馮忠居 ，李玉婷 ?，蔡杰 ，林立華 ，陳露 ，李宗海

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全中心，福建 福州 350000；3.廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361000）

樁基礎(chǔ)因其承載力及穩(wěn)定性方面的良好性能被廣泛應(yīng)用于公路橋梁等工程領(lǐng)域［1-6］.近年來(lái)對(duì)地震震害的研究表明，地震荷載作用下軟土層發(fā)生震陷極大地影響了樁基礎(chǔ)的承載特性［7-9］，因此，地震荷載作用下軟土場(chǎng)地樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)研究十分重要［10-12］.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在軟土震陷對(duì)樁基的影響方面做了一系列研究.田兆陽(yáng)等［13-14］通過(guò)開展軟土場(chǎng)地-單樁體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到了軟土的震陷特性以及不同地震動(dòng)強(qiáng)度下樁基負(fù)摩阻力的分布發(fā)展規(guī)律，研究了強(qiáng)震作用下軟土對(duì)結(jié)構(gòu)體系地震動(dòng)、基礎(chǔ)震陷量的影響；沈婷等［15］采用有效應(yīng)力動(dòng)力分析方法，加以數(shù)值模擬，探究了地震動(dòng)作用下樁基礎(chǔ)的震陷、地震反應(yīng)加速度及孔壓比等動(dòng)力指標(biāo)；程學(xué)磊等［16］通過(guò)地震作用下軟土場(chǎng)地上的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，從樁基震陷量、動(dòng)孔壓比等指標(biāo)方面分析了地震對(duì)軟土場(chǎng)地單樁基礎(chǔ)的影響；辜俊儒等［17］基于非線性動(dòng)力分析思想，利用OpenSees軟件，探究了軟土場(chǎng)地的震陷特性；張磊等［18］采用彈塑性模型，研究了軟土中樁基礎(chǔ)在不同地震強(qiáng)度下樁身加速度放大系數(shù)及最大彎矩系數(shù)的變化規(guī)律；周燕國(guó)等［19］通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探明了軟土地基的不均勻震陷問(wèn)題及其對(duì)建筑物的影響.振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是研究樁基特性的有效途徑，馮忠居等［20-24］通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了地震波類型及地震強(qiáng)度與樁基特性的關(guān)系；何靜斌等［25］取不同類型地震波進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了斷層處樁基礎(chǔ)的動(dòng)力特性；唐柏贊等［26］通過(guò)可液化場(chǎng)地條件下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了隨液化程度增加，變截面結(jié)構(gòu)不均勻沉降和傾斜現(xiàn)象的發(fā)展情況；錢德玲等［27-28］基于MARC 數(shù)值仿真及振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，建立地震下的樁-結(jié)構(gòu)相互作用體系，研究體系在地震作用下的層間剪力及力矩，得到了發(fā)生液化后新型變截面樁（支盤樁）可有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力的結(jié)論.

對(duì)比以上研究發(fā)現(xiàn)，均是關(guān)于軟土場(chǎng)地條件下單樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)研究，缺乏對(duì)不同類型地震波作用時(shí)軟土場(chǎng)地條件下大直徑變截面群樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)特性的研究.本文依托翔安大橋?qū)嶋H工程，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了4 種類型地震波作用下軟土震陷特性及變截面群樁動(dòng)力響應(yīng)特性，為軟土場(chǎng)地的橋梁樁基設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 工程背景

廈門第二東通道翔安大橋位于第四紀(jì)地層中，擬建區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震加速度峰值為0.15g.根據(jù)翔安大橋地質(zhì)勘查報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)含有較厚軟土層，震陷災(zāi)害發(fā)生可能性較大，亟須對(duì)此開展專項(xiàng)研究.翔安大橋均采用樁基礎(chǔ)，其中H04墩承臺(tái)下設(shè)有4 根大直徑變截面樁，如圖1 所示.其樁長(zhǎng)45 m，樁徑2.5 m（2.15 m）、樁間距5.4 m，承臺(tái)尺寸為14.8 m×11 m×4.5 m.樁側(cè)土層分布由樁頂至樁端分別為軟土（15 m）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（22.5 m）、中風(fēng)化花崗巖（25 m）.

圖1 H04樁基礎(chǔ)原型示意圖Fig.1 Schematic diagram of H04 pile foundation prototype

2 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)臺(tái)設(shè)備參數(shù)

本次試驗(yàn)采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的三向六自由度振動(dòng)臺(tái)，其相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 振動(dòng)臺(tái)參數(shù)Tab.1 Shaking table parameters

試驗(yàn)選取3.05 m×1.7 m×1.8 m 模型箱，如圖2 所示.考慮“模型箱邊界效應(yīng)”，在試驗(yàn)中設(shè)置模型地基尺寸與結(jié)構(gòu)尺寸之比為5［29］，并在模型箱四周充填20 mm厚的泡沫，以降低試驗(yàn)過(guò)程中地震波反射的影響［30］.

2.2 試驗(yàn)相似比

根據(jù)Bockingham π 理論，結(jié)合試驗(yàn)及工程實(shí)際情況，試驗(yàn)尺寸相似比設(shè)計(jì)為1∶50.選取結(jié)構(gòu)尺寸l、彈性模量E、結(jié)構(gòu)質(zhì)量密度ρ、加速度a為基本物理量，其相似常數(shù)分別為1/50、1/3.5、1、1.充分考慮地震荷載相似性，得出速度v、時(shí)間t、應(yīng)力σ的相似常數(shù)分別為501/2、1/501/2、1/3.5.考慮到慣性力效應(yīng)和重力效應(yīng)的影響，在樁頂處加置400 kg人工質(zhì)量，使得振動(dòng)臺(tái)實(shí)際承載能力與人工質(zhì)量的相似程度更加精確.

ma的計(jì)算公式如式（1）：

式中：ma為人工質(zhì)量；CE為彈性模量相似常數(shù)；Cl為結(jié)構(gòu)尺寸相似常數(shù)；mp為原型質(zhì)量；mm為模型質(zhì)量.

2.3 模型樁及模型土設(shè)計(jì)

翔安大橋大直徑變截面群樁選用C35 水下海工耐久混凝土，抗壓強(qiáng)度為48 MPa，選用微粒混凝土配置樁身，測(cè)得其抗壓強(qiáng)度（28 d）為14 MPa，符合相似比關(guān)系.鋼筋采用鍍鋅鐵絲模擬，樁身配筋率2.4%，主筋材料選取4 根直徑為4 mm 的鍍鋅鐵絲，并配置抵抗剪切作用的螺旋箍筋，箍筋選取1 根直徑為2.8 mm 的鍍鋅鐵絲.模型樁樁長(zhǎng)90 cm，樁徑5.0 cm（4.3 cm），樁間距10.8 cm，承臺(tái)尺寸為29.6 cm×22 cm×9 cm，模型樁如圖3所示，具體參數(shù)見表2.

圖3 模型樁示意圖Fig.3 Schematic diagram of model pile

基于翔安大橋地質(zhì)勘查資料，中風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度為68 MPa，試驗(yàn)以土體抗壓強(qiáng)度作為主要控制指標(biāo)，采用微?；炷聊M中風(fēng)化花崗巖，測(cè)得其抗壓強(qiáng)度（28 d）為19 MPa，符合相似比關(guān)系.采用液限儀測(cè)得模型土液限，如圖4 所示.試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯羺?shù)見表3，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021―2001）［31］，天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限的細(xì)粒土為軟土.

表3 模型土參數(shù)Tab.3 Model soil parameter

圖4 液限儀Fig.4 Liquid limit device

采用篩分法測(cè)得模型土及原狀土的級(jí)配曲線如圖5所示.

圖5 土的級(jí)配曲線Fig.5 Gradation curve of soil

2.4 地震波選取

本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)為不同類型地震波作用下軟土震陷特性及大直徑變截面群樁動(dòng)力響應(yīng)分析，地震波類型為5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro波，如圖6 所示.5010 波和1004 波為針對(duì)翔安大橋場(chǎng)地人工合成的地震波，Kobe 波為1995 年日本阪神地震記錄的地震波，El-Centro 波為世界上第一條成功記錄全過(guò)程數(shù)據(jù)的地震波.其中5010波和1004波較Kobe波和El-Centro波頻率更高，高幅值持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng).

圖6 地震波Fig.6 Seismic waves

2.5 試驗(yàn)工況及測(cè)試元件

本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)選取地震波強(qiáng)度0.15g時(shí)的四種類型地震波（5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波），研究不同類型地震波作用下震陷場(chǎng)地大直徑變截面群樁樁周土層震陷量、樁身加速度響應(yīng)、樁頂水平位移響應(yīng)及樁身彎矩響應(yīng).試驗(yàn)工況見表4.

表4 試驗(yàn)工況Tab.4 Test conditions

在模型樁的樁頂、軟土層中部、土層分界面、變截面及基巖面對(duì)稱布設(shè)電阻式應(yīng)變片，并對(duì)應(yīng)變片涂抹環(huán)氧樹脂進(jìn)行防水處理.考慮承臺(tái)在地震作用下的慣性力，將加速度傳感器、拉線相對(duì)式位移傳感器分別布設(shè)于樁身及樁頂.測(cè)試元件布設(shè)如圖7所示.

圖7 測(cè)試元件布設(shè)（單位：cm）Fig.7 Layout of test components（unit：cm）

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土層震陷量分析

地震荷載作用下，軟土地基將產(chǎn)生不同程度的變形且不能完全恢復(fù)，使土體發(fā)生震陷［32］.地震動(dòng)強(qiáng)度為0.15g時(shí)四種類型地震波（5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下四樁基礎(chǔ)樁周土層震陷量變化規(guī)律如圖8所示.

圖8 樁周土層震陷量變化規(guī)律Fig.8 Variation law of seismic subsidence of soil layer around pile

不同類型地震波作用下，軟土均發(fā)生震陷.在5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波作用下，樁周土層震陷量分別為0.18 cm、0.21 cm、0.22 cm、0.16 cm，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是軟土在地震荷載下抗剪強(qiáng)度降低，土體模量減小，宏觀表現(xiàn)為土體“軟化”；其次，地震動(dòng)荷載作用下，地震慣性力作用效應(yīng)明顯，土體剪應(yīng)力增大，導(dǎo)致土體發(fā)生滑動(dòng)，土體塑性變形發(fā)展較快，產(chǎn)生沉陷；最后，長(zhǎng)期荷載下軟土產(chǎn)生再固結(jié)變形.

3.2 樁身加速度動(dòng)力響應(yīng)分析

3.2.1 樁身加速度響應(yīng)

樁身加速度放大系數(shù)是指輸出峰值加速度αmax與輸入地震動(dòng)峰值加速度α′max之比［33］.

地震動(dòng)強(qiáng)度為0.15g時(shí)四種類型地震波（5010波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下大直徑變截面群樁基礎(chǔ)樁身加速度及樁頂加速度放大系數(shù)變化規(guī)律如圖9、圖10所示.

圖9 樁身加速度變化規(guī)律Fig.9 Variation law of pile acceleration

圖10 樁頂加速度放大系數(shù)Fig.10 Pile top acceleration amplification factor

由圖9 可知，地震波類型不同時(shí)，大直徑變截面群樁基礎(chǔ)樁身加速度均沿樁端至樁頂逐漸增大，但仍存在一定差異，樁身加速度分別在1004 波和Kobe波作用下達(dá)到最大、最小值.這是因?yàn)椴煌愋偷卣鸩ǖ姆逯?、頻率、周期等頻譜特性存在明顯差異，且軟土對(duì)不同類型地震波的放大程度不同.群樁基礎(chǔ)樁身加速度在軟土層中增長(zhǎng)速度較強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中更快，即加速度由樁端傳至樁頂，其加速度反應(yīng)有所增大，這是因?yàn)?，一方面地震作用下軟土層發(fā)生震陷，強(qiáng)度降低；另一方面，樁頂嵌入承臺(tái)，而輸入地震波頻率不同于承臺(tái)結(jié)構(gòu)的自振周期，對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響較小，因此下部樁基加速度反應(yīng)大于承臺(tái).群樁基礎(chǔ)樁身變截面位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，變截面位置處加速度發(fā)生突變，顯著增大，這是因?yàn)檐浲翆影l(fā)生震陷，樁周土層覆蓋范圍減小，樁基礎(chǔ)自由長(zhǎng)度增大，巖土體對(duì)樁身整體約束作用減弱，樁-土整體穩(wěn)定性較差.

由圖10 可知，地震波類型不同時(shí)，樁頂加速度均存在放大效應(yīng)，這是因?yàn)檐浲琳鹣莺髲?qiáng)度降低，地震波傳遞介質(zhì)“疏密”程度發(fā)生變化，受慣性影響，透射波振幅大于入射波振幅，宏觀表現(xiàn)為樁頂加速度增大.在5010、1004、Kobe、El-Centro 地震波作用下群樁基礎(chǔ)樁頂加速度放大系數(shù)分別為1.30、1.53、1.16、1.36，均大于1.0，說(shuō)明放大程度與輸入地震波周期、頻率等因素及樁周土層對(duì)地震波的敏感程度有關(guān).

3.2.2 樁身加速度動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析

在不同類型地震波作用下，樁頂、變截面處及樁端加速度時(shí)程響應(yīng)變化規(guī)律如圖11～圖13所示.

圖12 變截面處加速度時(shí)程響應(yīng)Fig.12 Acceleration time history response at variable cross section

圖13 樁端加速度時(shí)程響應(yīng)Fig.13 Response of pile tip acceleration time history

從圖11～圖13 中可以看出，群樁基礎(chǔ)的樁頂、變截面處、樁端加速度時(shí)程響應(yīng)規(guī)律均隨著輸入地震波類型的變化而變化，但與輸入地震波形狀大致相同.相比而言，地震波類型相同時(shí)，群樁基礎(chǔ)的樁端加速度時(shí)程響應(yīng)曲線更為“密集”，這是因?yàn)?，一方面軟土層發(fā)生震陷后強(qiáng)度降低，對(duì)地震波存在一定的“濾波”作用；另一方面，樁端加速度時(shí)程響應(yīng)曲線含較多的高頻成分，對(duì)輸入地震波的高頻成分響應(yīng)更敏感，而變截面處于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，未發(fā)生震陷，對(duì)輸入地震波的頻率干擾較小.

不同類型地震波作用下，樁身不同位置處與輸入地震波兩者加速度峰值時(shí)刻均不同，且樁身加速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻較晚，以5010 波為例，樁頂、變截面處、樁端加速度峰值分別出現(xiàn)在14.5 s、16.29 s、19.71 s，與地震波峰值出現(xiàn)時(shí)刻相比分別滯后了6.92 s、8.71 s、12.13 s.

3.3 樁頂水平位移動(dòng)力響應(yīng)分析

地震動(dòng)強(qiáng)度為0.15g時(shí)四種類型地震波（5010波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移時(shí)程響應(yīng)如圖14所示.

圖14 樁頂水平位移時(shí)程響應(yīng)Fig.14 Time history response of pile top horizontal displacement

由圖14 可知，不同類型地震波作用下，群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移變化不同.在5010波、1004波、Kobe波及El-Centro 波作用下，群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移分別在23.04 s、13.11 s、10.77 s 和7.31 s 時(shí)刻達(dá)到振幅最大值.35 s 后地震動(dòng)逐漸削弱，在5010 波和1004波作用下，樁頂水平位移均不再變化，位移時(shí)程曲線近似變成一條直線，但地震消失后位移并未回到零處，其基線產(chǎn)生偏移，即在振動(dòng)停止后樁頂產(chǎn)生永久側(cè)向位移，這是因?yàn)樵诘卣鹱饔孟拢浲涟l(fā)生震陷，此時(shí)樁基礎(chǔ)周圍土層約束減小，樁基礎(chǔ)側(cè)向力減小，導(dǎo)致樁頂變形增大.

由圖14 可知，群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移最大值有所不同，5010波、1004波、Kobe波和El-Centro波作用下，樁頂水平位移最大值分別為0.51 mm、0.43 mm、0.58 mm、0.55mm.這是因?yàn)?，一方面地震波類型不同時(shí)，震陷土層震陷量有所差異，震陷過(guò)程中，震陷土層對(duì)于樁基礎(chǔ)的約束減小，導(dǎo)致其無(wú)法提供足夠的樁側(cè)土抗力，樁頂位移增加較快；另一方面，樁頂水平位移受地震波類型的影響，不同類型地震波周期、持時(shí)等特性有所不同.

3.4 樁身彎矩動(dòng)力響應(yīng)分析

3.4.1 樁身彎矩響應(yīng)

地震動(dòng)強(qiáng)度為0.15g時(shí)四種類型地震波作用下群樁基礎(chǔ)樁身彎矩變化規(guī)律如圖15所示.

圖15 群樁基礎(chǔ)樁身彎矩變化規(guī)律Fig.15 Variation law of bending moment of pile group foundation

由圖15 可知，地震波類型不同時(shí)群樁基礎(chǔ)樁身彎矩均由樁端至樁頂呈先增大后減小的變化規(guī)律，但由于不同類型地震波的頻率、波長(zhǎng)不同，樁身彎矩值存在一定差異.樁身彎矩最大值均出現(xiàn)在震陷土層和非震陷土層分界處，這是因?yàn)樵诘卣鹱饔孟萝浲涟l(fā)生震陷，樁-震陷土發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，引起樁身彎矩變大.

由圖15 可知，不同類型地震波作用下，樁身彎矩最大值存在差異，5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro波作用下，樁身彎矩最大值分別為32.33 kN·m、30.31 kN·m、42.68 kN·m、35.57 kN·m，相比而言，Kobe波作用下樁身彎矩最大值較大.

3.4.2 樁身彎矩動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析

地震動(dòng)強(qiáng)度為0.15g時(shí)四種類型地震波（5010波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下群樁基礎(chǔ)樁身最大彎矩處時(shí)程響應(yīng)如圖16所示.

圖16 樁身最大彎矩處時(shí)程響應(yīng)變化規(guī)律Fig.16 Variation law of time history response at maximum bending moment of pile body

由圖16 可知，樁基礎(chǔ)彎矩在0～30 s 范圍內(nèi)振幅較大，整個(gè)地震歷程中樁身產(chǎn)生大彎矩的持時(shí)較長(zhǎng).振動(dòng)初期，樁周土承載力較高，側(cè)向穩(wěn)定性較強(qiáng)，故其對(duì)樁身影響較小，表現(xiàn)為變形和彎矩均較?。浑S著振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)逐漸增加，樁身彎矩大幅增加且出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)檐浲翆影l(fā)生震陷，產(chǎn)生的側(cè)向抗力減小，致使作用在樁身上的荷載較大；振動(dòng)后期，樁身彎矩顯著減小，并最終趨于零.這說(shuō)明樁基礎(chǔ)在地震停止后，樁身未產(chǎn)生永久彎矩.

在四種地震波作用下，樁身彎矩均在不同時(shí)刻達(dá)到峰值.在5010 波、1004 波、Kobe 波和El-Centro波作用下，樁身彎矩達(dá)到峰值的時(shí)刻分別為10.63 s、9.82 s、10.92 s、4.72 s.

4 結(jié)論及工程建議

結(jié)合翔安大橋工程實(shí)際情況及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）地震作用下，軟土層抗剪強(qiáng)度降低，土體模量減小，土體“軟化”；受地震慣性力效應(yīng)影響，剪應(yīng)力增大，產(chǎn)生塑性變形；長(zhǎng)期荷載作用下，產(chǎn)生再固結(jié)變形，導(dǎo)致軟土層發(fā)生震陷，震陷量為0.16～0.22 cm，其值與輸入地震波的頻譜特性有關(guān).

2）四種類型地震波作用下，群樁基礎(chǔ)的樁頂、變截面處、樁端加速度時(shí)程響應(yīng)規(guī)律均與輸入地震波形狀大致相同，但樁端加速度時(shí)程響應(yīng)曲線更為“密集”；軟土對(duì)加速度產(chǎn)生放大效果，且輸入地震波加速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻均早于樁身；樁身加速度分別在1004波和Kobe波作用下達(dá)到最大、最小值.

3）Kobe 波作用時(shí)樁頂水平位移最大，其次為El-Centro 波、5010 波和1004 波；在5010 波和1004 波作用下，樁頂產(chǎn)生永久側(cè)向位移.

4）四種類型地震波作用下，樁身彎矩變化規(guī)律基本相同，均由樁端到樁頂呈先增大后減小的變化規(guī)律；Kobe 波作用下，樁身彎矩峰值最大，且彎矩峰值出現(xiàn)時(shí)刻最晚.

針對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究結(jié)果，提出以下工程建議：

1）軟土場(chǎng)地條件下進(jìn)行橋梁樁基抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮震陷土層與非震陷土層分界處、變截面附近處的抗彎能力，以滿足橋梁工程抗震設(shè)防烈度要求.

2）大直徑變截面群樁基礎(chǔ)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同樁基特性可選用不同地震波類型進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算，其中，加速度時(shí)程響應(yīng)可選1004 波驗(yàn)算，樁頂相對(duì)位移及樁身彎矩時(shí)程響應(yīng)可選取Kobe 波進(jìn)行驗(yàn)算分析.