砂土液化地區(qū)PHC管樁振動臺試驗模型設計研究

文行武

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

砂土液化地區(qū)PHC管樁振動臺試驗模型設計研究

文行武

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

通過對管樁振動臺試驗模型設計理論的研究，結合實際工程，提出針對砂土液化地區(qū)的PHC管樁抗震性能的振動臺試驗模型，為振動臺試驗模型的設計提供參考。

砂土液化；管樁；振動臺試驗；模型設計

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引 言

圖1 原型建筑PHC管樁分布圖與豎向力值

對于PHC管樁的抗震研究，已有的主要是通過低周期反復荷載作用，探討PHC管樁的破壞特點和延性、滯回、剛度退化等動力特性。雖已有研究人員通過振動臺試驗開展過PHC管樁抗震性能研究，不過，其樁身模型材料選用環(huán)氧樹脂，存在預應力和材料差異等問題。同時，針對砂土液化地區(qū)的PHC管樁抗震的研究還未見有文獻報導。本文將以福州某工程為依托，主要對液化砂土中PHC管樁抗震性能的振動臺試驗模型的設計進行研究。

1 工程概況

本工程位于福州，總建筑面積32333m2，地下建筑面積4216.6m2。包括3幢13-16層住宅、1幢3-4層商場。其中1#、2#樓設一層聯(lián)體地下室。基礎選用PHC-A型管樁，樁徑500mm，樁端持力層，選強風化花崗巖層，樁尖打入該層大于0.3m。工程重要性等級為二級，場地、地基均為二級，試驗選用4#號樓為原型，原型PHC管樁分布及樁身最大豎向力如(圖1)所示。場地地貌屬于沖淤積平原地帶，設計基本地震加速度為0.10g，場地存在可液化砂土層及軟弱淤泥層，屬建筑抗震不利地段。

2 結構模型試驗相似理論

2.1 結構動力模型相似原則

將結構物按原尺寸放置于振動臺上進行試驗，一方面振動設備試驗空間不能滿足要求，另一方面耗時耗力、費用極大，故大型結構物一般進行壓縮模型試驗。與此同時，在結構原型的壓縮過程中也需遵循一定的原則：

(1)幾何尺寸相似。即將原型按一定比例進行壓縮，這項是比較容易滿足。但是值得注意的是，此項相似不僅是各種構件尺寸的相似，也包括各構件間裝配精度、連接強度的相似。

(2)材料應力應變關系相似。試驗時滿足本項相似是比較困難的，因為在不同應變速度、不同荷載幅值等條件下，應力應變滯回圈的相似很難保證。但是具體操作時，可以根據不同的試驗目的來選擇不同的應力應變關系。本次試驗中，將側重彈性相似律。

(3)質量和重力相似。模型壓縮過程中，該項相似是最為靈活的相似關系，可根據不同的研究目的選擇質量、重力及質量-重力相似關系。本次試驗選擇重力相似律。

(4)初始條件及邊界條件相似。

2.2 模型動力試驗的量綱分析

在研究一般機構動力問題中，設體系有n個物理量，其中k個相互獨立。這n個物理量可用π1,π2,…πn-k表示的函數關系為：

f(π1,π2,…πn-k)=0

(3-1)

在線彈性范圍內，(3-1)式可表達成如下函數：

f(σ,l,E,ρ,t,u,υ,a,g,ω)

(3-2)

式中：σ—動應力；l—長度；E—彈性模量；ρ—密度；t—時間；u—位移；v—速度；a—加速度；g—重力加速度；w—圓頻率。

選定l、ρ、E為基本未知量，依據量綱分析理論，其余7個未知量可以用l、ρ、E來表示，則式(3-1)可化為下列函數關系：

(3-3)

(3-4)

式中：Sl—幾何相似比，Sl=lp/lm，lp為結構原型尺寸，lm為結構模型尺寸；

Sρ—密度相似比；SE—彈性模量相似比；

Sσ—應力相似比；St—時間模量相似比；

Su—位移相似比；Sv—速度模量相似比；

Sg—重力加速度相似比；Sω—圓頻率模量相似比。

(3-5)

(3-6)

3 模型試驗相似比確定

本文主要從盡可能接近現(xiàn)實結構、滿足振動臺承載能力、遵循相似理論三個角度對模型的設計進行研究，最終選定模型樁外徑為155mm，即模型與原型的幾何相似比Sl為0.31。在管樁的制作過程中，混凝土按C80的標準配置的，即原型與模型采用同一種材料，故彈性模量相似比SE為1，由式3-3可知，密度應滿足式Sρ=1/Sl=100/31，故需對模型結構增加配重，管樁樁身相對于樁-上部結構整個系統(tǒng)來說質量較小，故樁身密度相似比可忽略，故密度相似比只針對上部結構進行考慮。原型樁頂豎向支撐反力分布不均，如(圖1)所示，最大值為1677kN，最小值為442kN，本試驗對所有管樁反力取平均值，得到原型單樁平均值為745kN，通過相似比關系計算的密度相似比為Sρ=3.23。由(3-3)式計算的Sa=3.33，Sw1.83。這相對于振動臺輸出加速度及工作頻率，是在允許范圍內，也不會引起測量和動力激振方面的困難。

根據(3-3)計算的各物理相似比如(表1)所示。

表1 結構模型各物理量相似比

4 結構模型設計

4.1 管樁模型設計

對于市場上生產和銷售的PHC管樁，管樁外徑最小值為300mm，樁長一般在10m以上。模型樁參照標準尺寸、相似比及考慮試驗設備條件確定：

外徑：PHC管樁模型制作時模板選用PVC管，現(xiàn)在市場中PVC標準尺寸較多，與設計尺寸結合，最終選取外模板用PVC管直徑為155mm，內膜用PVC管直徑50mm，故最終制作完成的PHC管樁外徑155mm，管厚為52.5mm。由于原型外徑為500mm，故PHC管樁相似比為0.31。另外，也設計了管壁厚為40mm的模型用于對比，分析壁厚及箍筋間距對結構的影響。

表2 試驗模型參數列表

(a) 鋼箱側面尺寸圖 (b) 鋼箱立面尺寸圖圖2 鋼箱尺寸圖(單位：mm)

樁長：根據樁在土中的受力特性及試驗模型土、模型鋼箱與上部結構質量塊總重，結合振動臺試驗設備的承載能力限制，樁長選擇2.75m，其中入土深度為2.45m，樁端嵌入上部結構0.3m。

預應力度：模型樁采取與原型樁相同配筋，根據預應力鋼筋面積計算出張拉控制力為T=243.331KN，試件控制力分別選取0T(無預應力)、0.25T、0.5T三種，以研究預應力對管樁抗震性能的影響。

軸壓比：以軸壓比作為一試驗參數，考慮PHC管樁設計要求及振動系統(tǒng)的承載能力，樁頂選取3t、5t、7t三種配重，壓重塊制作3個，各個重量分別為3t、2t、2t，通過疊加的方式完成3種上部質量塊重量的配重。

根據參數不同，共設計制作了5個模型，其中，PHC-1為無預應力的，以用于比較。PHC管樁試驗模型各參數見(表2)所示。

振動臺試驗的土箱設計是試驗的重要環(huán)節(jié)，其設計的合理性也直接關系到試驗的成敗與否。目前，在振動臺試驗中，土箱形式主要有三種：(1)疊合式剪切盒式土箱；(2)柔性土箱；(3)剛箱土箱。疊合式剪切盒式土箱是由剛性框架疊合而成，一般有矩形或者圓形，層數在十至二十之間，兩層間通過設置軸承、橡膠層而達到一定變形的效果，故相對于其它兩種土箱類型，該種土箱剪切變形效果較好。柔性土箱是由Mcymand所設計，這種振動臺土箱允許土體在平面上多方向剪切變形，由包裹在箱體外面的纖維帶、鋼絲提供徑向剛度。在振動臺試驗時，前兩種土箱制作較為困難。剛性土箱，具有制作簡單、成本較低等優(yōu)點。使用鋼性土箱時，需要在箱體內壁粘貼一層柔性材料，目的是吸收土體傳遞過來的能量，以盡可能接近現(xiàn)實的邊界條件。

4.2 模型鋼箱設計

在剛性土箱選擇及設計時，應滿足以下條件：(1)剛度、強度滿足試驗要求，土箱的剛度、強度能滿足要求是試驗能順利進行的第一步，在加載過程中應確保不會發(fā)生破壞；(2)剛性箱邊界條件明確，即考慮粘帖珍珠棉來模擬現(xiàn)實情況；(3)確保鋼箱與土-樁-結構在振動過程中，不會發(fā)生共振而影響測試結果。

圖3 制作完畢的鋼箱照片

本試驗選用直徑為1.5m的剛性圓形土箱，土箱材料為鋼材，鋼箱壁厚10mm、底板厚度20mm、高2.5m，箱體通過高強螺栓固定在振動臺臺面上，并對箱體進行加勁對撐，以提高其剛性。通過midascivil有限元軟件對空土箱進行模擬，得到其自振頻率為83Hz，而通過振動臺實測得到模型土體的基頻為6.38Hz，兩者頻率偏離大，故試驗時不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。制作完畢的鋼箱如(圖3)所示。

剛性土箱內壁粘貼的材料目的在于減少鋼壁對地震波的反射。在材料選擇時，如果材料太柔，振動過程中，土體將會發(fā)生彎曲，而不是剪切變形。如果材料剛度太大，又會導致地震反射波太強。結合實際，本次試驗選擇厚度為50mm的珍珠棉。

4.3 模型土體選擇

在水平振動的過程中，飽和砂土會漸漸變得密實，而存在于土體間的孔隙水就會排出。但在周期很小的反復荷載作用下，若土體排水性不好，在上一周期的水還沒有完成排泄又迎來第二周期的排水，這將導致超孔隙水壓力的出現(xiàn)，此時，砂土抗剪強度減弱較為明顯。隨著振動的進行，土體的抗剪強度將完全消失。此時，砂土就出現(xiàn)液化。

影響土體液化的因素，主要有以下四點：(1)地震強度。(2)土體的類型及狀態(tài)。(3)初始應力狀態(tài)。(4)土層的剛度。模型土體選擇時，可依據以上因素，首先選擇可能液化的土類為飽和土(包括砂土、砂壤土、粉質砂壤土、輕粉質壤土等)；其次，因液化土層上的覆蓋土層對土體液化有一定影響，調查資料顯示，覆蓋深度在3m以上時，土體很難液化，避免選用該環(huán)境下的土體。

5 小結

(1)依據結構動力模型相似原則對結構模型各物理量相似比進行計算，相對于振動臺輸出加速度及工作頻率，是在允許范圍內，不會引起測量和動力激振方面的困難；

(2)管樁模型選用PVC管，并采用不同管壁厚模型用于試驗對比；對預應力鋼筋施加不同張拉控制力，可研究預應力對管樁抗震性能的影響。

(3)模型土箱采用剛性土箱，制作簡單、成本較低，通過有限元軟件模擬，表明試驗時不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象；剛性土箱內壁粘帖珍珠棉，可避免土體反生彎曲，并減少鋼壁對地震波的反射；

(4)針對試驗要求，模型土體選擇時，應選擇可能液化的飽和土，避免選用液化土層上的覆蓋土層深度超過3m的土體。

[1]李純潔.液化場地樁-土-結構動力相互作用振動臺模型試驗與數值模擬研究[D].山東科技大學,2009.

[2]遲世春,林少書.結構動力模型試驗相似理論及其驗證[J].世界地震工程,2005,20(4):11-20.

[3]孫求知,王燕華,陳晨.基于尺寸效應振動臺模型試驗創(chuàng)新設計[J].山西建筑,2014,40(14):63-64.

[4]徐炳偉,姜忻良.大型復雜結構-樁-土振動臺模型試驗土箱設計[J].天津大學學報,2010,43 (10):912-918.

[5]孫海峰,景立平,孟憲春,等.振動臺試驗三維疊層剪切箱研制[J].振動與沖擊,2012,31(17) : 26-32.

文行武(1973- )，男，高級工程師，主要從事樁基檢測、建材檢測、巖土工程方面的工作。

Experimental model design of PHC pipe pile in sand liquefaction area

WENGXingwu

(Fujian Academy of building research,Fuzhou 350025)

Through the research and design theory of pipe pile shaking table model test, also combined with engineering practice.This paper puts forwards for the shaking table test model of liquefaction of sand in the seismic performance of PHC pipe pile, and provides evidence for engineering design.

Sand liquefaction; Pipe pile; Shaking table test; Model design

文行武(1973- )，男，高級工程師。

2015-07-16

TU411.3

A

1004-6135(2015)10-0060-04