樁?震陷土層耦合作用下變截面單樁動力響應

摘要： 為研究不同類型地震波作用下大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的動力響應規律，依托廈門第二東通道翔安大橋工程，通過室內振動臺試驗，選取地震動強度為0.15g的5010波、1004波、 Kobe波及El?Centro波，研究大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的樁身加速度、水平位移、彎矩及樁基損傷等變化規律。試驗結果表明：不同類型地震波由于其頻譜特性不同，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的動力響應特性存在差異；樁頂加速度最大值、樁頂水平位移最大值、樁身彎矩最大值均在1004波作用下最大，在Kobe波作用下最小；樁身彎矩最大值均未超過樁基設計抗彎承載力；在地震力的作用下對樁基礎的抗彎承載能力進行設計時，應重點考慮軟硬土層的分界面處抗彎能力。

關鍵詞： 大直徑變截面樁； 振動臺試驗； 震陷場地； 動力響應

中圖分類號： TU473.1""" 文獻標志碼： A""" 文章編號： 1004-4523（2025）01-0162-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.01.018

Dynamic response characteristics of large diameter variable section single pile under the coupling action of pile?splinter soil layer

FENG Zhongju¹， WANG Yiran¹， CAI Jie²， ZHANG Cong¹， ZHU Jixin³， MENG Yingying⁴

（1.School of Highway， Chang’an University， Xi’an 710064， China； 2.Fujian Provincial Transportation Construction Quality and Safety Center， Fuzhou 350001， China； 3.Xiamen Road and Bridge Engineering Investment and Development Co.， Ltd.， Xiamen 361026， China； 4.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： In order to investigate the dynamic response law of concrete?filled steel tubular composite single pile with large diameter and variable section under different types of seismic waves， 5010 wave， 1004 wave， Kobe wave and El?Centro wave with ground motion intensity of 0.15g were selected through indoor shaking table test relying on Xiangan Bridge project of Xiamen Second East Passage. The pile acceleration， horizontal displacement， bending moment and pile foundation damage of large diameter variable section concrete filled steel tube composite pile are studied. The test results show that the dynamic response characteristics of large diameter variable section concrete filled steel tube composite pile are different due to the different spectral characteristics of different seismic waves. Pile top acceleration maximum， pile top horizontal displacement maximum and pile bending moment maximum are the maximum under 1004 wave， and the minimum under Kobe wave. The maximum bending moment of pile body did not exceed the designed flexural bearing capacity of pile foundation. In the design of flexural bearing capacity of pile foundation under the action of earthquake force， the design of flexural bearing capacity at the interface of soft and hard soil layer is emphasized.

Keywords： large diameter variable section piles；shaker test；collapse site；dynamic response

變截面樁基礎因具有穩定性好、適應性較強的特點被應用于跨海大橋工程建設^［1?6］。近年來，樁基礎的研究大多在直樁方面，而對變截面樁的研究較少，特別是橋梁變截面樁基礎的動力響應問題。此外，跨海大橋的樁基礎大多穿越淤泥等軟弱土層時，在地震力作用下會產生土層震陷等問題，從而影響樁基礎的穩定性^［7?8］。

針對軟土震陷，國內外學者開展了一些研究。DUMAS等^［9］、LEE等^［10］提出軟土地基震陷主要是由上部單元的累計偏應變造成的，可用靜力結合的靜模量軟化法進行估算，通過用等價線性模型計算上單元的動應變過程，用應力循環次數表示地震強度來確定震后每個上單元的靜軟化模量，以此來估算震陷。郁壽松等^［11］、石兆吉等^［12］提出了影響軟土震陷的因素及表現形式。王建華等^［13?14］通過飽和軟黏土動三軸試驗，提出了軟土地基震陷計算方法，可體現軟土動力的弱化特征，并應用于條形基礎的震陷分析中。

針對變截面樁基礎的承載特性問題，相關學者開展了一些研究。李丹等^［15］通過開展變截面樁的靜載試驗，分析了變截面樁的受力變形，研究了變截面樁在水平向及豎向的承載特性。胡文韜等^［16］提出了水平受荷下變截面樁基礎內力及變形的算法，并通過現場實測、數值模擬證明了該方法的正確性，分析了不同因素對樁基的影響規律。崔允亮等^［17］利用分布式光纖開展現場試驗和ABAQUS仿真分析，進行大直徑變截面樁的承載特性研究。周楊等^［18］分析了變截面樁基礎的承載特性，并比較了變截面樁與等截面樁之間的差異。方燾等^［19］基于模型試驗，研究了大直徑變截面樁的承載特性及破壞形式，分析了P?S曲線、樁側摩阻力的分布等。

針對橋梁樁基礎動力響應特性的研究，國內外學者通過數值仿真和室內試驗開展了大量研究，并取得了許多重要研究成果。GOH等^［20］采用有限元模擬方法，對軟土場地樁基礎在遠場地震作用下的動力響應進行了研究，并采用回歸分析法對研究結果進行處理。GARALA等^［21］、KANEDA等^［22］、YAN等^［23］基于離心機振動臺試驗，分析了強震區樁基動力響應特性，并通過FLAC 3D程序進行數值仿真，將結果與試驗進行相互驗證。KUMAR等^［24］采用振動臺試驗，研究了El?Centro波作用下模型的動力加速度、位移和固有頻率的影響因素。田兆陽等^［25?26］通過振動臺模型試驗，分析了軟土的震陷特性及單樁負摩阻力的分布規律，研究了地震作用下軟土場地單樁的動力響應特性。沈婷等^［27］、張磊等^［28］基于有效應力理論分析，建立地震作用下有限元數值模型，著重分析了樁基礎的加速度、彎矩及孔壓比等變化規律。程學磊等^［29］開展了處于軟土場地單樁振動臺試驗，研究了地震對軟土場地單樁的影響。馮忠居等^［30?33］ 、劉闖等^［34］通過進行大型振動臺試驗分析并研究了不同地震作用下樁基礎的動力響應變化規律。許成順等^［35］、張健等^［36］、李雨潤等^［37］通過開展振動臺試驗研究了液化條件下樁?土的動力響應。馮忠居等^［38?39］、張聰等^［40］基于工程實例，結合振動臺試驗，從時程響應的角度分析了不同地震作用下樁基礎的動力變化規律。

綜上，目前對一般場地和液化場地樁基礎的受力和破壞方面的研究較多，針對樁?震陷土層耦合作用下大直徑變截面樁基礎動力響應特性問題鮮有研究。鑒于此，本文依托廈門第二東通道翔安大橋實體工程，主要分析了不同類型地震波作用下震陷場地條件大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁身加速度、樁頂水平位移、樁身彎矩及樁基損傷。

1 工程背景

廈門第二東通道翔安大橋的抗震設防烈度為Ⅶ度，主橋段采用大直徑變截面鋼管混凝土復合樁，樁徑2.50/2.15 m、樁長45 m，土層分布如圖1所示，淤泥層天然孔隙比大于1.0，為軟土層。在地震作用下，軟土強度將迅速降低，極易發生觸變沉陷，從而對樁基礎產生不良影響^［41］，因此需開展淤泥質土震陷條件下大直徑變截面鋼管混凝土復合樁動力響應研究。

2 振動臺模型試驗

2.1 試驗設備

依托中國地震局工程力學研究所的三向六自由度5 m×5 m地震模擬振動臺模型，其具體技術參數如表1所示。

模型箱尺寸為3.05 m×1.70 m×1.80 m（長×寬×高），如圖2所示。模型箱內壁填充2 cm的泡沫板，從而減輕邊界效應，降低試驗過程中地震波反射的影響，防止振動過程中土體溢出。

2.2 相似比設計

試驗采用人工質量模型，選用C_l=1/50的幾何相似關系，重力加速度相似比C_g=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C_E=1/3.5。綜合考慮在單樁的樁頂配置100 kg的人工質量，各物理量相似常數如表2所示，其中，L、T、F分別為長度、時間和力三個基本量綱。

2.3 模型樁、土制作及測試元件布設

2.3.1 模型樁設計

樁身及承臺采用微粒混凝土，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1根直徑2.8 mm的鍍鋅鐵絲，并用鐵皮模擬鋼管包裹在樁基礎表面。模型樁長90 cm，樁徑5.0/4.3 cm，變截面位置在樁頂以下56 cm處。為消除輸入地震波的疊加效應，試驗制作四根模型樁，并分別輸入四種地震波，以此控制試驗變量。模型樁的制作過程如圖3所示。

2.3.2 模型土設計

基于翔安大橋地質勘查資料，中風化花崗巖抗壓強度為68 MPa，試驗以土體抗壓強度作為主要控制指標，采用微粒混凝土模擬中風化花崗巖，利用萬能試驗機對其進行抗壓強度測試，其抗壓強度為19"MPa，結果符合相似比關系，如圖4所示。在中風化花崗巖澆筑時在樁基礎相應位置設置深度為5"cm的預留孔，以便模型樁精準就位，如圖5所示。采用液限儀測得模型土液限，土體物理力學參數如表3所示，根據《巖土工程勘察規范》^［42］，天然孔隙比1.0，且其天然含水量超過液限的細粒土稱為軟土。采用篩分法測試淤泥的粒徑組成，篩分過程如圖6所示，累計曲線如圖7所示。

2.3.3 測試傳感器布設

本試驗采用位移傳感器測量樁頂水平位移，采用加速度傳感器測量樁頂、變截面及樁端加速度，采用應變片測量樁身應變，計算得出彎矩，如圖8所示。每個應變片均設置補償片，以此降低溫度等其他的外在因素對試驗結果和分析造成的干擾，模型樁裝箱如圖9所示。

2.4 試驗工況

測試四種不同類型地震波作用下，震陷場地大直徑變截面鋼管混凝土單樁的動力響應。根據廈門第二東通道翔安大橋地質勘查報告，擬建區抗震設防烈度為Ⅶ度，設計地震加速度峰值為0.15g。輸入的地震波為0.15g地震動強度下的5010波、1004波、Kobe波和El?Centro波，其中5010波、1004波分別為50年超越概率10%、100年超越概率2%的地震波。Kobe波是日本阪神地震（M7.2）震中附近記錄的地震波，El?Centro波是典型的Ⅷ度地震烈度的地震波。輸入振動臺水平X， Y雙向地震波，加速度幅值則按照水平X向∶水平Y向=1∶0.85進行調整。X方向為主輸入方向，如圖10所示，傅里葉譜如圖11所示。試驗工況如表4所示。

3 試驗結果分析

3.1 加速度時程響應

四種不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的樁身加速度變化如圖12所示。

由圖12可知，不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁均沿樁端至樁頂逐漸增大，其中在強風化花崗巖層中增長較慢，淤泥土層中增長顯著，樁頂處加速度達到最大。這是由于地震動引起的周期荷載作用下，淤泥內土體模量、有效應力、抗剪強度均不斷減小，即表現出“軟化”現象，樁周土體對樁基礎的約束減小，導致樁身加速度放大作用顯著。樁身變截面位于強風化花崗巖中，由變截面位置至土層分界面處，加速度顯著增大，其原因為樁身變截面以上樁徑較大，具有“擴徑效應”，樁?土整體剛度增強，傳遞地震動的能力增加，導致樁身加速度放大效應明顯。

大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂加速度最大值以及樁頂加速度的放大系數如表5所示。其中，其加速度放大系數定義為：

（1）

式中，為樁身加速度的最大值；為輸入的地震動加速度的峰值。

由表5可知，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂加速度放大系數差異明顯，在Kobe波作用下最小，在1004波作用下最大。這是因為不同類型地震波的頻率、周期、峰值等因素存在明顯差異，且淤泥對不同的地震波的放大效應、濾波效應等敏感響應程度也不同。

在四種不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的樁身加速度變化如圖13所示。

由圖13可知，在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂、變截面處、樁端加速度時程響應變化規律均隨著輸入地震波類型變化而變化，但均與輸入的地震波形狀大致相同，其中在5010波作用下加速度時程持時較長，Kobe波作用下加速度時程持時較短，這是由于地震波的頻譜特性不同而產生差異。樁頂、變截面處加速度時程響應曲線較為“稀疏”，頻率與地震波的分布規律存在明顯差異，其原因為淤泥在地震作用下會發生震陷，從而起到濾波作用；樁端加速度時程響應曲線頻率較為“密集”，頻率較高，與輸入地震波較接近，說明樁端加速度時程響應曲線含較多的高頻成分，中風化花崗巖的濾波效應較淤泥質土弱。

3.2 樁頂水平位移時程響應

在四種不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂水平位移時程響應變化規律如圖14所示，最大值變化如圖15所示。

由圖14可知，不同地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂水平位移時程變化規律以及永久水平位移值均存在差異。其中在5010波、1004波、Kobe波及El?Centro波作用下，樁頂的永久水平位移值分別為0.086、0.145、0.050和0.084 mm。說明樁頂永久水平位移值隨著不同類型的地震波而發生變化。在5010波、1004波、Kobe波及El?Centro波的作用下，其水平位移分別在17.02、14.39、8.69和4.0 s時達到最大，且最大值分別為0.62、0.75、0.44和0.56 mm。其原因為在地震波加載的初期，樁周土逐漸密實，對大直徑變截面鋼管混凝土復合樁的約束作用明顯，而在繼續加載的過程中，樁周土發生較大的剪切變形，使得其強度及樁側土抗力均減小，對樁基的約束作用減弱，從而使樁身產生水平位移，進一步引起較大的樁頂水平位移。

由圖15可知，在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂水平位移最大值差異顯著，說明在震陷過程中，由于地震波的頻譜的不同，導致單樁產生的水平位移存在差異。其中在1004波作用下樁頂水平位移最大，原因在于1004波頻譜特性與樁基固有頻率更為接近，共振作用顯著。

3.3 樁身彎矩時程響應

在四種不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的樁身彎矩的變化如圖16所示，單樁樁身彎矩最大值如圖17所示。根據規范公式計算得樁基礎的設計抗彎承載力矩為85.12 kN·m^［43］，進而評價大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁在不同類型的地震波作用下的抗彎承載能力。

由圖16和17可知，不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁身彎矩沿樁長方向變化規律基本相同，均從樁頂至樁端呈現先增大后減小的趨勢。樁基礎樁身彎矩最大值均出現在軟硬土層分界面，即震陷土層與非震陷土層分界面處，這是由于在地震作用下淤泥震陷特性引起樁?土產生相對運動，樁基礎產生較強的動力響應，導致樁身彎矩顯著增大。樁身彎矩在1004波作用下響應最為明顯，最大值較大，在Kobe波作用下最大值較小，同樣說明地震波頻譜特征對樁身彎矩有所影響。在5010波、1004波、Kobe波及El?Centro波作用下，樁基礎分別有46.90%、36.29%、55.62%和51.73%的抗彎承載能力富余。說明在0.15g地震波作用下，翔安大橋單樁基礎滿足抗震設防烈度為Ⅶ度的抗震要求。

在四種不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁身彎矩時程如圖18所示。

由圖18可知，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁身彎矩在0～30 s范圍內彎矩振幅較大，從30 s以后彎矩隨之減小，并最終趨于零。樁身彎矩最大值出現的時刻隨地震波類型的不同而變化，其中在El?Centro波作用下出現的時刻最早，在Kobe波作用下出現的時刻最晚，這是由于不同地震波的頻譜特性不同導致的。

3.4 樁基損傷

通過Seismosignal軟件對白噪聲工況下埋置樁端加速度傳感器（SA5測點）采集的數據進行濾波處理，排除干擾因素后進行傅里葉變換，如圖19所示，樁基礎基頻變化規律如圖20所示。

由圖19和20可知，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁加載前基頻為5.93 Hz，加載5010波、1004波、Kobe波和El?Centro波后，樁基礎基頻分別為5.27、4.94、5.36和4.99 Hz，與加載前相比均存在小幅度的降低，但總體未出現明顯變化。說明翔安大橋大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的剛度及結構完整性在0.15g地震波作用下未發生明顯變化，樁基沒有產生較為明顯的損傷破壞。

4 結論與建議

綜合廈門第二東通道翔安大橋工程實際情況及振動臺試驗分析結果，得出以下結論：

（1）在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁身加速度沿樁端至樁頂逐漸增大，在強風化花崗巖層中增長較慢，淤泥土層中增長較快。樁身變截面位于強風化花崗巖，變截面至土層分界面處，加速度增長顯著。輸入不同類型地震波時，樁頂、變截面處加速度時程響應曲線較“稀疏”，頻率與地震波的分布規律存在明顯差異，樁端加速度時程響應曲線較“密集”，頻率較高。樁頂加速度最大值及放大系數均在Kobe波作用下最小，在1004波作用下最大。

（2）在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁頂水平位移時程響應及永久水平位移值均存在差異。在1004波作用下，樁頂水平位移最大值最大，其次為5010波、El?Centro波和Kobe波。

（3）在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁樁身彎矩均從樁頂至樁端呈現先增大后減小的趨勢，且均未超過樁基礎設計抗彎承載能力，符合廈門第二東通道翔安大橋抗震設防烈度Ⅶ度的要求。1004波作用下樁身彎矩動力響應最為明顯，其彎矩峰值最大。

（4）在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁的動力響應不同，這是由于地震波的峰值、頻率、周期等頻譜特性存在明顯差異。

（5）在不同類型地震波作用下，大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁基礎基頻未發生明顯降低，表明樁基礎未發生較為明顯的損傷破壞，符合廈門第二東通道翔安大橋安全運營功能要求。

（6）地震作用下進行大直徑變截面鋼管混凝土復合單樁抗彎承載能力設計時，著重考慮軟硬土層分界面處的抗彎能力設計。

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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： 王逸然（1997―），女，碩士。E?mail： 125104692@qq.com

基金項目："福建省交通科技攻關項目（JXFZ2020?XM0189）；海南省交通科技項目（HNZXY2015?045R）；國家自然科學基金青年科學基金資助項目（4190070568）