PHC管樁在地震載荷作用下土—樁—結構相互作用的研究

楊 小 靜

(山西建筑工程集團有限公司,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管樁的應用與防震處理問題。目前抗震形式的基本方式就是采取樁基礎處理，也是建筑領域預防地基失效的經(jīng)常選擇的工藝措施，根據(jù)實踐，在液化地基工程施工流程中，若采用管樁方式，當把樁尖打入持力層，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)生巨大應力帶來的震害，基于此樁基被廣泛的應用。PHC管樁(預應力高強度混凝土樁)，因自身的良好的工程應用特點，高強度和承載力、強穿透力、快速沉降固定、工期短且價格便宜等優(yōu)點被工程經(jīng)常采用，在高層建筑的樁基中，據(jù)調查PHC管樁的應用占10%左右，這個比例還在增加，太原近幾年建筑行業(yè)發(fā)展比省內各地市相對較快，PHC管樁在建筑中的應用比例也在不斷增加，研究PHC管樁在地震載荷作用下土—樁—結構相互作用對建筑工程的質量提升有很重大的影響。

1 地震載荷下土—樁—結構相互作用的形式

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

2 相互作用實驗

2.1 實驗前準備工作

要選好振動臺、模型結構材料；做好模型土箱的設計工作，分析實驗相關參數(shù)設計及測點的合理布局；做好波源的分析和發(fā)出激勵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構來作為靜態(tài)施壓載荷，按力學相似比的原理，可用1.2 m的實體圓形柱體來替代施力，土體的配置各層土容重、含水率、孔隙比等物理指標的相似性。

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

2.2 實驗觀察

樁、土的振動變化隨激勵波形不同、地震波峰值不同而不同，當峰值A變小，上部結構和土體自身的振幅也隨著變小，反之，當震波峰值A變大，上部、土體及相互作用結構的變化并沒有隨著出現(xiàn)相應的大幅增大，但是上部結構中樁頭的振幅及應變時程都會隨著相應增加。土體沉降速度在地震波激勵整個過程中以平均每次0.5 mm的速度進行。

上部結構的穩(wěn)定性隨樁植入數(shù)量不同，傾斜度不同。試驗結束后測得，使用單樁沿振動方向傾斜5°，使用3樁上部結構略有傾斜，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，當加速度峰值增大時，在30 s內，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。單樁應力集中最大，裂縫最長1.98 cm，三樁、六樁應力分散，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，不論是幾樁均能明顯的觀察到析水現(xiàn)象，中震(0.58g)時析水現(xiàn)象最為明顯。不論什么條件下，整個實驗環(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

實驗中波峰增大，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)，通過對土質材料特性的研究，這種現(xiàn)象是由于應力在施加過程中，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造逐漸松散，土質軟化，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 加速度反應及放大系數(shù)變化

模擬期間當震波上傳期間，隨著時間變化，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反應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，當加載波源在(0.584g,1.143g)下時，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)是因為當輸入的波源振幅強度逐漸增加時，土體因為松散，剛性變小，土體承載非線性增強，傳遞能力隨之衰減。土體傳遞能力是增強還是減弱取決于土體本身結構特性，波形及激勵波強度等多個因素的綜合作用。本試驗因為土體的松散多起減震作用，在震波沖擊下，測點距離模型底部越大，峰值越小，但是在到達土地表面瞬間沖擊時會急劇放大，從測得數(shù)據(jù)分析看土體的加速度反應在高度上呈現(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—土體系并向上部結構傳遞過程中，震波頻譜自有特性會隨著傳播途徑介質的變化而發(fā)生很大變化。若輸入地震波激勵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

從實驗的情況來看，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，在單個樁的實驗中，這種情況尤為明顯，原因是在激勵振動下，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。多樁試驗與上述規(guī)律基本一致，但是因為樁的個數(shù)增多，群體效應共同承載，上下差別較小。但是在液化試驗條件下，由于樁體上下部沙土層，土質結構的流動性，附著性等都有明顯不同，接觸壓力上下部位差異較大，輸入的振動強度越大，這種現(xiàn)象越明顯。

4 結語

通過本次實驗，可以很好的了解在不同地震載荷下，PHC管樁的土—樁—結構相互作用下各個方面的變化情況，及樁體、基地因為不同震波的作用而可能受損的情況，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計及施工提供推算參考，也為進一步開展模型仿真計算提供了基礎。