)構(gòu)實驗室通過大型電液伺服加載系統(tǒng)模擬地震作用，由豎向接長桿傳遞豎向壓力，模擬施加在地基上的上部荷載，由連接作動器的水平接長桿與鋼筒連接模擬水平地震作用力。其中豎向接長桿上下焊接了 20 mm 厚的鋼板，板的尺寸為50 cm×50 cm ，保證豎向壓力可以均勻施加在群樁模型上。

在模型樁身上粘貼5 mm×3 mm電阻應(yīng)變片觀察樁身的應(yīng)變響應(yīng)，在距離樁頂3 mm處設(shè)置1號測點，并間隔12 mm，沿樁身自上而下依次設(shè)置測點，每根樁共設(shè)置8個測點。具體如圖2所示。

圖1 剛性樁復(fù)合地基模型擬動力試驗Figure 1 Rigid pile composite foundation model under quasi-dynamic test

1、豎向接長桿 2、承臺板 3、墊層中埋設(shè)的應(yīng)變片 4、水平向土壓力傳感器 5、豎向土壓力傳感器 6、砂箱 7、樁身上粘貼的應(yīng)變片 8、模型樁圖2 擬動力試驗監(jiān)控點布置圖(單位：mm)Figure 2 Sketch of monitoring points for pseudo dynamic test(Unit:mm)

3 樁身應(yīng)變時程曲線

試驗中模型樁布置如圖3所示。

1、水平接長桿 2、砂箱與水平接長桿的連接構(gòu)件 3、模型樁 4、砂箱圖3 樁位布置示意圖(單位:mm)Figure 3 Sketch of pile position(Unit:mm)

本文以11號樁在El Centro波作用下的結(jié)果為例，繪制樁身各測點應(yīng)變時程曲線。其中El Centro波的加速度峰值為35 cm/s2，上部荷載為18 kN。分別提取樁上1、2、4、6號測點的試驗結(jié)果，并將應(yīng)變片測量值減去初始值獲得應(yīng)變時程曲線，繪制時只考慮水平荷載作用下的應(yīng)變情況，忽略上部荷載產(chǎn)生應(yīng)變的影響。具體結(jié)果如圖4所示(未列出其余樁身應(yīng)變時程曲線)。

圖4 樁身應(yīng)變時程曲線Figure 4 Strain time history curve of pile at different measuring points

由此可得：11號樁的4號測點應(yīng)變最大，為190 με，最大應(yīng)變對應(yīng)的時間點為3 s；1號2號測點分別于3 s、1 s時產(chǎn)生最大應(yīng)變，分別為79和115 με，6號測點在10.5 s時應(yīng)變最大為100 με。

觀察在El Centro波的加速度峰值為35 cm/s2，上部荷載為18 kN的條件下，其余各個樁的樁身應(yīng)變時程曲線的結(jié)果，分析可得：

a.各樁最大應(yīng)變基本發(fā)生在離樁頂39 cm的位置，即4號測點的應(yīng)變值最大，且沿樁身自上而下，應(yīng)變值呈先增大后減小的趨勢變化。

b.各測點發(fā)生最大應(yīng)變的時間不同，即同一時刻下，各測點不會全部達到最大應(yīng)變。

c.觀察全部應(yīng)變時程曲線，可見：在3×3的群樁模型中，中心處樁的最大應(yīng)變值最小，其次是邊部中樁，而角部樁產(chǎn)生的應(yīng)變最大。

3 內(nèi)力絕對值包絡(luò)圖(見圖5～圖11)

工況一：上海人工波(7度多遇，上部施加荷載18 kN)

圖5 內(nèi)力包絡(luò)圖(上海人工波，7度多遇，上部施加荷載18 kN)Figure 5 Peak moments and peak shear forces for piles in Shanghai artificial wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工況二：Taft波(7度多遇，上部施加荷載18 kN)

圖6 內(nèi)力包絡(luò)圖(Taft波，7度多遇，上部施加荷載18 kN)Figure 6 Peak moments and peak shear forces for piles in Taft wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工況三：寧河波(7度多遇、上部施加荷載18 kN)

圖7 內(nèi)力包絡(luò)圖(寧河波，7度多遇，上部施加荷載18 kN)Figure 7 Peak moments and peak shear forces for piles in Ninghe wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工況四：El Centro波(7度多遇、上部施加荷載18 kN)

圖8 內(nèi)力包絡(luò)圖(El Centro波，7度多遇，上部施加荷載18 kN)Figure 8 Peak moments and peak shear forces for piles in EI Centro wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工況五：El Centro波(8度多遇，上部施加荷載18 kN)

圖9 內(nèi)力包絡(luò)圖(El Centro波，8度多遇，上部施加荷載18 kN)Figure 9 Peak moments and peak shear forces for piles in EI Centro wave(earthquake action:8degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工況六：El Centro波(8度多遇，上部施加荷載28 kN)

圖10 內(nèi)力包絡(luò)圖(ElCentro波，8度多遇，上部施加荷載28 kN)Figure 10 Peak moments and peak shear forces for piles in EI Centro wave(earthquake action:8degree frequent occured earthquake，vertical load:28 kN)

工況七：寧河波(8度多遇，上部施加荷載28 kN)

圖11 內(nèi)力包絡(luò)圖(寧河波，8度多遇，上部施加荷載28 kN)Figure 11 Peak moments and peak shear forces for piles in Ninghewave(earthquake action:8degree frequent occured earthquake，vertical load:28 kN)

對上述所有不同工況下的內(nèi)力包絡(luò)圖分析可得到以下結(jié)果：

a.群樁中每一根樁，樁頂處的剪力最大，這是由于褥墊層與樁的材料不同導(dǎo)致的，而末端剪力在大多數(shù)情況下僅次于樁頂，并且剪力在Z/L在0.3到0.43的區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生最小值。

b.不同位置樁的樁身剪力響應(yīng)有一定規(guī)律性，即角部位置的樁身剪力值均比其余邊部、中心處的樁身剪力值大。由此可見中心樁處周圍的土體承擔的剪力最大，樁-土協(xié)同工作的能力較邊界處強。

c.群樁中每一根樁，其最大彎矩值均發(fā)生在Z/L從0.3～0.43的區(qū)間內(nèi)，與剪力包絡(luò)圖的結(jié)果保持一致。

d.不同位置樁的樁身彎矩響應(yīng)有一定規(guī)律性，即中心處的樁彎矩最小，邊中樁較大，角部位置的樁彎矩最大，且各測點的彎矩均比其余樁大。

e.由7度多遇和8度多遇的El Centro波作用下的響應(yīng)結(jié)果可得：上部荷載不變時，剪力與彎矩均隨加速度的增大而增大，相應(yīng)的內(nèi)力包絡(luò)圖也會發(fā)生變化。

f.保持加速度峰值為7度多遇，對比上部荷載分別為18、28 kN的El Centro波作用下的響應(yīng)結(jié)果，可得：加速度峰值不變，剪力與彎矩均會隨著上部荷載的增大而增大，相應(yīng)的內(nèi)力包絡(luò)圖也會發(fā)生變化。且相比加速度改變時的增漲幅度，增加上部荷載，樁身的內(nèi)力響應(yīng)的增幅更大。即上部荷載對復(fù)合地基的抗震能力影響比地震波本身加速度變化所產(chǎn)生的影響要大。這主要是由于增加上部荷載會增強樁與褥墊層的結(jié)合，更好地發(fā)揮了樁、土協(xié)同工作的性能。

g.對比7度多遇、上部荷載18 kN的寧河波以及El Centro波；8度多遇、上部荷載28 kN的寧河波以及El Centro波的響應(yīng)結(jié)果，可得：剪力與彎矩響應(yīng)會隨著加速度峰值以及上部荷載的增大而增大。

h.對于相同加速度和上部荷載的不同波型地震波，對比它們作用下的響應(yīng)結(jié)果，可知：上海人工波以及寧河波作用下的樁剪力和樁彎矩值最小，El Centro波作用時，樁的地震響應(yīng)相對較大，而在Taft波作用時樁的反應(yīng)最大。

4 結(jié)論

通過對剛性樁復(fù)合地基模型擬動力試驗研究，可歸納出以下結(jié)論：

a.本文在相似理論的基礎(chǔ)上，采用相似比為1∶10的剛性樁復(fù)合地基模型進行擬動力試驗，通過施加地震波加速度時程以及上部荷載，成功獲得模型樁身各測點的應(yīng)變時程，順利完成試驗。說明本文試驗方法可行，并可以推廣應(yīng)用到其他復(fù)合地基抗震性能的研究上。

b.由試驗結(jié)果可知，距樁頂下27～39 cm的長度范圍內(nèi)(即Z/L=0.3～0.43區(qū)間)樁身產(chǎn)生最大應(yīng)變，此范圍為樁身薄弱區(qū)，但樁身整體的應(yīng)變?nèi)暂^小。

c.由試驗數(shù)據(jù)得到的內(nèi)力包絡(luò)圖可知：①對于每一個樁，樁頂為最大剪力發(fā)生處；②對比不同位置的樁，角部位置的樁身剪力響應(yīng)值最大；③對比不同位置的樁，各角樁的樁身彎矩響應(yīng)大于邊中樁，而邊中樁又大于中心樁；④保持施加上部荷載一致，增大地震波加速度，相應(yīng)的剪力和彎矩響應(yīng)也會增大；⑤保持地震波的加速度峰值不變，增大施加的上部荷載，剪力和彎矩響應(yīng)會有比改變加速度更大的增漲幅度。