楚 斌

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052)

設(shè)抗震增強(qiáng)體的樁基礎(chǔ)力學(xué)特性的原位試驗(yàn)研究

楚 斌

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052)

在過(guò)去的大地震中，許多樁基礎(chǔ)因強(qiáng)烈振動(dòng)和地基變形而遭受結(jié)構(gòu)性破壞，因而提出一種既可以應(yīng)用于新建樁基礎(chǔ)，也可以應(yīng)用于現(xiàn)有樁基礎(chǔ)的抗震加固方法，即采用地基加固技術(shù)在樁基礎(chǔ)中設(shè)置抗震增強(qiáng)體，以與樁基礎(chǔ)的鋼筋混凝土承臺(tái)形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)。采用等比例模型原位水平載荷試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)以及開(kāi)挖檢查等方法，對(duì)抗震加固的力學(xué)特性和構(gòu)建質(zhì)量進(jìn)行加固前后的對(duì)比研究，進(jìn)而證實(shí)了該加固方法的有效性和可行性，為同類(lèi)工程起到了一定的參考意義。

抗震加固方法；增強(qiáng)體；水平載荷試驗(yàn)；振動(dòng)試驗(yàn)

隨著工程規(guī)模的發(fā)展和結(jié)構(gòu)防震減災(zāi)的迫切需要，上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基的要求也越來(lái)越高，隨即發(fā)展了各種地基加固的方法[1-12]。其中樁基礎(chǔ)是深基礎(chǔ)中最常用的一種形式，樁基抗震已成為一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。黃雨等[13]對(duì)國(guó)內(nèi)外樁基礎(chǔ)震害進(jìn)行分析，總結(jié)了樁基的震害特性與機(jī)制。馮士倫等[14]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了飽和砂土中樁基的震動(dòng)特性，對(duì)樁土振動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力相互作用有了初步的認(rèn)識(shí)，為建立經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠的液化土中樁基抗震設(shè)計(jì)方法提供了參考。費(fèi)恩泉[15]指出地震對(duì)樁基礎(chǔ)的破壞，主要是地震剪力超過(guò)基礎(chǔ)樁的強(qiáng)度，因此，對(duì)樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要提高基礎(chǔ)樁的水平抗力。事實(shí)上，樁基礎(chǔ)的加固方法受結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地和空間等的限制很大，抗震加固難度較大。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種新型的抗震加固方法，該方法甚至可以應(yīng)用于對(duì)現(xiàn)有樁基礎(chǔ)的加固中。新的加固方法將應(yīng)用地基注漿加固技術(shù)在部分區(qū)段的樁群周?chē)鷺?gòu)建加固體，使其與樁和基礎(chǔ)組合形成一個(gè)雙層抗彎結(jié)構(gòu)，以期大幅提高樁基礎(chǔ)的抗震能力。并采用等比例模型，進(jìn)行了原位水平載荷試驗(yàn)，水平和垂直振動(dòng)試驗(yàn)，研究加固后樁基礎(chǔ)的抗震性能和建筑質(zhì)量，以驗(yàn)證該抗震加固方法的效果和可行性。

1 等比例模型試驗(yàn)要點(diǎn)

等比例模型試驗(yàn)采用的樁基礎(chǔ)和土層信息如圖1所示。該試驗(yàn)用的樁基礎(chǔ)由四根鋼管樁組成，鋼管樁外徑406.4 mm，壁厚9.5 mm，長(zhǎng)10.0 m，樁間距2.0 m。鋼管樁的材料特性列于表1。鋼管樁采用預(yù)鉆孔樁端注漿法(水泥漿噴射攪拌技術(shù))澆筑。樁頂嵌入鋼筋混凝土承臺(tái)0.5 m，承臺(tái)尺寸為3.8 m×3.8 m×0.6 m。在其中兩根鋼管樁的外表面預(yù)先安裝有應(yīng)變計(jì)及其保護(hù)裝置(L形鋼)。另外，為消除鋼筋混凝土承臺(tái)和地基土之間的摩擦力，在鋼筋混凝土承臺(tái)的底下設(shè)置一層5 cm厚的聚苯乙烯泡沫。

圖1 等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅? 鋼管樁的材料特性

詳細(xì)的地質(zhì)情況如圖1所示。應(yīng)用地基加固處理方法構(gòu)筑的抗震增強(qiáng)體，將鋼管樁樁群在中部施加約束，并與鋼筋混凝土承臺(tái)形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)體的約束效應(yīng)使樁基礎(chǔ)的剛度得以提高。

抗震增強(qiáng)體的水平尺寸鋼筋混凝土承臺(tái)相同，深度介于3.2 m～5.2 m(2.0 m厚)，采用高壓噴射注漿技術(shù)，在基礎(chǔ)外圍12個(gè)傾斜噴射水泥漿形成?？拐鹪鰪?qiáng)體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 MPa?？拐鹪鰪?qiáng)體構(gòu)建方式示意圖見(jiàn)圖2，12個(gè)注漿點(diǎn)的具體位置和注漿次序如圖3所示。

采用水平載荷試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)研究抗震增強(qiáng)體的力學(xué)行為與抗震效果。

圖2 抗震增強(qiáng)體構(gòu)建方式示意圖

圖3 抗震增強(qiáng)體的構(gòu)建注漿順序示意圖(mm)

2 水平載荷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)要點(diǎn)

為了便于對(duì)比樁基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)，在抗震增強(qiáng)體構(gòu)建前后分別進(jìn)行水平載荷試驗(yàn)。在水平載荷試驗(yàn)中，采用2個(gè)油壓千斤頂施加多循環(huán)單軸水平荷載。水平載荷試驗(yàn)中采用的位移傳感器、傾角儀、荷載箱和應(yīng)變計(jì)等測(cè)量?jī)x器布置見(jiàn)圖4。1組應(yīng)變計(jì)被設(shè)置在遠(yuǎn)離千斤頂一側(cè)的一根鋼管樁上，而10組應(yīng)變計(jì)被設(shè)置在靠近千斤頂一側(cè)的一根樁上。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 荷載-位移關(guān)系

為了便于對(duì)比，在抗震增強(qiáng)體設(shè)置前后進(jìn)行的水平載荷試驗(yàn)所得的荷載-時(shí)間曲線(xiàn)以及荷載-樁頂側(cè)向位移曲線(xiàn)繪制在圖5和圖6中。在設(shè)置抗震增強(qiáng)體前后的最大荷載分別為600.0 kN和787.5 kN。在設(shè)置抗震增強(qiáng)體之前，最大荷載為600.0 kN時(shí)鋼筋混凝土承臺(tái)的側(cè)向位移為17.2 mm，而設(shè)置抗震增強(qiáng)體后最大荷載為787.5 kN時(shí)的側(cè)向位移僅為4.8 mm。另外，在設(shè)置抗震增強(qiáng)體后，最大荷載比設(shè)置抗震增強(qiáng)體前高200.0 kN時(shí)，荷載-位移關(guān)系仍然幾乎是線(xiàn)彈性關(guān)系。根據(jù)安裝在鋼筋混凝土承臺(tái)側(cè)面傾角儀的記錄，承臺(tái)的傾角在設(shè)置抗震增強(qiáng)體前后的最大荷載時(shí)分別為+0.0956°和+0.0608°(向荷載方向旋轉(zhuǎn)為“+”)。

圖4 水平載荷試驗(yàn)裝置示意圖

圖5 荷載-時(shí)間曲線(xiàn)

圖6 荷載-位移曲線(xiàn)

2.2.2 彎曲變形分布

在抗震增強(qiáng)體設(shè)置前，在600.0 kN的荷載作用下，樁身的彎曲變形分布如圖7所示。在圖7中還繪制出樁端固定，未設(shè)置抗震增強(qiáng)體的彈性梁的彎曲變形分布計(jì)算值?？拐鹪鰪?qiáng)體設(shè)置前的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值具有很好的一致性。在抗震增強(qiáng)體設(shè)置后，因?yàn)樵O(shè)置在樁中部的抗震增強(qiáng)體的約束，彎曲變形在樁頂附近有所減小，而在抗震增強(qiáng)體的底部出現(xiàn)反向增大。同時(shí)，在抗震增強(qiáng)體以下的部位，彎曲變形幾乎不再發(fā)生。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要?dú)w因于抗震增強(qiáng)體與鋼筋混凝土承臺(tái)組成的雙層抗彎結(jié)構(gòu)。

圖7 彎曲應(yīng)變分布(對(duì)應(yīng)于600.0 kN時(shí)的結(jié)果)

應(yīng)用圖7所示的從彎曲變形分布得到的彈性撓曲公式，使用自編軟件計(jì)算，鋼管樁的側(cè)向位移分布和剪力分布計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在計(jì)算過(guò)程中，繪制應(yīng)變曲線(xiàn)采用的深度方向微增量取dx=0.25 m。如圖8所示，通過(guò)設(shè)置抗震增強(qiáng)體，在3.0 m深度處，樁的側(cè)向位移大大減小。相同情況下，抗震增強(qiáng)體頂部附近的剪力與未設(shè)置抗震增強(qiáng)體相比有所增大。正因如此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，充分考慮通過(guò)調(diào)整抗震增強(qiáng)體的厚度和位置來(lái)調(diào)整剪應(yīng)力的分布是十分有必要的。

3 振動(dòng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)要點(diǎn)

為研究結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)特征，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。為了達(dá)到研究實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即研究樁基礎(chǔ)的振動(dòng)振幅和自然頻率，在設(shè)置抗震增強(qiáng)體前后進(jìn)行等比例模型的振動(dòng)試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，采用的模型和測(cè)試儀器布置如圖9所示。一個(gè)最大振動(dòng)力為40.0 kN的振動(dòng)發(fā)生器被設(shè)置在鋼筋混凝土承臺(tái)的上表面，該發(fā)生器能產(chǎn)生頻率為1 Hz～15 Hz的正弦波。振動(dòng)發(fā)生在水平方向和垂直方向，振動(dòng)參數(shù)列于表2。為了量測(cè)相關(guān)參數(shù)，在鋼筋混凝土承臺(tái)上表面設(shè)置微位移計(jì)和加速度計(jì)，如圖9所示。

圖8 側(cè)向位移和剪應(yīng)力分布圖(依據(jù)600 kN時(shí)應(yīng)變計(jì)的測(cè)試結(jié)果)

圖9 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試裝置布置圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

振動(dòng)頻率和振動(dòng)振幅標(biāo)準(zhǔn)值與振動(dòng)力之比的關(guān)系見(jiàn)圖10。圖10中數(shù)據(jù)來(lái)自于設(shè)置抗震增強(qiáng)體后的兩次振動(dòng)試驗(yàn)中的第二次試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合先前的試驗(yàn)，樁和承臺(tái)組合結(jié)構(gòu)(不包括地基)在設(shè)置抗震增強(qiáng)體前后的自然振動(dòng)頻率分布為1.6 Hz和2.1 Hz。除此以外，地基的自然頻率大約3.1 Hz。如果僅僅考察圖10，確定樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率是十分困難的，因?yàn)閳D10不能清晰地識(shí)別出結(jié)構(gòu)在設(shè)置抗震增強(qiáng)體前后的振動(dòng)頻率。然而，在所有的頻率中(1 Hz～15 Hz)，相比于設(shè)置抗震增強(qiáng)體之前，在設(shè)置抗震增強(qiáng)體之后，可以觀察到振動(dòng)的振幅明顯減小。這可以歸功于抗震增強(qiáng)體對(duì)樁基礎(chǔ)整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度的提高。振動(dòng)振幅減小的比例繪制于圖11。從圖11中不難得出，在水平振動(dòng)中，位移減少了20%～30%，而在垂直振動(dòng)中，位移減少了30%～40%。

表2 振動(dòng)參數(shù)

圖10 諧振曲線(xiàn)

圖11 位移振幅減小比率

4 抗震增強(qiáng)體開(kāi)挖觀察

在所有的水平載荷試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)完成以后，將抗震增強(qiáng)體開(kāi)挖以檢查其形態(tài)和質(zhì)量。

為檢查抗震增強(qiáng)體的厚度，在如圖12所示的3個(gè)點(diǎn)沿深度方向鉆孔取芯。取芯證實(shí)，在深度方向從3.2 m～5.2 m處形成了一個(gè)均質(zhì)的抗震增強(qiáng)體。

為了能觀察到抗震增強(qiáng)體的外形和側(cè)表面，將地基開(kāi)挖到深度3.5 m，開(kāi)挖后抗震增強(qiáng)體如圖13(a)和圖13(b)所示。觀察顯示，抗震增強(qiáng)體滿(mǎn)足初始設(shè)計(jì)尺寸3.8 m×3.8 m，并且樁與抗震增強(qiáng)體之間粘結(jié)完好。在3.2 m～5.2 m深度收集的芯樣如圖13(c)所示。

圖12 抗震增強(qiáng)體鉆芯取樣點(diǎn)布置圖

應(yīng)用鉆芯取得的芯樣，采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以檢驗(yàn)抗震增強(qiáng)體的強(qiáng)度特性。壓縮試驗(yàn)荷載采用常應(yīng)變速率0.01/min控制。試驗(yàn)表明，試樣28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值高達(dá)4.4 MPa，即抗震增強(qiáng)體的實(shí)際抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度1.0 MPa。另外，抗震增強(qiáng)體的平均濕密度為1.48 g/cm3。

5 結(jié) 論

本文提出一種新型的抗震加固方法，即采用地基加固技術(shù)在樁基礎(chǔ)中設(shè)置抗震增強(qiáng)體，以與樁基

圖13 開(kāi)挖檢驗(yàn)結(jié)果

礎(chǔ)的鋼筋混凝土承臺(tái)形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)。采用等比例模型原位水平載荷試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)以及開(kāi)挖檢查等方法，對(duì)抗震增強(qiáng)體的力學(xué)特性和構(gòu)建質(zhì)量進(jìn)行加固前后的對(duì)比研究，研究表明：

(1) 在樁基礎(chǔ)中設(shè)置抗震增強(qiáng)體，其承載能力得到提高，同時(shí)位移顯著減小，這證明了抗震增強(qiáng)體的增強(qiáng)效果。

(2) 振動(dòng)頻率在1 Hz～15 Hz的變化范圍中，在水平振動(dòng)情況下，位移減少了20%～30%，而在垂直振動(dòng)情況下，位移減少了30%～40%，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了在樁基礎(chǔ)中設(shè)置抗震增強(qiáng)體的抗震效果。

(3) 開(kāi)挖觀察抗震增強(qiáng)體，其外觀滿(mǎn)足初始設(shè)計(jì)尺寸，并且樁與抗震增強(qiáng)體之間粘結(jié)完好，其實(shí)際抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度。

研究表明，采用地基加固技術(shù)在樁基礎(chǔ)中設(shè)置抗震增強(qiáng)體，以與樁基礎(chǔ)的鋼筋混凝土承臺(tái)形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)的抗震加固方法有效并可行，對(duì)同類(lèi)工程具有一定的參考意義。

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Analysis of Mechanical Behavior of the Pile Foundation with Reinforced Solidification Body by Field Tests

CHU Bin

(He'nanProvincialCommuniCationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd.,Zhengzhou,He'nan450052,China)

During large earthquakes, many pile foundations were suffered from structural damage due to strong vibration and ground deformation. Thus an earthquake resistant reinforcement method applicable to either new or existing pile foundations was proposed in this paper, which is to set an earthquake resistant reinforcement body around the piles, and increase the stiffness of the pile foundation by the effect of a two layered bent structure by the reinforcing body made in the ground. By appling full scale model, lateral loading tests, vibration tests and excavation observation has been carried out, and the mechanical characteristics and construction quality of reinforcement has been analyzed. The comparison between before and after construction of reinforcement identified the validity and feasibility of earthquake resistant reinforcement method.

earthquake resistance reinforcement method; reinforcement body; lateral loading test; vibration test

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.037

2016-12-08

2017-01-03

楚 斌(1977—)，男，河南鄭州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)工作。E-mail: chu0319@sina.com

TU45

A

1672—1144(2017)02—0194—05