楊 小 靜

(山西建筑工程集團(tuán)有限公司,山西 太原 030002)

我國地震帶分布較多，國土面積位于8度及以上的高烈度區(qū)域遍布全國各個(gè)省區(qū)，不同級別的地震接二連三的發(fā)生，尤其唐山大地震、汶川地震給我們國家和人民帶來了重大損失。不管是民用建筑、水庫大壩，還是橋梁，鐵路等的地基灌注處理都面臨一個(gè)管樁的應(yīng)用與防震處理問題。目前抗震形式的基本方式就是采取樁基礎(chǔ)處理，也是建筑領(lǐng)域預(yù)防地基失效的經(jīng)常選擇的工藝措施，根據(jù)實(shí)踐，在液化地基工程施工流程中，若采用管樁方式，當(dāng)把樁尖打入持力層，能起到有效減輕地震的震害。若是在非液化工程的地基中采取該工藝，打入的樁基能更有效的減少工程地基被附加的沉降、減輕地震突發(fā)產(chǎn)生巨大應(yīng)力帶來的震害，基于此樁基被廣泛的應(yīng)用。PHC管樁(預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土樁)，因自身的良好的工程應(yīng)用特點(diǎn)，高強(qiáng)度和承載力、強(qiáng)穿透力、快速沉降固定、工期短且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)被工程經(jīng)常采用，在高層建筑的樁基中，據(jù)調(diào)查PHC管樁的應(yīng)用占10%左右，這個(gè)比例還在增加，太原近幾年建筑行業(yè)發(fā)展比省內(nèi)各地市相對較快，PHC管樁在建筑中的應(yīng)用比例也在不斷增加，研究PHC管樁在地震載荷作用下土—樁—結(jié)構(gòu)相互作用對建筑工程的質(zhì)量提升有很重大的影響。

1 地震載荷下土—樁—結(jié)構(gòu)相互作用的形式

在地震載荷作用下，土—樁—結(jié)構(gòu)是作為一個(gè)整體震動來互相影響的。通常會帶來一些不利影響，這些結(jié)構(gòu)的影響會使管樁自身的一些自有特征在工程應(yīng)用中發(fā)生變化，通常會出現(xiàn)自振周期發(fā)生延長、阻尼和振型出現(xiàn)不同程度的改變，對地震響應(yīng)應(yīng)變敏度發(fā)生改變，這一系列的變化會不同程度的對樁基礎(chǔ)造成破壞，比如樁與承臺連接處的交界面或是接觸面因應(yīng)力集中而破壞，樁植入基礎(chǔ)中的接觸的軟弱土層液化處、土層軟硬交界面處因?yàn)閼?yīng)力的非均勻傳遞，造成單元面積過載而出現(xiàn)斷裂。為能減少這些不利影響，本文利用設(shè)備模擬地震產(chǎn)生的外來載荷地震波進(jìn)行模擬地震作用下管樁的受力情況，并進(jìn)行簡單分析。

2 相互作用實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

要選好振動臺、模型結(jié)構(gòu)材料；做好模型土箱的設(shè)計(jì)工作，分析實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)及測點(diǎn)的合理布局；做好波源的分析和發(fā)出激勵(lì)地震波正確檔位選擇。振動臺最大承載重量為20 t，模型箱其外形尺寸為1 900 mm×1 500 mm×1 840 mm(長×寬×高)，管樁模型用有機(jī)玻璃管制作，基本長度相似比為1∶15。試件承臺是澆筑而成，用料為微粒狀混凝土(灌漿料)，在上部搭建類似多層樓房的結(jié)構(gòu)來作為靜態(tài)施壓載荷，按力學(xué)相似比的原理，可用1.2 m的實(shí)體圓形柱體來替代施力，土體的配置各層土容重、含水率、孔隙比等物理指標(biāo)的相似性。

在模擬實(shí)驗(yàn)期間，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布局采用多點(diǎn)實(shí)時(shí)、聯(lián)動記載，具體設(shè)計(jì)為，測承臺、樁基體、土體三部分的動力響應(yīng)情況由移位計(jì)和加速計(jì)來進(jìn)行測量，樁體自身應(yīng)變發(fā)生的變化情況用應(yīng)變片進(jìn)行測量；土體內(nèi)孔隙水的壓力值，使用孔隙水壓力計(jì)來進(jìn)行測量；樁土接觸面產(chǎn)生的壓力值用土壓力計(jì)進(jìn)行測量。地震波的激勵(lì)波形選擇以三種不同波形EL Centro波、Taft波以及人工波來進(jìn)行加載作為模擬沖擊地震波，震波加載前要先對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，包括加速度振幅峰、谷值，縮放，峰值周期等等。激勵(lì)波采用單向及X軸向輸入。

2.2 實(shí)驗(yàn)觀察

樁、土的振動變化隨激勵(lì)波形不同、地震波峰值不同而不同，當(dāng)峰值A(chǔ)變小，上部結(jié)構(gòu)和土體自身的振幅也隨著變小，反之，當(dāng)震波峰值A(chǔ)變大，上部、土體及相互作用結(jié)構(gòu)的變化并沒有隨著出現(xiàn)相應(yīng)的大幅增大，但是上部結(jié)構(gòu)中樁頭的振幅及應(yīng)變時(shí)程都會隨著相應(yīng)增加。土體沉降速度在地震波激勵(lì)整個(gè)過程中以平均每次0.5 mm的速度進(jìn)行。

上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨樁植入數(shù)量不同，傾斜度不同。試驗(yàn)結(jié)束后測得，使用單樁沿振動方向傾斜5°，使用3樁上部結(jié)構(gòu)略有傾斜，6樁平穩(wěn)性良好，幾乎無傾斜，抗振性能最好。

加速度影響分析，當(dāng)加速度峰值增大時(shí)，在30 s內(nèi)，無論是單樁、三樁還是六樁承壓臺和土體之間都會發(fā)現(xiàn)受到破壞，出現(xiàn)一條裂縫。單樁應(yīng)力集中最大，裂縫最長1.98 cm，三樁、六樁應(yīng)力分散，裂縫較小，六樁的最小為0.51 cm。在模擬液化地基環(huán)境下地震發(fā)生時(shí)，不論是幾樁均能明顯的觀察到析水現(xiàn)象，中震(0.58g)時(shí)析水現(xiàn)象最為明顯。不論什么條件下，整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中均未發(fā)生“冒砂”現(xiàn)象。

3 現(xiàn)象分析

3.1 自振特性分析

實(shí)驗(yàn)中波峰增大，體系自振f反向逐漸變小，阻尼比隨之增大，然后逐步趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，通過對土質(zhì)材料特性的研究，這種現(xiàn)象是由于應(yīng)力在施加過程中，載體自身有一定的緩沖作用形成的。波峰的震蕩造成土體構(gòu)造逐漸松散，土質(zhì)軟化，剛度下降，由此出現(xiàn)上述變化特征。此現(xiàn)象得出，土體孔壓比上升，土的動剪切強(qiáng)度下降，土的阻尼比增加，土體表現(xiàn)出顯著的非線性特征(如表1所示)。

表1 不同工況下自振特征變化

3.2 加速度反應(yīng)及放大系數(shù)變化

模擬期間當(dāng)震波上傳期間，隨著時(shí)間變化，加速度峰值有被放大或是縮小的趨勢。加速度峰值放大系數(shù)定義為垂直方向上各測點(diǎn)反應(yīng)的加速度峰值與地震臺輸入地震波加速度峰值的比值。在模擬施加震波過程中，當(dāng)加載波源在(0.584g,1.143g)下時(shí)，加速度放大系數(shù)明顯小于加載波源(0.287g)下的放大系數(shù)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)楫?dāng)輸入的波源振幅強(qiáng)度逐漸增加時(shí)，土體因?yàn)樗缮?，剛性變小，土體承載非線性增強(qiáng)，傳遞能力隨之衰減。土體傳遞能力是增強(qiáng)還是減弱取決于土體本身結(jié)構(gòu)特性，波形及激勵(lì)波強(qiáng)度等多個(gè)因素的綜合作用。本試驗(yàn)因?yàn)橥馏w的松散多起減震作用，在震波沖擊下，測點(diǎn)距離模型底部越大，峰值越小，但是在到達(dá)土地表面瞬間沖擊時(shí)會急劇放大，從測得數(shù)據(jù)分析看土體的加速度反應(yīng)在高度上呈現(xiàn)出“K”樣字形分布。

3.3 加速度頻譜變化分析

震波在沿著樁—土體系并向上部結(jié)構(gòu)傳遞過程中，震波頻譜自有特性會隨著傳播途徑介質(zhì)的變化而發(fā)生很大變化。若輸入地震波激勵(lì)頻率等于或是靠近土體頻率就會放大，反之則減弱。

3.4 樁土接觸壓力變化分析

從實(shí)驗(yàn)的情況來看，不管是采取哪種樁的布置，樁土之間的接觸壓力總是隨著加速度的峰值增加引起樁土振動強(qiáng)度的增加。在非液化情況下，情況有所不同，壓力的分布會呈現(xiàn)靠近上部大，越往下部越小的一種趨勢，在單個(gè)樁的實(shí)驗(yàn)中，這種情況尤為明顯，原因是在激勵(lì)振動下，樁的上下部與土體接觸不同，上部脫離，下部接觸緊密造成的。多樁試驗(yàn)與上述規(guī)律基本一致，但是因?yàn)闃兜膫€(gè)數(shù)增多，群體效應(yīng)共同承載，上下差別較小。但是在液化試驗(yàn)條件下，由于樁體上下部沙土層，土質(zhì)結(jié)構(gòu)的流動性，附著性等都有明顯不同，接觸壓力上下部位差異較大，輸入的振動強(qiáng)度越大，這種現(xiàn)象越明顯。

4 結(jié)語

通過本次實(shí)驗(yàn)，可以很好的了解在不同地震載荷下，PHC管樁的土—樁—結(jié)構(gòu)相互作用下各個(gè)方面的變化情況，及樁體、基地因?yàn)椴煌鸩ǖ淖饔枚赡苁軗p的情況，可以為高烈度區(qū)域，特別是太原地區(qū)今后的具體高建筑工程的設(shè)計(jì)及施工提供推算參考，也為進(jìn)一步開展模型仿真計(jì)算提供了基礎(chǔ)。