不同厚度液化土層大直徑變截面六樁基礎(chǔ)振動臺模型試驗研究

摘要： 為研究不同厚度液化土層大直徑變截面六樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)特性，依托廈門第二東通道翔安大橋?qū)嶓w工程，通過室內(nèi)振動臺模型試驗，選取地震動強(qiáng)度分別為0.15g、0.25g、0.35g、0.45g的5010波，開展液化土層厚度分別為30、40、50 cm時飽和砂土孔壓比、大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的樁身加速度、樁身彎矩、樁頂水平位移的動力特性研究。結(jié)果表明：不同飽和砂土層厚度下，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的樁身加速度及彎矩在變截面和土層分界面處發(fā)生突變；同一土層厚度下，隨著地震動強(qiáng)度從0.15g增大到0.45g，飽和砂土孔壓比、六樁基礎(chǔ)的樁身加速度、樁頂水平位移、樁身彎矩均增大；0.15g地震動強(qiáng)度下，隨著飽和砂土層厚度增大，飽和砂土孔壓比穩(wěn)定值減小，但六樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移、樁身加速度及彎矩峰值均逐漸增大且增幅變大。建議在液化場地大直徑變截面樁基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)特別考慮大直徑變截面六樁基礎(chǔ)在不同液化土層厚度下的動力響應(yīng)差異，并注重變截面和土層分界面的抗彎性能，以保證六樁基礎(chǔ)的抗震性能。

關(guān)鍵詞： 樁基； 大直徑變截面六樁； 振動臺試驗； 動力響應(yīng)； 飽和砂土

中圖分類號： TU473.1； TU435 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " "文章編號： 1004-4523（2025）03-0595-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.03.016

Experimental study on shaking table model of six piles with large diameter and variable section in different thickened soil layers

FENG Zhongju1， LI Yuanpeng1， WANG Wei1， ZHANG Cong1， LI Zonghai2，

ZHAO Ruixin1， WANG Siqi1

（1.School of Highway， Chang’an University， Xi’an 710064， China； 2.Xiamen Road and Bridge Engineering Investment and

Development Co.， Ltd.， Xiamen 361026， China）

Abstract： In order to study the dynamic response characteristics of six-pile foundation with large diameter and variable section in different layers of liquefied soil， 5010 waves with ground motion intensity of 0.15g， 0.25g， 0.35g and 0.45g are selected through indoor shaking table model test based on the solid project of Xiangan Bridge in Xiamen Second East Passage. The dynamic characteristics of saturated sand pore pressure ratio， pile acceleration， pile bending moment and pile top horizontal displacement of six pile foundations with large diameter and variable section are studied when the thicknesses of the liquefied soil layer are 30， 40 and 50 cm. The results show that the acceleration and bending moment of six-pile foundation with large diameter and variable section change abruptly at the interface between variable section and soil layer under different thicknesses of saturated sand layer. Under the same soil thickness， with an increase of ground motion intensity from 0.15g to 0.45g， the pore pressure ratio of saturated sand， pile acceleration， horizontal displacement of pile top and pile bending moment all increase. Under the ground motion intensity of 0.15g， the stable value of pore pressure ratio of the six-pile foundation decreases with an increase of saturated sand layer thickness， but the horizontal displacement of pile top， pile acceleration and peak bending moment of the six-pile foundation gradually increase and increase. It is suggested that in the design of large diameter variable section pile foundation in liquefaction site， special consideration should be given to the dynamic response difference of six large diameter variable section pile foundation under different thickness of liquefied soil layer， and pay attention to the flexural performance of the interface between the variable section and soil layer， so as to ensure the seismic performance of the six pile foundation.

Keywords： pile foundation；six piles with large diameter and variable section；shaking table test；dynamic response；saturated sandy soil

近年來，液化場地樁基震害時有發(fā)生，如日本的Tamaga wa橋和昭和公路大橋、中國唐山市的勝利橋、新西蘭的科倫坡街橋等均處于液化場地，地震時砂土液化導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，對樁基的約束作用減弱，樁基受到破壞引發(fā)上部結(jié)構(gòu)甚至全橋發(fā)生損傷，嚴(yán)重影響橋梁安全［1?3］，大直徑變截面樁基因其優(yōu)良的抗震性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益被廣泛應(yīng)用于深水橋梁樁基建設(shè)［4］。由于跨海大橋樁基礎(chǔ)大多穿越淤泥等液化土層，在強(qiáng)震作用下液化土層強(qiáng)度降低威脅著橋梁安全，同時不同樁基橋位不同，海床面厚度有所區(qū)別，對大直徑變截面橋梁樁基的抗震設(shè)計造成困擾［5?7］。因此，研究不同厚度液化土層大直徑變截面六樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)特性問題尤為必要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于液化場地樁基的動力響應(yīng)有著深入研究。馮忠居等［8?11］通過振動臺試驗，探明了強(qiáng)震作用下砂土液化對橋梁樁基力學(xué)特性的影響，研究了強(qiáng)震作用下液化場地中樁?土之間的作用特性，同時分析了該場地下變截面樁、群樁的動力響應(yīng)規(guī)律。李雨潤等［12］應(yīng)用ABAQUS軟件討論了可液化土層樁體抗震側(cè)向承載力的計算方法。唐亮等［13］基于數(shù)值模擬和振動臺實驗，對液化場地橋梁樁基改進(jìn)m值法進(jìn)行了研究。蔡可鍵［14］基于動力學(xué)模型，通過將土體簡化為獨立的彈簧和阻尼器的方法，建立水平振動方程，研究了樁基橫向非線性動力響應(yīng)特性。然而，樁基在抗震過程中并非孤立存在，而是和上部結(jié)構(gòu)緊密連接，為進(jìn)一步探明砂土液化對樁基和上部結(jié)構(gòu)的影響。劉星等［15］使用OpenSees軟件，將地基、群樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)作為一個系統(tǒng)，重點分析了可液化地基在地震作用下樁身彎矩受樁與土相互作用影響的規(guī)律。許成順等［16］通過土?群樁?上部結(jié)構(gòu)體系大型振動臺試驗，重點探究了地震動條件下可液化自由場中場地加速度、孔壓比等動力響應(yīng)規(guī)律。張健等［17］利用土工離心機(jī)進(jìn)行模型試驗，采取頻譜分析的方法，研究了砂土液化和承臺共同作用下樁身彎矩的變化規(guī)律?？椎律龋?8］通過設(shè)計群樁柱墩?模型振動臺試驗，分析了地震作用下液化場地群樁?土?結(jié)構(gòu)之間的作用規(guī)律。以上研究主要集中于探索液化場地下傳統(tǒng)樁基動力響應(yīng)特性，為系統(tǒng)地揭示地震作用下液化場中不同結(jié)構(gòu)形式樁基的動力響應(yīng)特性的響應(yīng)規(guī)律，部分學(xué)者基于數(shù)值模擬的方法展開了研究工作。高盟等［19］利用FLAC3D軟件，分析了液化場地下大直徑擴(kuò)底樁的動力響應(yīng)特性；沈婷等［20］通過數(shù)值模擬，采取有效應(yīng)力動力分析的方法，著重研究了地震動作用下深長樁基礎(chǔ)的孔隙水壓力特性。近些年來，大直徑變截面樁基因其抗震性能好而被廣泛應(yīng)用。馮忠居等［21］依托實體工程，使用FLAC 3D軟件，研究了不同地震波作用下軟土場地大直徑變截面群樁動力響應(yīng)特性。ZHANG等［22］通過振動臺試驗，對比研究了單樁和群樁的抗液化性能，結(jié)果表明群樁的抗液化性能較好。劉忠平等［23］基于實際工程，采用推導(dǎo)分析和增量動力分析的方法研究了變截面樁在地震作用下的抗剪、抗彎強(qiáng)度，并給出了變截面位置的合理設(shè)計范圍。

綜上所述，現(xiàn)有的研究多集中于液化場地單樁的動力響應(yīng)和樁?土之間的受力特性分析，而對大直徑變截面的樁研究較少，文獻(xiàn)［24］研究了針對液化場地等截面樁和變截面樁的動力響應(yīng)差異問題。因此，本文通過振動臺模型試驗，研究不同厚度液化土層及不同地震動強(qiáng)度下飽和砂土孔壓比、大直徑變截面六樁樁頂水平位移、樁身加速度及彎矩等變化規(guī)律，以期為液化場地的橋梁樁基設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 依托工況

廈門第二東通道翔安大橋H15采用大直徑變截面六樁基礎(chǔ)，樁長45 m、樁徑2.5/2.15 m、樁間距5.4 m，其土層分布如圖1所示。根據(jù)勘察報告，該區(qū)地震烈度為Ⅶ度且樁基穿越不同厚度的飽和砂土層，在地震作用下極易發(fā)生液化［25］。因此，亟需開展不同厚度液化土層大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的動力特性研究。

2 振動臺模型試驗

2.1 試驗設(shè)備

使用振動臺模擬地震，具體的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

綜合考慮相似比以及“模型箱效應(yīng)”帶來的誤差，選取3.05 m（長）×1.7 m（寬）×1.8 m（高）的剛性模型箱，通過在模型箱四周充填20 mm厚的泡沫，降低試驗過程中地震波反射等影響。為達(dá)到每個功能區(qū)相互不影響的目的，在滿足試驗要求的前提下，通過焊接鋼板將模型箱分割為三個功能區(qū)。圖2為模型箱示意圖。

2.2 相似比設(shè)計

該地震動模型試驗采用人工質(zhì)量模型，幾何相似比Cl=1/50，重力加速度關(guān)系Cg=1，按照土工相似原理，通過量綱分析法計算得到彈性模量相似比CE=1/3.5。各物理量相似常數(shù)如表2所示。

由于模型總質(zhì)量為模型本身質(zhì)量mm與人工質(zhì)量ma之和，因此在不影響結(jié)構(gòu)剛度的同時，綜合考慮振動臺的實際承載能力及人工質(zhì)量的相似條件，在變截面六樁樁頂設(shè)置600 kg的人工質(zhì)量［26?27］。其中，人工質(zhì)量計算公式為：

m_a=C_E C_l^2 m_p-m_m （1）

式中，mp為原型質(zhì)量。

2.3 模型樁、土設(shè)計

2.3.1 模型樁設(shè)計

模型樁長90 cm，樁徑5.0/4.3 cm，變截面位置在樁頂以下46 cm處。模型樁采用微粒混凝土材料配置，其水泥品種為中材牌普通硅酸鹽水泥，骨料采用最大粒徑為4.75的河砂，配合比為水泥∶石∶砂∶水=1.0∶4.19∶1.48∶0.60，抗壓強(qiáng)度為19.0 MPa，彈性模量為25.2 GPa［28］。箍筋型號為Q235的鍍鋅鐵絲，其屈服強(qiáng)度235 MPa，彈性模量為200 GPa，樁身配筋率為2.4%，主筋材料選取4根直徑4 mm的鍍鋅鐵絲，箍筋選取一根直徑2.8 mm的鍍鋅鐵絲，樁基模型如圖3如示。

2.3.2 模型土設(shè)計

基于廈門第二東通道翔安大橋地質(zhì)勘查資料，中風(fēng)化花崗巖抗壓強(qiáng)度為68 MPa，本次模型試驗中風(fēng)化花崗巖采用微?；炷僚渲茫ㄟ^萬能試驗機(jī)測得其抗壓強(qiáng)度為19 MPa，混凝土抗壓強(qiáng)度測試曲線如圖4所示，符合相似比關(guān)系。基巖混凝土澆筑時在樁基礎(chǔ)相應(yīng)位置設(shè)置深5 cm、直徑8 cm的預(yù)留孔，以便模型樁準(zhǔn)確就位。通過烘干法、環(huán)刀法、直剪試驗測得模型土的物理力學(xué)指標(biāo)，近似配制出原狀土樣［29?30］，模型土的物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示。填筑地基土采用分層填筑、人工夯實的方法，即按照經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)控制土的相對密實度和含水量，分層裝填碾壓并夯實到預(yù)定效果，分層裝填厚度為10 cm。填筑完成后對模型箱內(nèi)地基土取樣并測其物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)，試驗砂土的顆粒級配曲線如圖5所示。

2.3.3 地震波選取

根據(jù)該工程的勘察報告，擬建場區(qū)的地震烈度為Ⅶ度，設(shè)計地震加速度峰值為0.15g。試驗選取《廈門第二東通道橋梁段工程場地地震安全性評價報告》中針對廈門翔安大橋人工合成的5010波，即50年超越概率10%。在地震波波形不變的前提下，對其進(jìn)行比例縮放，控制其峰值加速度分別為0.25g、0.35g、0.45g，其波形如圖6所示。

2.4 試驗工況及測試元件布設(shè)

模型試驗主要研究不同地震動強(qiáng)度下，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)分別位于30、40、50 cm液化土層下六樁基礎(chǔ)的動力響應(yīng)規(guī)律。試驗采用位移傳感器測量樁頂水平位移，加速度傳感器測量樁身加速度，應(yīng)變片測量樁身應(yīng)變，其方向均沿X向，計算得出彎矩，并布設(shè)孔隙水壓力計，以測量不同強(qiáng)度的地震波作用下土體孔隙水壓力。在上部荷載作用下，群樁中邊樁和中心樁的承擔(dān)荷載大小不同［31?32］，但由于本文的研究重點在于液化土層厚度變化下樁基的動力響應(yīng)特性，故按如圖7所示方式布置測試元件。

3 動力響應(yīng)規(guī)律分析

3.1 孔壓比

不同液化土層厚度下、不同強(qiáng)度地震作用時，3種不同工況下孔壓比變化規(guī)律如圖8和9所示。

由圖8可知，同一液化土層厚度、不同地震動強(qiáng)度作用下，孔壓比變化規(guī)律基本相同。地震波剛開始加載時孔壓比的值在零點附近，隨著地震強(qiáng)度的增大，孔壓比先逐漸增大然后趨于穩(wěn)定，當(dāng)孔壓比達(dá)到0.8時，土體完全液化［24， 33］。同一液化土層厚度、不同強(qiáng)度地震作用下，孔壓比穩(wěn)定值隨著地震動強(qiáng)度的增大而增大。以液化土層厚度30 cm時為例，地震動強(qiáng)度分別為0.15g、0.25g、0.35g、0.45g時，孔壓比的穩(wěn)定值分別為0.73、0.81、0.84、0.87。這是因為隨著地震動強(qiáng)度的增大，土中的孔隙水壓力在短時間內(nèi)來不及排出，導(dǎo)致飽和砂土層孔壓比的穩(wěn)定值增大。

由圖9可知，同一地震強(qiáng)度下，隨著液化土層厚度的增加，孔壓比表現(xiàn)出滯后性。以0.15g地震動強(qiáng)度為例，液化土層厚度分別為30、40、50 cm時，孔壓比分別在10.3、10.6、11.3 s開始迅速增加，可見隨著土層深度的增加孔壓比表現(xiàn)出滯后性。同一地震強(qiáng)度下，隨著液化土層厚度的增加，孔壓比的穩(wěn)定值減小。以0.15g地震動強(qiáng)度為例，液化土層厚度分別為30、40、50 cm時，孔壓比的穩(wěn)定值分別為0.73、0.64、0.61。當(dāng)飽和砂土液化時，隨著飽和砂土層厚度的增加，孔隙水的排泄受到限制，導(dǎo)致孔隙水壓力增大，土層的抗剪強(qiáng)度減小，液化土層承載能力下降，同時孔壓比的穩(wěn)定值變小。飽和砂土層厚度增加會導(dǎo)致液化土層承載能力下降，為確保樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，建議著重考慮飽和砂土層厚度增加對孔壓比的影響。

3.2 樁身加速度響應(yīng)

不同液化土層厚度、不同強(qiáng)度地震作用時3種不同工況下樁身加速度變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10可知，各土層厚度下，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁身加速度均由樁端至樁頂逐漸增大，同一位置樁身加速度隨著地震動強(qiáng)度的增加逐漸增大。樁身加速度在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層增速較慢，在液化土層增速較快，且在土層交界面和變截面處發(fā)生突變，峰值位于樁頂。樁身加速度在變截面處發(fā)生突變是因為變截面樁樁徑由大變小，樁?土整體剛度減弱，加速度放大效果明顯。此外，樁身加速度在不同土層中增速不同且在分界面處發(fā)生突變，是因為液化土層土體較為軟弱，對樁基的約束作用較弱，且在地震作用下發(fā)生液化，強(qiáng)度降低，液化土層對地震波的放大作用增強(qiáng)。

由圖10可知，隨著液化土層厚度的增加，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂加速度均逐漸增大。以0.15g地震動強(qiáng)度為例，液化土層厚度分別為30、40、50 cm時，樁身加速峰值在樁頂處且分別為3.74、3.85、4.00 m/s2。這是由于隨著液化土層厚度的增加，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚度減小，樁側(cè)土層對樁的約束作用減弱。同時，在地震動荷載作用下，液化土層厚度的增加導(dǎo)致液化量增大，樁基自由長度變長，樁基自由段對輸入地震波的振動特性敏感。液化土層40 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂加速度較液化土層30 cm時大0.11 m/s2，液化土層50 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂加速度較40 cm時大 0.15 m/s2。可見，隨著液化土層厚度增加，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁身加速度增幅變大。

3.3 樁身彎矩

不同液化土層厚度下，不同地震動強(qiáng)度作用時3種不同工況下樁身彎矩變化規(guī)律如圖11所示。

由圖11可知，各土層厚度、大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁身彎矩均是由樁頂?shù)綐抖讼仍龃蠛鬁p小，且樁身彎矩峰值均產(chǎn)生于飽和砂土層和強(qiáng)風(fēng)化巖土層分界面處。因為在地震動作用下，飽和砂土產(chǎn)生液化，土體變軟強(qiáng)度降低，樁側(cè)土抗力減小，樁?土發(fā)生相對運動，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致樁身彎矩變大。同一位置樁身彎矩隨著地震動強(qiáng)度的增加逐漸增大，且在變截面處產(chǎn)生突變。因為變截面處樁徑變化，樁基的抗彎剛度差異較大，樁身彎矩在該處發(fā)生突變。

由圖11可知，0.15g地震動強(qiáng)度下，液化土層厚度分別為30、40、50 cm時，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁身彎矩峰值分別為36.2、38.3、46.0 kN·m，可以看出，同一地震動強(qiáng)度下，隨著液化土層厚度的增大，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁身彎矩峰值均逐漸增大。液化土層40 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)彎矩峰值較液化土層30 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)彎矩峰值大2.1 kN·m，液化土層50 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)彎矩峰值較液化土層40 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)彎矩峰值大7.7 kN·m?？梢?，隨著液化土層厚度增加，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)彎矩峰值增幅變大。同時可以看出，隨著飽和砂土層厚度的增加，樁身彎矩最大值逐漸增大。這是因為飽和砂土在振動荷載往復(fù)作用下發(fā)生液化，且在一定時間內(nèi)無法恢復(fù)，隨著液化土層厚度增大，土體破壞程度增大，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生了較大的彎矩。

3.4 樁頂水平位移

不同強(qiáng)度地震作用下，不同液化土層厚度在3種不同工況下樁頂水平位移最大值及變化規(guī)律如圖12所示。

由圖12可知，各土層厚度下，隨著地震動強(qiáng)度的增大，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移最大值均逐漸變大。以液化土層厚度30 cm為例，在地震波強(qiáng)度分別為0.15g、0.25g、0.35g、0.45g作用時，樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的位移最大值分別為0.8、1.2、1.6、1.8 mm。液化土層厚度分別為30、40、50 cm 時，以地震波強(qiáng)度0.15g為例，在其作用下，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂水平位移峰值分別為0.8、1.5、2.8 mm?？梢钥闯觯坏卣鸩◤?qiáng)度作用下，隨著液化土層厚度的增大，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂水平位移峰值均逐漸增大。液化土層40 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂水平位移峰值較液化土層30 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂水平位移峰值大0.7 mm，液化土層50 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂水平位移峰值較液化土層40 cm大直徑變截面六樁基礎(chǔ)樁頂水平位移峰值大1.3 mm?？梢?，隨著液化土層厚度增加，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)彎矩峰值增幅變大。

4 結(jié)論及工程建議

基于大型振動臺試驗，對地震波作用下不同厚度液化土層大直徑變截面六樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)特性分析，得出以下結(jié)論：

（1）地震動作用下，隨著飽和砂土層厚度的增加，土層深處的孔壓比在開始增長時刻滯后于淺處。隨著飽和砂土層厚度的增加，孔壓比穩(wěn)定值變小，土層的抗剪強(qiáng)度減小，液化土層承載能力下降。因此，建議著重考慮飽和砂土層厚度增加對孔壓比的影響。

（2）不同飽和砂土層厚度下，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的樁身加速度及彎矩在變截面和土層分界面處發(fā)生突變。同時，在0.15g地震動強(qiáng)度下，隨著飽和砂土層厚度的增加，六樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移、樁身加速度及彎矩峰值均逐漸增大且增幅變大

（3）同一土層厚度下，隨著地震動強(qiáng)度的增大，飽和砂土孔壓比、大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的樁身加速度、樁頂水平位移、樁身彎矩均增大。強(qiáng)震作用下，加劇了大直徑變截面六樁基礎(chǔ)周圍飽和砂土層的液化，導(dǎo)致飽和砂土層的土體強(qiáng)度和樁側(cè)土體的約束作用減弱。

（4）隨著液化土層厚度增大，大直徑變截面六樁基礎(chǔ)動力特性發(fā)生的變化需要引起重視。建議在液化土層較厚的區(qū)域關(guān)注其孔壓比和樁身加速度的變化，當(dāng)廈門第二東通道翔安大橋樁基選取樁身抗彎強(qiáng)度為結(jié)構(gòu)控制因素時，應(yīng)重點考慮變截面和土層分界面處的樁基抗彎能力，保證大直徑變截面六樁基礎(chǔ)的抗震性能。

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第一作者： 馮忠居（1965―），男，博士，教授。E-mail： ysf@gl.chd.edu.cn

通信作者： 張 "聰（1994―），男，博士，講師。

E-mail： zhangcong@chd.edu.cn