史明霞、楊濤、王宇、錢鑫

（1.宿遷市交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.中鐵四局集團(tuán)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

樁基礎(chǔ)由于其優(yōu)良的承載能力、較好的經(jīng)濟(jì)效益，在大型橋梁、高層建筑等中得到廣泛應(yīng)用。但是大型橋梁易受風(fēng)、地震、海浪等引起的水平荷載影響，在傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)樁筏連接結(jié)構(gòu)中，樁筏連接部位會(huì)產(chǎn)生較大的剪力和應(yīng)力集中，造成連接部位的結(jié)構(gòu)破壞。

為了避免樁中產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，一種有效的方式是將樁與筏板斷開，并將樁看作土體的加固物，而不是結(jié)構(gòu)構(gòu)件。筏板可直接放置在樁的頂部，或者在樁和筏板之間設(shè)置土壤墊層。Cao[1]利用數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)通過將樁與筏形基礎(chǔ)分開，對(duì)稱荷載下筏形基礎(chǔ)的承載性能不受較大影響。因此，產(chǎn)生了一種新型的非連接方式，即在樁頭和筏板之間鋪設(shè)墊層，上部的結(jié)構(gòu)荷載和水平荷載不直接傳遞給樁基礎(chǔ)[2]。大量研究結(jié)果表明，這種非連接式的樁筏基礎(chǔ)具有較好的抗震性能。因此，本文針對(duì)CPR（連接式樁筏）和DPR（非連接式樁筏）的抗震性能進(jìn)行分析總結(jié)，主要從樁中彎矩、剪力、沉降、加速度響應(yīng)等方面進(jìn)行分析比較。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)作為研究地震荷載作用下巖土工程問題的重要手段，在樁基抗震的研究中被廣泛應(yīng)用。例如，王安輝等[3]采用1g 振動(dòng)臺(tái)開展了室內(nèi)試驗(yàn)研究，主要考慮了樁和筏板之間的連接形式的差異，即剛性連接（CPR）和非連接式（DPR）。試驗(yàn)中，模型的土層主要由非液化砂土層、可液化砂土層和干砂覆蓋層組成。在非連接式工況中，樁頭與筏板之間設(shè)置褥墊層。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在模型體系的固有頻率指標(biāo)中，非連接式工況中數(shù)值小于剛性連接式，而非連接式工況的阻尼比數(shù)值大于連接式工況，而超孔壓比低于連接式工況（見圖1），說明采用非連接形式的樁筏基礎(chǔ)可在一定程度上減輕土體的液化可能性。在加速度指標(biāo)上，非連接式工況中土體的加速度反應(yīng)低于連接式工況，表明非連接式基礎(chǔ)中的墊層可降低結(jié)構(gòu)慣性作用對(duì)地基土的影響。最后試驗(yàn)結(jié)果還表明，采用非連接形式的樁筏基礎(chǔ)可將樁基的最大彎矩值降低50%左右，從而可以避免剛性連接樁筏基礎(chǔ)的剪切破壞，確保上部結(jié)構(gòu)安全。

圖1 不同深度處超孔壓比峰值對(duì)比

上述結(jié)論也得到了Azizkandi[4]等人的驗(yàn)證。作者對(duì)連續(xù)樁筏基礎(chǔ)和非連續(xù)樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行了水平循環(huán)荷載作用下的評(píng)價(jià)，對(duì)連接樁筏(CPR)和非連接樁(DPR)基礎(chǔ)進(jìn)行了1g 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。結(jié)果表明：非連接樁筏中樁承受的彎矩和側(cè)向力比連接式樁筏更小，剛性連接方式在水平荷載下樁筏連接處易出現(xiàn)較高的彎矩和剪力，導(dǎo)致局部破壞；并且在非連接樁中，樁頭沉降也小于連接式樁筏。

2 離心試驗(yàn)

ko[5]等通過離心試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)了DPR 的抗震性能，在相同的模型箱中采用相同的樁材料同時(shí)進(jìn)行CPR 和DPR 抗震性能的離心試驗(yàn)。輸入信號(hào)為真實(shí)地震信號(hào)，重力加速度為50g。結(jié)果顯示：強(qiáng)震時(shí)，DPR 地基中地震加速度有所減??；DPR 中彎矩最大值一般出現(xiàn)在樁中位置，而CPR 地基中在樁端彎矩最大。因此，使用DPR 地基，可以降低樁邊緣的動(dòng)態(tài)彎矩。Fioravante[6]進(jìn)行了類似的離心模型試驗(yàn)，但并未對(duì)樁基的抗震性能進(jìn)行研究。

Ha 等[7]進(jìn)行了一系列離心模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了包括淺基礎(chǔ)、連接式群樁和非連接式群樁基礎(chǔ)等共六種樁基礎(chǔ)（見圖2）。

圖2 試驗(yàn)用六種樁基設(shè)計(jì)

模型樁為3×3 群樁模型，每根樁之間的中心距為樁直徑的3.5 倍，淺基礎(chǔ)和樁基模型由鋁制成。將試樣放在帶振動(dòng)臺(tái)的土工離心機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，與固定基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)相比，具有不同夾層和淺基礎(chǔ)的非連接樁基的柔性基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出不同的相位響應(yīng)和較小的振幅；非連接式的樁基和淺基礎(chǔ)有利于減少結(jié)構(gòu)地震荷載；此試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)證明了DPR 的永久沉降小于CPR 工況。

楊敏[8]采用離心振動(dòng)臺(tái)開展了樁筏基礎(chǔ)地震響應(yīng)的試驗(yàn)研究。離心加速度為50g，模型包括簡(jiǎn)化的上部集中質(zhì)量、立柱（4 根）、筏板和管樁。試驗(yàn)結(jié)果表明：上部結(jié)構(gòu)-樁基-地基土之間受場(chǎng)地自振頻率作用下發(fā)生顯著的相互作用，相比較于其他頻率，結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)更大。試驗(yàn)結(jié)束發(fā)現(xiàn)，與王安輝等人研究結(jié)論一致，盡管樁筏剛性連接時(shí)上部結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)與樁基的傾斜值均比自由連接小，但上部結(jié)構(gòu)的慣性作用下的加速度放大效果更加顯著。

3 模型試驗(yàn)

朱小軍[9]等人非連接式樁筏基礎(chǔ)在水平靜載試驗(yàn)中，試驗(yàn)地基土樣采用干燥細(xì)砂土，墊層采用礫砂。筏板模型的尺寸為0.30m×0.20m×0.04m，為降低邊界影響，物理模型箱的長(zhǎng)度大于3 倍的筏板尺寸。管樁模型的材料為PVC 材質(zhì)，尺寸相似比為1∶100，280mm 長(zhǎng)的樁模型直徑為14mm、壁厚3mm，壓縮模量為800MPa。

結(jié)果表明：隨著橫向荷載的增加，樁身彎矩值也逐漸變大，并且最大值大體位于樁身的中部；初步施加水平荷載時(shí)，主要的承載主體為群樁基礎(chǔ)中的中間和后方的排樁，但當(dāng)水平荷載進(jìn)一步增加時(shí)，中間和后方排樁承擔(dān)荷載逐漸趨于穩(wěn)定，前部的群樁承擔(dān)的荷載逐漸增大并承受較大比例的水平荷載。相比較于樁筏基礎(chǔ)，設(shè)置墊層均可顯著減小水平靜載荷循環(huán)加載下樁身的彎矩。

此外，朱小軍等通過水平加載室內(nèi)模型試驗(yàn)也得到了相似的結(jié)果。作者發(fā)現(xiàn)，非連接式樁筏基礎(chǔ)受水平力作用時(shí)，在樁的中部觀測(cè)到最大彎矩值，而在樁頂?shù)奈恢脺y(cè)量到最大的剪力值。因此與剛性連接相比，無論設(shè)置墊層還是減小豎向荷載，均可降低筏板傳遞至樁體的水平作用力，從而減小了樁身彎矩及剪力值。

鄭剛[10]等采用室內(nèi)靜態(tài)模型試驗(yàn)，在圓桶中放入剛性樁模型，隨后制備好土樣至模型設(shè)計(jì)高度。通過布置碎石在樁頂來模擬褥墊層的作用，最后施加荷載。結(jié)果表明：褥墊層厚度顯著影響樁頂水平位移，褥墊層越厚，樁頂水平位移越小，褥墊層越薄，樁頂水平位移越大。因此，褥墊層較厚有利于承載水平荷載。

4 數(shù)值分析

韓小雷等[11]建立了剛性樁復(fù)合地基-筏板-上部結(jié)構(gòu)體系整體有限元模型，討論在不同地震荷載作用下，樁身-褥墊層-筏板-結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)的地震響應(yīng)。結(jié)果表明，小震作用下褥墊層的彈塑性發(fā)展有限，但復(fù)合地基中樁基最大的內(nèi)力比普通樁基中最大內(nèi)力約小25%，結(jié)果表明復(fù)合地基減小了樁體內(nèi)力，從而增強(qiáng)了樁基的抗震性能。當(dāng)?shù)卣鸬燃?jí)增大時(shí)，復(fù)合地基中筏板加速度最大值平均減小約14%，但與此同時(shí)，筏板與褥墊層間也出現(xiàn)較大的滑移，最大可達(dá)3～4mm。這種現(xiàn)象避免了將水平剪切力傳遞至上部結(jié)構(gòu)，能夠起到一定的減震作用，復(fù)合地基中褥墊層在大震作用時(shí)可以有效地減少上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，使其抗震性能得以改善。

Liang[12]采用有限元法研究了DPR 基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的工作性能，詳細(xì)研究了樁長(zhǎng)徑比、墊層厚度和彈性模量等影響因素。作者發(fā)現(xiàn)，墊層可以均勻調(diào)整樁間的荷載分擔(dān)比，有助于更好發(fā)揮短樁的承載力，適當(dāng)應(yīng)用墊層可以更好利用淺層地基的承載力。這與鄭剛等人的研究結(jié)論一致。此外，隨著墊層厚度的增加，樁間土的附加應(yīng)力逐漸增大，長(zhǎng)樁與土的豎向應(yīng)力比明顯減小。墊層厚度對(duì)調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比有很大影響。但隨著墊層厚度的增加，調(diào)整效果逐漸減弱。這一結(jié)果也與Sinha 等[13]的Abaqus 數(shù)值分析結(jié)果保持一致。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況考慮墊層厚度設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

通過總結(jié)不同學(xué)者的研究結(jié)果，針對(duì)不同樁筏連接形式，從樁身彎矩、沉降、對(duì)地震加速度的響應(yīng)、樁頂水平位移等方面進(jìn)行對(duì)比，得出非連接式樁筏相比于連接式樁筏，在抗震性能方面更加優(yōu)越。但是，褥墊層的厚度、顆粒級(jí)配、材料等設(shè)計(jì)方面應(yīng)該有更加明確的規(guī)范，以減少經(jīng)濟(jì)成本，提高施工效益。