設(shè)抗震增強體的樁基礎(chǔ)力學(xué)特性的原位試驗研究

楚 斌

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

設(shè)抗震增強體的樁基礎(chǔ)力學(xué)特性的原位試驗研究

楚 斌

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

在過去的大地震中，許多樁基礎(chǔ)因強烈振動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)置抗震增強體，以與樁基礎(chǔ)的鋼筋混凝土承臺形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)。采用等比例模型原位水平載荷試驗和振動試驗以及開挖檢查等方法，對抗震加固的力學(xué)特性和構(gòu)建質(zhì)量進(jìn)行加固前后的對比研究，進(jìn)而證實了該加固方法的有效性和可行性，為同類工程起到了一定的參考意義。

抗震加固方法；增強體；水平載荷試驗；振動試驗

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)對地基的要求也越來越高，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重要的研究熱點。黃雨等[13]對國內(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制。馮士倫等[14]通過振動臺試驗，研究了飽和砂土中樁基的震動特性，對樁土振動過程中的動力相互作用有了初步的認(rèn)識，為建立經(jīng)濟實用、安全可靠的液化土中樁基抗震設(shè)計方法提供了參考。費恩泉[15]指出地震對樁基礎(chǔ)的破壞，主要是地震剪力超過基礎(chǔ)樁的強度，因此，對樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計，關(guān)鍵是要提高基礎(chǔ)樁的水平抗力。事實上，樁基礎(chǔ)的加固方法受結(jié)構(gòu)、場地和空間等的限制很大，抗震加固難度較大。為解決這個問題，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)段的樁群周圍構(gòu)建加固體，使其與樁和基礎(chǔ)組合形成一個雙層抗彎結(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，水平和垂直振動試驗，研究加固后樁基礎(chǔ)的抗震性能和建筑質(zhì)量，以驗證該抗震加固方法的效果和可行性。

1 等比例模型試驗要點

等比例模型試驗采用的樁基礎(chǔ)和土層信息如圖1所示。該試驗用的樁基礎(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0.5 m，承臺尺寸為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)變計及其保護裝置(L形鋼)。另外，為消除鋼筋混凝土承臺和地基土之間的摩擦力，在鋼筋混凝土承臺的底下設(shè)置一層5 cm厚的聚苯乙烯泡沫。

圖1 等比例試驗?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)筑的抗震增強體，將鋼管樁樁群在中部施加約束，并與鋼筋混凝土承臺形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)，增強體的約束效應(yīng)使樁基礎(chǔ)的剛度得以提高。

抗震增強體的水平尺寸鋼筋混凝土承臺相同，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個傾斜噴射水泥漿形成?？拐鹪鰪婓w的設(shè)計強度為1 MPa?？拐鹪鰪婓w構(gòu)建方式示意圖見圖2，12個注漿點的具體位置和注漿次序如圖3所示。

采用水平載荷試驗和振動試驗研究抗震增強體的力學(xué)行為與抗震效果。

圖2 抗震增強體構(gòu)建方式示意圖

圖3 抗震增強體的構(gòu)建注漿順序示意圖(mm)

2 水平載荷試驗

2.1 試驗要點

為了便于對比樁基礎(chǔ)的受力特點，在抗震增強體構(gòu)建前后分別進(jìn)行水平載荷試驗。在水平載荷試驗中，采用2個油壓千斤頂施加多循環(huán)單軸水平荷載。水平載荷試驗中采用的位移傳感器、傾角儀、荷載箱和應(yīng)變計等測量儀器布置見圖4。1組應(yīng)變計被設(shè)置在遠(yuǎn)離千斤頂一側(cè)的一根鋼管樁上，而10組應(yīng)變計被設(shè)置在靠近千斤頂一側(cè)的一根樁上。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 荷載-位移關(guān)系

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

圖4 水平載荷試驗裝置示意圖

圖5 荷載-時間曲線

圖6 荷載-位移曲線

2.2.2 彎曲變形分布

在抗震增強體設(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)置抗震增強體的彈性梁的彎曲變形分布計算值。抗震增強體設(shè)置前的試驗結(jié)果與計算值具有很好的一致性。在抗震增強體設(shè)置后，因為設(shè)置在樁中部的抗震增強體的約束，彎曲變形在樁頂附近有所減小，而在抗震增強體的底部出現(xiàn)反向增大。同時，在抗震增強體以下的部位，彎曲變形幾乎不再發(fā)生。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要歸因于抗震增強體與鋼筋混凝土承臺組成的雙層抗彎結(jié)構(gòu)。

圖7 彎曲應(yīng)變分布(對應(yīng)于600.0 kN時的結(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，使用自編軟件計算，鋼管樁的側(cè)向位移分布和剪力分布計算結(jié)果如圖8所示。在計算過程中，繪制應(yīng)變曲線采用的深度方向微增量取dx=0.25 m。如圖8所示，通過設(shè)置抗震增強體，在3.0 m深度處，樁的側(cè)向位移大大減小。相同情況下，抗震增強體頂部附近的剪力與未設(shè)置抗震增強體相比有所增大。正因如此，在實際設(shè)計中，充分考慮通過調(diào)整抗震增強體的厚度和位置來調(diào)整剪應(yīng)力的分布是十分有必要的。

3 振動試驗

3.1 試驗要點

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

圖9 振動試驗測試裝置布置圖

3.2 試驗結(jié)果

振動頻率和振動振幅標(biāo)準(zhǔn)值與振動力之比的關(guān)系見圖10。圖10中數(shù)據(jù)來自于設(shè)置抗震增強體后的兩次振動試驗中的第二次試驗結(jié)果。結(jié)合先前的試驗，樁和承臺組合結(jié)構(gòu)(不包括地基)在設(shè)置抗震增強體前后的自然振動頻率分布為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)的振動頻率是十分困難的，因為圖10不能清晰地識別出結(jié)構(gòu)在設(shè)置抗震增強體前后的振動頻率。然而，在所有的頻率中(1 Hz～15 Hz)，相比于設(shè)置抗震增強體之前，在設(shè)置抗震增強體之后，可以觀察到振動的振幅明顯減小。這可以歸功于抗震增強體對樁基礎(chǔ)整個結(jié)構(gòu)剛度的提高。振動振幅減小的比例繪制于圖11。從圖11中不難得出，在水平振動中，位移減少了20%～30%，而在垂直振動中，位移減少了30%～40%。

表2 振動參數(shù)

圖10 諧振曲線

圖11 位移振幅減小比率

4 抗震增強體開挖觀察

在所有的水平載荷試驗和振動試驗完成以后，將抗震增強體開挖以檢查其形態(tài)和質(zhì)量。

為檢查抗震增強體的厚度，在如圖12所示的3個點沿深度方向鉆孔取芯。取芯證實，在深度方向從3.2 m～5.2 m處形成了一個均質(zhì)的抗震增強體。

為了能觀察到抗震增強體的外形和側(cè)表面，將地基開挖到深度3.5 m，開挖后抗震增強體如圖13(a)和圖13(b)所示。觀察顯示，抗震增強體滿足初始設(shè)計尺寸3.8 m×3.8 m，并且樁與抗震增強體之間粘結(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 抗震增強體鉆芯取樣點布置圖

應(yīng)用鉆芯取得的芯樣，采用無側(cè)限抗壓強度試驗以檢驗抗震增強體的強度特性。壓縮試驗荷載采用常應(yīng)變速率0.01/min控制。試驗表明，試樣28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度平均值高達(dá)4.4 MPa，即抗震增強體的實際抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計抗壓強度1.0 MPa。另外，抗震增強體的平均濕密度為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)置抗震增強體，以與樁基

圖13 開挖檢驗結(jié)果

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

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

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

(3) 開挖觀察抗震增強體，其外觀滿足初始設(shè)計尺寸，并且樁與抗震增強體之間粘結(jié)完好，其實際抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計抗壓強度。

研究表明，采用地基加固技術(shù)在樁基礎(chǔ)中設(shè)置抗震增強體，以與樁基礎(chǔ)的鋼筋混凝土承臺形成雙層抗彎結(jié)構(gòu)的抗震加固方法有效并可行，對同類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，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計及監(jiān)測工作。E-mail: chu0319@sina.com

TU45

A

1672—1144(2017)02—0194—05