振動臺試驗混凝土樁體模型材料的研究

黃占芳 ,劉永強,尹 超,白曉紅

(1.山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049;2.太原理工大學 建筑與土木工程學院， 山西 太原 030024)

近些年來，地震頻發帶來的災害相當嚴重，而到目前為止，地震發生的地點和時間仍難以預測。從震害分析可知，樁基礎的承載力降低乃至失效是震害發生的一項重要因素，了解并分析地震過程中及震后樁基礎的動力響應對于減此類震害起著至關重要的作用。此問題的分析可從三方面入手:現場測定、模型試驗分析和有限元數值分析。對于現場測定，存在地震難以捕捉，且測量的儀器在惡劣環境中測得數據的可應用性較低的問題；有限元數值分析雖然消除了現場測定的不利條件，但就目前情況來看，相關參數的選擇是影響分析結果的直接原因，且結論還要在經過試驗驗證后應用，因此模型試驗尤為重要。模型的動力性能、模型的選擇直接關系到能否達到動力試驗的目的以及抗震試驗能否成功。之前的相關研究模型所采用的材料多為空心鐵樁、空心鋁樁、橡膠樁、水泥土樁、石膏樁等[1]。這些材料未能全面地考慮試驗模型的動力相似問題，而且這些材料只是針對于特定試驗目的來選擇的，從量綱分析角度并不能很好的與原型材料很好地相似。基于以上問題，本文就混凝土樁基礎模型的選擇進行研究。

1 動力模型相似性量綱分析

在一般的線彈性動力分析中，都可以用量綱分析的方法確定相關物理量之間的關系，各物理量之間可用式(1)[2]來表示。

f(σ,l,E,ρ,t,μ,ν,a,g,ω)=0

(1)

式中σ、l、E、ρ、t、μ、ν、a、g、ω分別表示為動應力、長度、彈性模量、密度、時間、位移、速度、加速度、重力加速度、圓頻率等物理量。

如果將l、E、ρ作為基本的未知量，依據量綱分析理論，其它的未知物理量均可以用基本未知量表示[3]：

(2)

式中的參數均為無量綱參數，并且要保持其模型與原型相等。定義原型和模型之間的相似比，可以得到各物理量之間的相似比必須滿足下列條件[4]：

(3)

式中S表示原型與模型的相似比。

綜上所述，本次研究采用的動力相似模型為重力失真(失真較小)模型。要正確研究混凝土樁—土動力響應的首要前提是合理地選擇樁體和土體的材料。因為試驗用土是飽和砂土，由于其研究的特殊性，土體就選用真實砂土然后灌水飽和。對于土體這意味著嚴格相似。為了使得整個試驗體相似，樁體材料也需嚴格相似，為此，做了以下相關研究。

2 試驗方案及結果分析

模型試驗必須要先明確試驗的目的，之后依據原型結構的特點來選擇模型類型和使用材料。本次模型試驗的目的是模擬原型在不同的地震力作用下原型的抗震性能，一般要采用的是強度模型。在以往的混凝土模型材料上通常采用細石混凝土、水泥砂漿、石膏砂漿等等。這些材料大都不能很好的滿足上述的相似關系。

試驗在每立方米M7.5水泥砂漿配合比的基礎上進行，一是將水泥砂漿中的骨料砂子按照一定的比例用粉土(黏聚力C=12.8 kPa，內摩擦角φ=16°，滲透系數k=1×105m/s)來代替，從而達到減小彈性模量的目的，同時密度變化不大。二是提高密度，即將水泥砂漿中的砂子按照一定的比例用重金屬鉛來代替，從而達到提高密度的目的。不同配比所選用材料的質量比見表1和表2。

表1 不同砂土比例的模型材料質量
Tab. 1 Mass of model materials with different sand soil ratios

編號每立方米模型材料各配料質量/g水泥砂子土水砂土比12005808703802∶322008705803803∶2320011602903804∶1420012432073806∶1520012691813807∶16200145003805∶0

表2 不同鉛土比例的模型材料質量
Tab. 2 Mass of model materials with different Pb-soil ratio

編號每立方米模型材料各配料質量/g水泥砂子重金屬鉛水砂鉛比12009674833802∶1220011602903804∶1320013051453809∶1

依據水泥砂漿抗壓強度試驗和彈性模量測定試驗規程(GB/T 7897-2008)，將不同配比的材料分別制作尺寸為70.7×70.7×70.7 mm3的3塊試塊，用來做標準抗壓強度試驗；尺寸為40×40×160 mm3的6塊試塊，其中3塊用來做軸心抗壓，目的是測定彈性模量時可以比較準確的選取控制力，另外3塊用來做彈性模量的測定。分別取3塊進行測定的目的是取平均值減小偶然誤差。制作過程中采用浙江土工儀器制造有限公司JJ-5水泥砂漿攪拌機和ZT-96膠砂試體成型(TSO)振實臺。制作好試塊以后灑水養護至拆模，之后放入養護箱養護。拆模時發現含鉛的試塊沒能很好的凝固，可塑性較大，像“橡皮土”似的。因此從提高密度來看未能達到預期的效果，只將含土的試塊放入養護箱養護。

測定養護好試塊的質量密度并按照試驗規程分別做標準抗壓強度、軸心抗壓強度以及彈性模量試驗,試驗結果見表3。

表3 模型材料彈性模量測定表
Tab. 3 Test table for elastic modulus of model materials

砂土比標準抗壓強度×面積/kN軸心抗壓強度×面積/kN初始值P0下微應變ε0控制值Pa下微應變εa彈性模量=(Pa-P0)/A(εa-ε0)104/MPa2∶323.997.081.015(220,277)2.095(580,520)0.2243∶218.905.371.010(164,180)1.597(260,330)0.2984∶116.214.631.010(192,158)1.404(227,243)0.416∶117.924.891.010(107,120)1.405(155,168)0.5147∶114.914.391.020(120,84)1.295(146,100)0.8185∶024.769.971.045(66,31)2.009(130,86)1.013

注：表格中括號內的微應變為試件左右兩邊的應變計算時取平均值。

3 結論

本文通過對混凝土樁土體系振動臺模型材料的試驗研究得出：在M7.5水泥砂漿配比的基礎上，針對于本次試驗用材料，將部分砂土用粉土來代替，當砂土質量比達到4∶1及以下時，達到足夠強度時材料的彈性模量可以降低一個數量級(101)，結合量綱分析的相似性，在線彈性動力分析中，當原型與模型的幾何比不是很大的情況下，均可采用本文所提供的方案來代替混凝土材料。