黃占芳 ,劉永強(qiáng),尹 超,白曉紅

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

近些年來，地震頻發(fā)帶來的災(zāi)害相當(dāng)嚴(yán)重，而到目前為止，地震發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間仍難以預(yù)測(cè)。從震害分析可知，樁基礎(chǔ)的承載力降低乃至失效是震害發(fā)生的一項(xiàng)重要因素，了解并分析地震過程中及震后樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)于減此類震害起著至關(guān)重要的作用。此問題的分析可從三方面入手:現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、模型試驗(yàn)分析和有限元數(shù)值分析。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，存在地震難以捕捉，且測(cè)量的儀器在惡劣環(huán)境中測(cè)得數(shù)據(jù)的可應(yīng)用性較低的問題；有限元數(shù)值分析雖然消除了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的不利條件，但就目前情況來看，相關(guān)參數(shù)的選擇是影響分析結(jié)果的直接原因，且結(jié)論還要在經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證后應(yīng)用，因此模型試驗(yàn)尤為重要。模型的動(dòng)力性能、模型的選擇直接關(guān)系到能否達(dá)到動(dòng)力試驗(yàn)的目的以及抗震試驗(yàn)?zāi)芊癯晒?。之前的相關(guān)研究模型所采用的材料多為空心鐵樁、空心鋁樁、橡膠樁、水泥土樁、石膏樁等[1]。這些材料未能全面地考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力相似問題，而且這些材料只是針對(duì)于特定試驗(yàn)?zāi)康膩磉x擇的，從量綱分析角度并不能很好的與原型材料很好地相似?；谝陨蠁栴}，本文就混凝土樁基礎(chǔ)模型的選擇進(jìn)行研究。

1 動(dòng)力模型相似性量綱分析

在一般的線彈性動(dòng)力分析中，都可以用量綱分析的方法確定相關(guān)物理量之間的關(guān)系，各物理量之間可用式(1)[2]來表示。

f(σ,l,E,ρ,t,μ,ν,a,g,ω)=0

(1)

式中σ、l、E、ρ、t、μ、ν、a、g、ω分別表示為動(dòng)應(yīng)力、長(zhǎng)度、彈性模量、密度、時(shí)間、位移、速度、加速度、重力加速度、圓頻率等物理量。

如果將l、E、ρ作為基本的未知量，依據(jù)量綱分析理論，其它的未知物理量均可以用基本未知量表示[3]：

(2)

式中的參數(shù)均為無量綱參數(shù)，并且要保持其模型與原型相等。定義原型和模型之間的相似比，可以得到各物理量之間的相似比必須滿足下列條件[4]：

(3)

式中S表示原型與模型的相似比。

綜上所述，本次研究采用的動(dòng)力相似模型為重力失真(失真較小)模型。要正確研究混凝土樁—土動(dòng)力響應(yīng)的首要前提是合理地選擇樁體和土體的材料。因?yàn)樵囼?yàn)用土是飽和砂土，由于其研究的特殊性，土體就選用真實(shí)砂土然后灌水飽和。對(duì)于土體這意味著嚴(yán)格相似。為了使得整個(gè)試驗(yàn)體相似，樁體材料也需嚴(yán)格相似，為此，做了以下相關(guān)研究。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

模型試驗(yàn)必須要先明確試驗(yàn)的目的，之后依據(jù)原型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來選擇模型類型和使用材料。本次模型試驗(yàn)的目的是模擬原型在不同的地震力作用下原型的抗震性能，一般要采用的是強(qiáng)度模型。在以往的混凝土模型材料上通常采用細(xì)石混凝土、水泥砂漿、石膏砂漿等等。這些材料大都不能很好的滿足上述的相似關(guān)系。

試驗(yàn)在每立方米M7.5水泥砂漿配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行，一是將水泥砂漿中的骨料砂子按照一定的比例用粉土(黏聚力C=12.8 kPa，內(nèi)摩擦角φ=16°，滲透系數(shù)k=1×105m/s)來代替，從而達(dá)到減小彈性模量的目的，同時(shí)密度變化不大。二是提高密度，即將水泥砂漿中的砂子按照一定的比例用重金屬鉛來代替，從而達(dá)到提高密度的目的。不同配比所選用材料的質(zhì)量比見表1和表2。

表1 不同砂土比例的模型材料質(zhì)量
Tab. 1 Mass of model materials with different sand soil ratios

編號(hào)每立方米模型材料各配料質(zhì)量/g水泥砂子土水砂土比12005808703802∶322008705803803∶2320011602903804∶1420012432073806∶1520012691813807∶16200145003805∶0

表2 不同鉛土比例的模型材料質(zhì)量
Tab. 2 Mass of model materials with different Pb-soil ratio

編號(hào)每立方米模型材料各配料質(zhì)量/g水泥砂子重金屬鉛水砂鉛比12009674833802∶1220011602903804∶1320013051453809∶1

依據(jù)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和彈性模量測(cè)定試驗(yàn)規(guī)程(GB/T 7897-2008)，將不同配比的材料分別制作尺寸為70.7×70.7×70.7 mm3的3塊試塊，用來做標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；尺寸為40×40×160 mm3的6塊試塊，其中3塊用來做軸心抗壓，目的是測(cè)定彈性模量時(shí)可以比較準(zhǔn)確的選取控制力，另外3塊用來做彈性模量的測(cè)定。分別取3塊進(jìn)行測(cè)定的目的是取平均值減小偶然誤差。制作過程中采用浙江土工儀器制造有限公司JJ-5水泥砂漿攪拌機(jī)和ZT-96膠砂試體成型(TSO)振實(shí)臺(tái)。制作好試塊以后灑水養(yǎng)護(hù)至拆模，之后放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。拆模時(shí)發(fā)現(xiàn)含鉛的試塊沒能很好的凝固，可塑性較大，像“橡皮土”似的。因此從提高密度來看未能達(dá)到預(yù)期的效果，只將含土的試塊放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。

測(cè)定養(yǎng)護(hù)好試塊的質(zhì)量密度并按照試驗(yàn)規(guī)程分別做標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度以及彈性模量試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 模型材料彈性模量測(cè)定表
Tab. 3 Test table for elastic modulus of model materials

砂土比標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度×面積/kN軸心抗壓強(qiáng)度×面積/kN初始值P0下微應(yīng)變?chǔ)?控制值Pa下微應(yīng)變?chǔ)臿彈性模量=(Pa-P0)/A(εa-ε0)104/MPa2∶323.997.081.015(220,277)2.095(580,520)0.2243∶218.905.371.010(164,180)1.597(260,330)0.2984∶116.214.631.010(192,158)1.404(227,243)0.416∶117.924.891.010(107,120)1.405(155,168)0.5147∶114.914.391.020(120,84)1.295(146,100)0.8185∶024.769.971.045(66,31)2.009(130,86)1.013

注：表格中括號(hào)內(nèi)的微應(yīng)變?yōu)樵嚰笥覂蛇叺膽?yīng)變計(jì)算時(shí)取平均值。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)混凝土樁土體系振動(dòng)臺(tái)模型材料的試驗(yàn)研究得出：在M7.5水泥砂漿配比的基礎(chǔ)上，針對(duì)于本次試驗(yàn)用材料，將部分砂土用粉土來代替，當(dāng)砂土質(zhì)量比達(dá)到4∶1及以下時(shí)，達(dá)到足夠強(qiáng)度時(shí)材料的彈性模量可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)(101)，結(jié)合量綱分析的相似性，在線彈性動(dòng)力分析中，當(dāng)原型與模型的幾何比不是很大的情況下，均可采用本文所提供的方案來代替混凝土材料。