樁基礎(chǔ)與復(fù)合地基動(dòng)力響應(yīng)特性的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

潘 婧

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

我國(guó)國(guó)土面積超50%比例位于高地震高烈度區(qū)域，地質(zhì)烈度達(dá)到Ⅷ度及以上，因此建筑物的抗震特性是關(guān)系到我國(guó)廣大人民生命安全的重大問(wèn)題。

當(dāng)震害發(fā)生時(shí)，不同類(lèi)型的地基基礎(chǔ)所表現(xiàn)出的抗震減震特性各不相同。針對(duì)樁基礎(chǔ)的研究相對(duì)較多，結(jié)合震害調(diào)查對(duì)其破壞機(jī)理開(kāi)展了大量考查與分析，對(duì)地基基礎(chǔ)抗震性能、破壞原因、類(lèi)型等有關(guān)認(rèn)識(shí)也逐漸提高[1-4]。從1975年開(kāi)始的近40年間發(fā)生的地震記錄可以看出，建筑樁基極易受地震影響發(fā)生損害，其主要原因是樁-土地震協(xié)同效應(yīng)未得有深入研究[2-5]，在此基礎(chǔ)之上形成了Winkler地基梁法[6]，Matlock[7]、Novak[8]等理論-經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型。復(fù)合地基方面，劉廣均等[9]人研究CFG樁復(fù)合地基的抗震效果，提出在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮褥墊層的鏈接效果，以保證上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的整體剛度；宋春雨[10]在Winkler模型的基礎(chǔ)上，研究了水泥樁復(fù)合地基的抗震效果，對(duì)地基的剪切波速、土層厚度以及地震頻率與單樁最大彎矩的關(guān)系進(jìn)行了探討；李海曉[11]分析復(fù)合地基在地震作用下的反應(yīng)時(shí)，采用增量迭代法進(jìn)行分析并考慮了等價(jià)線性模型，計(jì)算結(jié)果表明天然地基經(jīng)過(guò)加固形成復(fù)合地基后，其力學(xué)性能和動(dòng)力反應(yīng)特性有了明顯改善，從而提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。

以剛性樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，以貢貝州復(fù)合地基項(xiàng)目為背景工程，基于相似原理建立剛性樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)應(yīng)變、加速度和位移等地震特性表征參量，對(duì)比分析從而獲得兩者的動(dòng)力響應(yīng)特性，研究結(jié)果旨在為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的臺(tái)陣由兩個(gè)振動(dòng)臺(tái)組成。兩個(gè)單臺(tái)均為三向六自由度，其中A臺(tái)為固定臺(tái)，B臺(tái)為移動(dòng)臺(tái)，能夠在2～22m的直線范圍內(nèi)移動(dòng)。整個(gè)振動(dòng)臺(tái)陣可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)獨(dú)立工作、兩臺(tái)同步工作和兩臺(tái)關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)等3種工作模式。兩振動(dòng)臺(tái)技術(shù)參數(shù)相同，最大試件重量35t，最大傾覆力矩70t·m，最大回轉(zhuǎn)力矩35t·m，工作頻率范圍0.1～50Hz，最大水平位移±150mm，最大豎向位移±100mm，最大水平速度±800mm/s，最大豎向速度±600mm/s，最大加速度±1.0g。

試驗(yàn)開(kāi)展復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)特性的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)各1組，模型設(shè)計(jì)、制作分述如下。

1.1 模型設(shè)計(jì)

某復(fù)合地基工程采用剛性樁復(fù)合地基，樁徑0.6m，樁長(zhǎng)8m，樁間距1.7m，褥墊層厚度0.3m。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)尺寸建立的復(fù)合地基模型幾何相似比10∶1，承臺(tái)基礎(chǔ)埋深3.6m，設(shè)計(jì)的復(fù)合地基模型中承臺(tái)尺寸為0.33m×0.33m×0.36m，承臺(tái)下布置5根剛性樁，樁徑6cm，樁長(zhǎng)80cm，樁間距17cm，褥墊層厚度3cm。模型中單樁質(zhì)量5.652kg，承臺(tái)質(zhì)量98.01kg。根據(jù)上部荷載重量，利用等效密度相似比原理，確定模型上需施加等效質(zhì)量87.161kg。放置高度為1m，選用φ48mm鋼管螺栓連接。為便于對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，建立的樁基礎(chǔ)模型與復(fù)合地基模型基本相似，僅去掉了褥墊層。模型示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

1.2 模型制作

1.2.1結(jié)構(gòu)模型制作

本次試驗(yàn)中并不分析結(jié)構(gòu)的破壞情況，因此承臺(tái)與樁基礎(chǔ)按照幾何相比為10和容重相似比為1的要求，采用微顆?；炷林瞥?。制作的承臺(tái)模型尺寸為0.33m×0.33m×0.36m。制作的樁基模型在樁頂預(yù)留了固定螺孔，當(dāng)樁頂與承臺(tái)用螺桿固定時(shí)，則模擬樁基礎(chǔ)模型；當(dāng)樁頂與承臺(tái)不用螺桿固定時(shí)，則模擬復(fù)合地基模型。

1.2.2地基土模型制作

根據(jù)相似原理可知，為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在開(kāi)展模型試驗(yàn)時(shí)，需保證模型材料與原狀土的物理性質(zhì)相同。由于缺少原狀土物理性質(zhì)的相關(guān)信息，需結(jié)合《相似理論與靜力學(xué)模型試驗(yàn)》[12]和《相似材料和相似模型》[13]得出地基土的配比，以開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)?；谝陨戏治?，得出地基土采用的材料配比為水∶水泥∶石灰∶粗砂=0.5∶1∶0.58∶5，相似材料的具體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料中地基土的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 模型填筑

在巖土工程振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中，常采用層狀剪切變形模型箱、碟式容器、普通剛性箱+內(nèi)襯和柔性容器等開(kāi)展試驗(yàn)。結(jié)合本試驗(yàn)的規(guī)模及剛度實(shí)際情況，宜采用鋼板+型鋼制作的剛性模型箱，其內(nèi)部尺寸為1.93m×1.93m×1.3m(長(zhǎng)×寬×高)，模型箱底板及骨架材料主要由鋼板、角鋼、槽鋼組成。為避免振動(dòng)波在模型箱邊界的反射，最大程度的消除邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響，還在模型振動(dòng)方向兩端壁加貼厚度30mm的吸波材料。

在開(kāi)展次試驗(yàn)過(guò)程中，首先采用對(duì)填料進(jìn)行攪拌，然后將試驗(yàn)材料利用龍門(mén)吊填筑于模型箱內(nèi)；在填筑20cm后，對(duì)其填筑密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)密實(shí)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，再進(jìn)行下一層填筑，為保證平面內(nèi)密實(shí)度的均勻性，采用機(jī)械振搗結(jié)合人工振搗相進(jìn)行壓實(shí)，并在模型的邊界處采用人工壓實(shí)，以保證壓實(shí)質(zhì)量。另外，在模型填筑過(guò)程中，傳感器的布置位置需與試驗(yàn)方案一致，盡量避免在埋設(shè)過(guò)程中損壞傳感器。

2 監(jiān)測(cè)及加荷方案

2.1 監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)地震荷載作用過(guò)程中模型樁基和復(fù)合地基中樁身上、中、下部位加速度、位移、應(yīng)變的響應(yīng)值。

在模型配重位置、承臺(tái)頂部、承臺(tái)底部、樁頂、樁中、樁端、模型箱底部、土層表面和土層中間各布置一個(gè)加速度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的加速度場(chǎng)。在承臺(tái)表面、樁頂、樁中和樁端各布置一個(gè)應(yīng)變片，用于測(cè)試結(jié)構(gòu)應(yīng)變。在配重位置和承臺(tái)位置各布置一個(gè)水平位移計(jì)，在模型箱外布設(shè)了兩個(gè)激光位移計(jì)，用于測(cè)試試驗(yàn)中模型各位置的位移情況。測(cè)試元件布置示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)元件布設(shè)位置示意圖

采用兩套采集系統(tǒng)同步平行采集，包括BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和東華DH5923動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)擁有128通道，最大引用誤差≤0.5%；東華動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀擁有32通道，最大采樣頻率為5kHz通道。

2.2 加載方案

試驗(yàn)采用輸入加速度時(shí)程實(shí)現(xiàn)地震波的模擬，地震波以汶川臥龍臺(tái)地震波為主，經(jīng)歸一化統(tǒng)一處理后使基準(zhǔn)地震波幅值變?yōu)?.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.6g、0.8g的三向地震動(dòng)時(shí)程，圖3為幅值調(diào)整為0.1g后地震波的三向地震動(dòng)加速度時(shí)程，x、y、z向三向分別輸入EW、NS及UP波。

圖3 汶川臥龍地震波

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁身應(yīng)變對(duì)比分析

為了測(cè)試樁身應(yīng)變，分別選取了2個(gè)模型中一根典型的樁進(jìn)行分析。該樁自上而下布設(shè)了3個(gè)應(yīng)變片(樁身縱向)，以樁身上部試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 樁身應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，因此從圖4中抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)，以峰值加速度0.4g的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行對(duì)比分析。復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)模型中1#樁樁頂位置應(yīng)變時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 樁身應(yīng)變?cè)囼?yàn)對(duì)比結(jié)果

從圖中5可以看出，樁基礎(chǔ)模型中測(cè)試樁上部的峰值應(yīng)變超過(guò)60μ，而復(fù)合地基模型中的剛性樁上部的峰值應(yīng)變約15μ，前者約為后者的4倍。復(fù)合地基抗震性能優(yōu)于樁基礎(chǔ)。

3.2 加速度和位移對(duì)比分析

為了測(cè)試場(chǎng)地的加速度響應(yīng)，在配重、承臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面處分別布設(shè)了三向加速度測(cè)點(diǎn)，因需與樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，本文僅針對(duì)樁頂處模型加速度進(jìn)行分析，同時(shí)選取了與復(fù)合地基模型相同測(cè)點(diǎn)處的位移進(jìn)行對(duì)比。

同樣以峰值加速度0.4g的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析。復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)模型配重位置加速度時(shí)程曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，樁基礎(chǔ)模型配重位置峰值加速度約4.5m/s2，復(fù)合地基模型配重位置峰值加速度約3m/s2，復(fù)合地基模型中配重位置加速度更小。

圖6 結(jié)構(gòu)加速度對(duì)比結(jié)果

復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)模型配重位置位移時(shí)程曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，樁基礎(chǔ)模型配重位置峰值位移約38mm，復(fù)合地基模型配重位置峰值位移約56mm，樁基礎(chǔ)模型中配重位置位移更小。

圖7 結(jié)構(gòu)位移對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

地震發(fā)生時(shí)，不同類(lèi)型的地基基礎(chǔ)所表現(xiàn)出的抗震減震特性各不相同。建筑地基基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)特性關(guān)系到人民生命安全。本文以貢貝州剛性樁復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)的抗震減震特性對(duì)比分析研究，結(jié)果表明：

(1)相同設(shè)計(jì)、地震荷載條件下，樁基礎(chǔ)模型中測(cè)試樁上部的峰值應(yīng)變量約為復(fù)合地基模型中剛性樁上部峰值應(yīng)變的4倍。

(2)相同設(shè)計(jì)、地震荷載條件下，樁基礎(chǔ)樁頂處峰值加速度約為復(fù)合地基中樁頂位置峰值加速度的1.5倍；但是位移變化則相反。

(3)綜合而言，相同設(shè)計(jì)、地震荷載條件下，在建筑結(jié)構(gòu)位移滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，復(fù)合地基動(dòng)力響應(yīng)優(yōu)于樁基礎(chǔ)。