樁基礎與復合地基動力響應特性的振動臺試驗研究

潘 婧

(江蘇聯合職業技術學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

我國國土面積超50%比例位于高地震高烈度區域，地質烈度達到Ⅷ度及以上，因此建筑物的抗震特性是關系到我國廣大人民生命安全的重大問題。

當震害發生時，不同類型的地基基礎所表現出的抗震減震特性各不相同。針對樁基礎的研究相對較多，結合震害調查對其破壞機理開展了大量考查與分析，對地基基礎抗震性能、破壞原因、類型等有關認識也逐漸提高[1-4]。從1975年開始的近40年間發生的地震記錄可以看出，建筑樁基極易受地震影響發生損害，其主要原因是樁-土地震協同效應未得有深入研究[2-5]，在此基礎之上形成了Winkler地基梁法[6]，Matlock[7]、Novak[8]等理論-經驗計算模型。復合地基方面，劉廣均等[9]人研究CFG樁復合地基的抗震效果，提出在進行抗震設計時，應考慮褥墊層的鏈接效果，以保證上部結構和基礎的整體剛度；宋春雨[10]在Winkler模型的基礎上，研究了水泥樁復合地基的抗震效果，對地基的剪切波速、土層厚度以及地震頻率與單樁最大彎矩的關系進行了探討；李海曉[11]分析復合地基在地震作用下的反應時，采用增量迭代法進行分析并考慮了等價線性模型，計算結果表明天然地基經過加固形成復合地基后，其力學性能和動力反應特性有了明顯改善，從而提高了結構抗震性能。

以剛性樁復合地基和樁基礎為研究對象，以貢貝州復合地基項目為背景工程，基于相似原理建立剛性樁復合地基和樁基礎的振動臺試驗模型，監測結構特征點應變、加速度和位移等地震特性表征參量，對比分析從而獲得兩者的動力響應特性，研究結果旨在為建筑結構抗震設計提供試驗依據。

1 試驗模型

振動臺試驗的臺陣由兩個振動臺組成。兩個單臺均為三向六自由度，其中A臺為固定臺，B臺為移動臺，能夠在2～22m的直線范圍內移動。整個振動臺陣可實現兩臺獨立工作、兩臺同步工作和兩臺關聯運動等3種工作模式。兩振動臺技術參數相同，最大試件重量35t，最大傾覆力矩70t·m，最大回轉力矩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。

試驗開展復合地基與樁基礎動力響應特性的振動臺試驗各1組，模型設計、制作分述如下。

1.1 模型設計

某復合地基工程采用剛性樁復合地基，樁徑0.6m，樁長8m，樁間距1.7m，褥墊層厚度0.3m。根據振動臺尺寸建立的復合地基模型幾何相似比10∶1，承臺基礎埋深3.6m，設計的復合地基模型中承臺尺寸為0.33m×0.33m×0.36m，承臺下布置5根剛性樁，樁徑6cm，樁長80cm，樁間距17cm，褥墊層厚度3cm。模型中單樁質量5.652kg，承臺質量98.01kg。根據上部荷載重量，利用等效密度相似比原理，確定模型上需施加等效質量87.161kg。放置高度為1m，選用φ48mm鋼管螺栓連接。為便于對比試驗結果數據，建立的樁基礎模型與復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 試驗模型示意圖

1.2 模型制作

1.2.1結構模型制作

本次試驗中并不分析結構的破壞情況，因此承臺與樁基礎按照幾何相比為10和容重相似比為1的要求，采用微顆?；炷林瞥?。制作的承臺模型尺寸為0.33m×0.33m×0.36m。制作的樁基模型在樁頂預留了固定螺孔，當樁頂與承臺用螺桿固定時，則模擬樁基礎模型；當樁頂與承臺不用螺桿固定時，則模擬復合地基模型。

1.2.2地基土模型制作

根據相似原理可知，為確保試驗結果的準確性，在開展模型試驗時，需保證模型材料與原狀土的物理性質相同。由于缺少原狀土物理性質的相關信息，需結合《相似理論與靜力學模型試驗》[12]和《相似材料和相似模型》[13]得出地基土的配比，以開展相關試驗。基于以上分析，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指標見表1。

表1 試驗材料中地基土的物理力學參數

1.3 模型填筑

在巖土工程振動臺模型試驗中，常采用層狀剪切變形模型箱、碟式容器、普通剛性箱+內襯和柔性容器等開展試驗。結合本試驗的規模及剛度實際情況，宜采用鋼板+型鋼制作的剛性模型箱，其內部尺寸為1.93m×1.93m×1.3m(長×寬×高)，模型箱底板及骨架材料主要由鋼板、角鋼、槽鋼組成。為避免振動波在模型箱邊界的反射，最大程度的消除邊界效應對試驗的影響，還在模型振動方向兩端壁加貼厚度30mm的吸波材料。

在開展次試驗過程中，首先采用對填料進行攪拌，然后將試驗材料利用龍門吊填筑于模型箱內；在填筑20cm后，對其填筑密實度進行檢測，當密實度達到標準后，再進行下一層填筑，為保證平面內密實度的均勻性，采用機械振搗結合人工振搗相進行壓實，并在模型的邊界處采用人工壓實，以保證壓實質量。另外，在模型填筑過程中，傳感器的布置位置需與試驗方案一致，盡量避免在埋設過程中損壞傳感器。

2 監測及加荷方案

2.1 監測方案

試驗主要監測地震荷載作用過程中模型樁基和復合地基中樁身上、中、下部位加速度、位移、應變的響應值。

在模型配重位置、承臺頂部、承臺底部、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加速度計，用于監測場地內的加速度場。在承臺表面、樁頂、樁中和樁端各布置一個應變片，用于測試結構應變。在配重位置和承臺位置各布置一個水平位移計，在模型箱外布設了兩個激光位移計，用于測試試驗中模型各位置的位移情況。測試元件布置示意圖如圖2所示。

圖2 監測元件布設位置示意圖

采用兩套采集系統同步平行采集，包括BBM數據采集系統和東華DH5923動態數據采集系統。其中BBM數據采集系統擁有128通道，最大引用誤差≤0.5%；東華動態數據采集儀擁有32通道，最大采樣頻率為5kHz通道。

2.2 加載方案

試驗采用輸入加速度時程實現地震波的模擬，地震波以汶川臥龍臺地震波為主，經歸一化統一處理后使基準地震波幅值變為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.6g、0.8g的三向地震動時程，圖3為幅值調整為0.1g后地震波的三向地震動加速度時程，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 試驗結果分析

3.1 樁身應變對比分析

為了測試樁身應變，分別選取了2個模型中一根典型的樁進行分析。該樁自上而下布設了3個應變片(樁身縱向)，以樁身上部試驗點結果為例進行說明，試驗結果如圖4所示。

圖4 樁身應變試驗結果

由于測試數據較多，因此從圖4中抽取部分數據，以峰值加速度0.4g的測試結果為例進行對比分析。復合地基與樁基礎模型中1#樁樁頂位置應變時程曲線如圖5所示。

圖5 樁身應變試驗對比結果

從圖中5可以看出，樁基礎模型中測試樁上部的峰值應變超過60μ，而復合地基模型中的剛性樁上部的峰值應變約15μ，前者約為后者的4倍。復合地基抗震性能優于樁基礎。

3.2 加速度和位移對比分析

為了測試場地的加速度響應，在配重、承臺、振動臺臺面處分別布設了三向加速度測點，因需與樁基礎模型進行試驗對比，本文僅針對樁頂處模型加速度進行分析，同時選取了與復合地基模型相同測點處的位移進行對比。

同樣以峰值加速度0.4g的測試結果為例進行分析。復合地基與樁基礎模型配重位置加速度時程曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，樁基礎模型配重位置峰值加速度約4.5m/s2，復合地基模型配重位置峰值加速度約3m/s2，復合地基模型中配重位置加速度更小。

圖6 結構加速度對比結果

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

圖7 結構位移對比結果

4 結論

地震發生時，不同類型的地基基礎所表現出的抗震減震特性各不相同。建筑地基基礎的動力響應特性關系到人民生命安全。本文以貢貝州剛性樁復合地基和樁基礎為研究對象，采用振動臺模型試驗進行復合地基與樁基礎的抗震減震特性對比分析研究，結果表明：

(1)相同設計、地震荷載條件下，樁基礎模型中測試樁上部的峰值應變量約為復合地基模型中剛性樁上部峰值應變的4倍。

(2)相同設計、地震荷載條件下，樁基礎樁頂處峰值加速度約為復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，相同設計、地震荷載條件下，在建筑結構位移滿足設計要求的前提下，復合地基動力響應優于樁基礎。