黃占芳，王顯耀，吳植安，白曉紅

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024;2.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，淄博 255049)

樁基礎(chǔ)是最常用的深基礎(chǔ)形式之一，它能穿過軟土層，把上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到更堅實的地基上，已被廣泛應(yīng)用到高層建筑、橋梁、港口碼頭和海洋采油平臺等結(jié)構(gòu)物。樁基礎(chǔ)能有效地承受水平荷載，包括風(fēng)荷載、波浪荷載、地震荷載等，并在一定程度上減輕地震的災(zāi)害。然而，歷次地震震害調(diào)查表明，樁基震害時常發(fā)生，尤其可液化土層中樁基破壞比較明顯，這在近年來的大地震中表現(xiàn)的尤為顯著。因此，液化土層中樁基礎(chǔ)承載特性的研究有著非常重要的意義，是國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工程抗震減災(zāi)中面臨的重要課題。Su[1]主要通過離心試驗對地震力作用下砂土的動力特性進(jìn)行了研究;Rashidi[2]對樁－土－結(jié)構(gòu)的動力相互作用進(jìn)行了離心試驗的研究;Moghaddas[3]對地震力荷載作用下樁土結(jié)構(gòu)的相互影響進(jìn)行了有限元分析;Kong[4]對可液化土在地震力作用下樁土結(jié)構(gòu)的動力相互作用進(jìn)行了振動臺研究;劉立平[5]、余俊[6]、陸建飛等[7]、盧華喜[8]、馮士倫[9]都對樁 － 土 － 結(jié)構(gòu)的動力耦合做了不少研究，也得到了一些可參考的結(jié)論，但是還沒有一套相對完整、系統(tǒng)、量化的結(jié)論。尤其是對模型材料的選擇上，大都采用空心鋁樁、空心鐵樁、橡膠樁、石膏樁、水泥土樁等等。未考慮試驗?zāi)Ｐ偷膭恿ο嗨频膯栴}，或者說盡管考慮了，但是由于所選材料的原因，并未能真正反應(yīng)實際情況。

由于地震發(fā)生的時間、地點(diǎn)難以確定，因此很難獲得地震發(fā)生過程中有價值的資料。本文通過室內(nèi)小型振動臺試驗從超靜孔隙水壓力、樁側(cè)摩阻力、樁頂沉降以及土表面加速度時程對樁土動力相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 試驗條件

1.1 試驗設(shè)備簡介

試驗在太原理工大學(xué)DC－2200－26電動振動試驗系統(tǒng)上進(jìn)行，額定激振力為21.56 kN，加速度為980 m/s2，位移為51 mm，頻率范圍 5 ～3 000 Hz，最大負(fù)載300 kg。配有DH5922/23數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.2 模型樁

模型樁的選用主要涉及動力相似比的問題。嚴(yán)格的動力相似模型，即彈性恢復(fù)力、重力和慣性力間的相似關(guān)系完全得到滿足，即有 sa=sE/(sl，sρ)=1，其中，sE=Em/Ep，sl=Lm/Lp，sρ= ρm/ρp。意味著位移相似比例與幾何長度相似比例相同，可以在試驗中正確模擬幾何非線性引起的次生效應(yīng)。這樣，動力模型試驗才具有一定的可參考性。但對于小比尺的模型，要進(jìn)一步降低彈性模量和提高材料密度，此時往往受到材料、配重等限制，使得 sa=sE/(sl，sρ)=1 無法滿足，只能采用重力失真模型，但重力失真不宜過大，過大容易導(dǎo)致振動臺動力輸出性能不足;加載頻率過大，材料強(qiáng)度和剛度都會增加，會使測量精度和動力激振發(fā)生困難。該試驗在先前一些試驗研究基礎(chǔ)上，盡量考慮模型動力的相似比，采用重力失真模型。

模型樁模擬混凝土樁，模型樁依據(jù)動力試驗相似比，選用的材料及其質(zhì)量比為:水泥∶砂子∶土∶水=1∶5.8∶1.45∶1.9，相似比采用預(yù)制樁，樁徑為3 cm，樁長60 cm，制備時外套壁厚為1 mm，內(nèi)徑3 cm的PVC管，其作用① 制備時充當(dāng)模板，② 保證測定樁身應(yīng)變的準(zhǔn)確性;③ 增大樁身的抗彎性能。試驗時在樁頂放置重15 kg的重物，放置時盡可能使樁軸心受壓。試驗在0.372 g的加速度下進(jìn)行。模型樁所對應(yīng)的原型樁的主要參數(shù)見表1。

表1 樁主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of pile

1.3 模型箱和試樣制備

模型箱采用有機(jī)玻璃制成，箱體尺寸400×400×900(mm3)，壁厚10 mm，底板各邊伸出150 mm，以便與振動臺面固定。箱體相對兩側(cè)沿底邊每隔150 mm留有5 mm直徑的圓孔(每邊各5個)以便保證實驗過程的排水。在振動方向兩側(cè)箱壁上粘貼一層10 mm厚聚乙烯板，從而模擬自由場地邊界條件。

為了更真實的模擬實際情況，模型土分為兩層。底層是采用200 mm厚的含水量為10%的粘土作持力層。具體做法是:稱25 kg風(fēng)干土，倒入2.5 kg自來水，充分?jǐn)嚢杈鶆颍谷肽Ｐ拖渚鶆蚝恢?20 mm高。依此方法，使粘土層達(dá)至200 mm高作為持力層。之上的砂土采用黃河一級階地堆積物，其物理參數(shù)為Cu=3.75，ρdmax=1.798 g/cm3，ρdmin=1.201 g/cm3，顆粒組成情況見表2。本次試驗采用了干裝法制備模擬的飽和地基土，為保證砂土均勻密實，分層裝箱，稱取已配制好的含水量為10%的砂土25.5 kg裝箱，擊振至100 mm高(此時砂土的干密度為1.45 g/m3)。依次裝5.4層，使砂土的總高度為540 mm。模型土制備好之后，在上層緩慢注水飽和。在一定的排水條件下使土體短期內(nèi)固結(jié)。

表2 裝箱砂土顆粒組成Tab.2 Grain composition of sand sample

1.4 量測儀器

傳感器的布置如圖1所示。在土面下5 cm，30 cm，50 cm處埋設(shè)了遼寧省丹東市三達(dá)測試儀器廠生產(chǎn)的DYS—3型電阻應(yīng)變式滲壓計，以便量測振動過程中超靜孔隙水壓力的變化。在樁身不同深度處每間隔10 cm布置一對自補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片，共布置5對，將每對應(yīng)變片串連連接，以消除由彎矩產(chǎn)生的變形，這樣測定出來的就是樁身不同位置的豎向應(yīng)變。在重物(上部結(jié)構(gòu))上安裝位移傳感器和加速度傳感器，以量測上部結(jié)構(gòu)的豎向沉降和加速度響應(yīng)。安裝在臺面上的加速度傳感器捕獲輸入的地震動加速度時程曲線。

圖1 試驗傳感器布置圖Fig.1 Layout of instrumentation in test

1.5 振動信號

振動臺輸入為正弦信號。模擬抗震設(shè)防烈度為8°(0.2 g)，根據(jù)動力試驗相似比，振動臺輸入的正弦波加速度設(shè)定為0.372 g，輸出的振動頻率4.313。振動時間以肉眼觀測到液化現(xiàn)象為準(zhǔn)，振動總時間為48 s。采集到的臺面波形如圖2所示。

圖2 輸入加速度時程Fig.2 Time history of input acceleration

2 試驗結(jié)果及分析

模擬8度的抗震設(shè)防烈度，振動較為強(qiáng)烈?？紤]到自由場地的響應(yīng)對于樁基礎(chǔ)的響應(yīng)具有重要的影響。需考察地震過程中超靜孔隙水壓力的發(fā)展情況。

2.1 土層響應(yīng)

圖3為距土層表面5 cm處、30 cm處和50 cm處的超靜孔壓比時程曲線。超靜孔壓比是指超靜孔隙水壓力和同一位置的初始上覆有效土壓力的比值。從圖中可以看出，各處的超靜孔隙水壓力均在10 s左右開始迅速增長，和輸入的加速度時程相比，超靜孔隙水壓力滯后于振動信號的出現(xiàn)。隨著時間的積累，各處孔隙水壓力不斷積累、增長。5 cm處的超靜孔壓比在16 s左右達(dá)到0.8，30 cm處的超靜孔壓比在18 s左右達(dá)到0.8，而50 cm處的超靜孔壓比在20 s左右達(dá)到0.8，根據(jù)液化發(fā)生的判斷標(biāo)準(zhǔn)[7]，在 20 s左右各處的砂土均在振動過程中液化了。從開始發(fā)生液化的時間知:越靠近土層表面的砂土越先發(fā)生液化，之下的次之。但是從時程曲線看，5 cm處的砂土孔壓比達(dá)到穩(wěn)定的時間較30 cm、50 cm處的稍晚，這主要是由于下部的超靜孔隙水壓力比上部的大，因此在振動完成之后，下部的超靜孔隙水壓力大于上部向上滲流，從而上部土體的孔壓比達(dá)到穩(wěn)定需要時間比下部土體稍長。由于試驗過程中由于某些原因采集過程較短，因此未能得到完整的孔壓消散的過程。

從曲線的形狀看，30 cm處、50 cm處的超靜孔壓比都是先增大而后減小，但是5 cm處的雖然也是先增大，但是當(dāng)達(dá)到液化之后是時而增大，時而減小。這主要是由于在振動過程中從層表面就能夠看到液化所引起的噴水冒砂現(xiàn)象，土層表面的水來回振動的結(jié)果。而這種振動沒有影響到更深處的土層。

圖3 不同深度處超靜孔壓比時程Fig.3 Time history of excess pore pressure ratio at the different depths

2.2 樁身響應(yīng)

我國《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》提到，在地震力很小(相當(dāng)于地震影響系數(shù)最大值的)及震后驗算時，液化土層的樁周摩阻力取零。但實際上，當(dāng)土層發(fā)生液化后，土對樁產(chǎn)生的摩阻力大幅度減小，設(shè)計樁周摩阻力取零時，樁內(nèi)配筋量會很高，施工困難，且造價高。因此，研究土層液化后對樁側(cè)能提供多大的摩阻力是樁基抗震設(shè)計關(guān)鍵。

本次試驗是通過在樁身粘貼應(yīng)變片來研究樁身側(cè)摩阻力的響應(yīng)。因為對每對應(yīng)變片進(jìn)行了連接處理，因此測出的應(yīng)變均是由于軸力而引起的。為了測得摩阻力隨時間的變化，采用動態(tài)應(yīng)變采集儀來記錄應(yīng)變時程。但是在振動發(fā)生之前，為了排除其他因素的干擾，將各個點(diǎn)的應(yīng)變清零。因此記錄下來的應(yīng)變時程只是應(yīng)變增量，并不是某時刻所發(fā)生的真正的應(yīng)變，也就無法通過換算得到某時刻各點(diǎn)實際的軸力。得到的只是各點(diǎn)的軸力變化值。但兩點(diǎn)間的軸力差與樁側(cè)表面積的比值可推算此段樁變化的樁側(cè)摩阻力的大小，雖然在地震過程中樁軸力忽大忽小，有時甚至為上拔力，但可通過該方法獲得樁側(cè)摩阻力變化的時程。

圖4 不同深度樁身側(cè)摩阻力變化時程Fig.4 Time history of side resistance of pile at the different depths

圖5 上部結(jié)構(gòu)的沉降時程Fig.5 Time history of settlement of superstructure

圖4是不同深度樁身側(cè)摩阻力變化的時程曲線圖。可以看出，在振動剛開始的時候，摩阻力變化非常小，但是在25s以后摩阻力突然變化較大，從分析數(shù)據(jù)的過程中可知這種變化是減小的。為了探尋樁側(cè)摩阻力減小的原因，將圖6、圖7和圖3～圖5進(jìn)行了比較發(fā)現(xiàn)，樁側(cè)摩阻力的演變和超靜孔壓比的發(fā)展密切相關(guān):當(dāng)孔壓比較小時，側(cè)摩阻力變化很小，幾乎不變;但是當(dāng)超靜孔壓比超過0.8后，側(cè)摩阻力突然減小，并且幅度較大。但是經(jīng)過對比，樁側(cè)摩阻力并非土體一液化就突然減小，可以看出土體在20 s左右就液化了，但是摩阻力是25 s以后才開始減小的，因此摩阻力的減小滯后于土體液化。但是隨著孔隙水壓力的消散(90 s)以后，樁側(cè)摩阻力又稍微有所提高，但不明顯，這主要是由于孔隙水壓力消散的不明顯所致。由此可見，飽和砂土的液化減小了樁側(cè)摩阻力，但隨著孔隙水壓力的消散樁側(cè)摩阻力有所恢復(fù)。至于樁側(cè)摩阻力能減小多少和恢復(fù)多少，由于試驗方案的原因，無從得知，還需要在今后的研究中優(yōu)化方案，得出一些量化的結(jié)論。另外，試驗用土是現(xiàn)場制作的飽和砂土，這與原狀土的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)存在差異，對研究結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。

2.3 上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

試驗中測量了上部結(jié)構(gòu)的水平加速度和豎向沉降。圖5和圖6分別是豎向沉降的時程曲線和加速度時程曲線。

從圖5可以看出，在開始的10 s左右，沉降量逐漸增加至10 mm左右，之后的15 s內(nèi)，沉降量基本維持不變，25 s之后沉降量突然增大，達(dá)到27 mm左右，說明樁身已經(jīng)深深的刺入土層中。結(jié)合樁側(cè)摩阻力變化的時程曲線，在25 s之后，摩阻力迅速減小，這時樁側(cè)實際摩阻力和樁底承載力不足以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量，在水平振動的影響下，上部結(jié)構(gòu)豎向沉降量顯著增加。為了不使上部結(jié)構(gòu)物在可液化地基土中產(chǎn)生過大的沉降，在樁基抗震設(shè)計中考慮了摩阻力的減弱效應(yīng)。

圖6 上部結(jié)構(gòu)的加速度時程Fig.6 Time history of acceleration of superstructure

從圖6可以看出，輸入地震動的加速度為0.372 g時，上部結(jié)構(gòu)的加速度在0.55 g左右，大于地震動輸入的加速度。說明PSSI(樁－土－結(jié)構(gòu)動力相互作用)效應(yīng)加大了底層上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。并且加大程度達(dá)到近50%。由于試驗條件是在樁頂加重物來模擬上部結(jié)構(gòu)，因此模擬的結(jié)構(gòu)物相當(dāng)于結(jié)構(gòu)物的底層。這一規(guī)律與文獻(xiàn)[10]中結(jié)論一致。

3 結(jié)論

通過振動臺模型試驗，觀測了可液化砂土中的樁－土－上部結(jié)構(gòu)在地震力作用下的動力響應(yīng)，分析了它們之間的聯(lián)系以及相互作用機(jī)理。試驗結(jié)果表明:

(1)試驗所采用的模型樁能比較好的模擬混凝土樁，獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)具有一定的參考價值。

(2)在振動過程中超靜孔隙水壓力不斷增長直至土層液化，并且離土面越近越先達(dá)到液化。

(3)土層發(fā)生液化前后，由樁周土提供的樁側(cè)摩阻力突然減小，樁基礎(chǔ)的豎向承載力降低，上部結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重沉降，樁基礎(chǔ)失效。

(4)樁－土－結(jié)構(gòu)動力相互作用加大了底層上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

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