地震荷载作用下深厚饱和砂土中桩动力特性试验研究_郝宇杰.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202204009开放科学（资源服务）标识码（OSID）地震荷载作用下深厚饱和砂土中桩动力特性试验研究郝宇杰1，郭竟语2，王玉珏2，梁春明2，马建林1（1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要：以某工程为依托，进行 120 比例缩尺 21 桩基模型振动台试验，输入与当地地震设计反应谱接近的 3 种地震波，研究深厚饱和砂土场地条件下砂土-桩基-结构动力相互作用响应规律。试验再现液化宏观现象，研究表明：深厚饱和砂土场地对地震波高频部分过滤作用显著；随着地震动强度增大，场地液化程度提高，结构水平运动由高频向低频移动，频带范围变宽。同时，上部结构水平运动放大系数由 4.56 降低至 2.75，但该效应对承台不明显；上部结构及承台在加载过程中相互影响，上部结构对承台的影响较大；砂层中部（距土体表面 8D 处）桩身弯矩相对于桩顶弯矩对输入地震波峰值加速度敏感度更高，随砂层液化程度增大而显著增大。关键词：深厚饱和砂土层；桩基础桥梁；地震荷载作用；砂土液化；土-桩-结构相互作用；桩身弯矩中图分类号：TU473文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0099 08 0 引言桩基础是软弱地基上工程建设常用的基础形式，能够穿越不良地层，解决特殊地基土的承载力问题，对控制受力和上部结构沉降也有明显作用1。通过对近几十年国内外几次重大地震震害的总结，相关学者发现桥梁桩基在地震过程中的损坏比较严重，场地条件是一个重要影响因素2-4。针对不同场地条件中的桩基，国内外学者采用多种手段展开研究。Zhang S 等5进行三组可液化砂土离心机试验，研究水平、微倾斜地层及上覆密砂层的微倾斜地层条件下桩基地震响应特性，发现微倾斜地层场地中侧向扩展作用的存在对水平加速度反应及沉降均有不利影响，但通过上部设置密砂层可削弱这一作用；Yun J 等6通过倾斜场地与水平地层场地中的直桩与斜桩离心机试验，分析斜桩与直桩的地震响应差异，相较于水平地层场地，斜桩在倾斜地层场地中表现出高效的抗震性能；Sadek M 等7基于三维有限元分析，考虑均质及地层刚度随深度增加的场地条件，结果显示第二种情况下桩基弯矩出现显著放大；徐自国等8运用ANSYS 研究地层刚度对桩身应力的影响，发现土层强度越弱，桩基最大弯矩和最大剪力越大，软硬土层的相对位置对桩基的地震响应也有较大影响；Wilson D W 等9基于离心机试验结果，对地震波作用下液化土-桩相互作用动力 p-y 曲线进行反演，分析砂土密度、应力历史及地震动特性等对折减系数的影响；Dungca J R 等10将桩设置为埋藏在砂土中的圆柱体，以观察液化过程中桩周土的变形，同时研究砂土相对密实度对侧向阻力的影响；Motamed R 等11对位于板桩式码头后的群桩基础进行振动台模型试验，对其地震响应特征进行总结，分析土体密度对群桩动力响应的影响，并对群桩最大横向力的分布进行深入研究；张鑫磊等12开展不同倾斜坡度地层液化场地群桩基础振动台模型试验，对场地土体及桩基地震响应特征做出总结，分析土体侧向流滑对桩基的影响；吴琪等13基于振动台模型试验，对不同地震波强度下的珊瑚砂以及福建闽江砂中桩基动力响应特性进行研究，发现珊瑚砂中桩基的地震响应较小；许成顺等14通过开展大型振动台试验，对含有饱和砂土层的多层土体组合地基中桩基及土体加速度响应特征进行研究，还对孔压分布及发展变化规律进行分析。在已有的研究中，针对深厚饱和砂土中考虑可液化砂土-桩-上部结构相互作用动力响应特性的研究较少。本文以某工程为依托，针对该地区广泛分布的深厚可液化砂土层设计振动台缩尺模型试验。试验主要获取土体孔压、上部结构加速度、承台加 收稿日期：2022 05 23基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科学研究项目（KYY2019135（19-23）作者简介：郝宇杰（1996），男，山西长治人。硕士研究生，主要从事地基基础研究工作。E-mail:。郝宇杰，等：地震荷载作用下深厚饱和砂土中桩动力特性试验研究 99 速度及桩身应变等数据对深厚饱和砂土场地-桩-上部结构相互作用规律进行分析，为后续学者的进一步研究提供参考。1 桩基和桥梁各部结构动力特性试验 1.1 原型结构概况以某桥梁桩基为原型，桩径1.0 m、桩长28.0 m，承台长 8.0 m、宽 2.0 m、高 2.4 m，桥墩高 8.0 m，上部结构质量 20 096 kg，桩基结构采用密度2 350 kg/m3的钢筋混凝土。根据地勘报告，场地顶部为厚度约 1.0 m 的黏土层，下伏厚度 15.0 m 左右的可液化粉砂土层，地基底部为非液化粗砂层（厚度未知）。1.2 试验设备及试验模型相似比设计试验振动台采用电液伺服加载与控制系统，工作频率 050 Hz，最大加载加速度1.1 g，台面尺寸 3 m3 m，最大负荷 10 t，可双向加载。缩尺模型试验模型相似比设计遵循原则：研究对象为地震荷载作用下深厚饱和砂土中分层地基与桩基的动力相互作用，土层的有效上覆压力及地震荷载下的动孔隙水压力是设计重点；结构与地基相似比尽量保持一致；考虑振动台的台面尺寸、性能及载荷能力等。桩基采用微粒混凝土及镀锌铁丝制作，为原型钢筋混凝土弹性模量的 1/4。考虑桩基原型尺寸、模型箱尺寸及实际场地与试验模型间Froude 常数一致条件确定长度相似性，长度相似比取 1/20。研究表明模型地层的平面尺寸与结构尺寸之比大于 6 时，边界效应对结构的动力响应影响明显减小15，在此长度相似比条件下，本试验该比值为 12.3。1-g 振动台模型试验，加速度相似比为1。综上，3 个基本物理量相似比已经确定，根据Bockingham 原理对其余相似关系进行推导，模型相似比设计参数，见表 1。表1模型相似比设计参数类型物理量相似关系模型相似比几何特征l长度l1/20I惯性矩I=4l1/204材料特征E弹性模量E1/4EI抗弯刚度EI=E4l1/(4204)动力特性f振动频率f=1/t20a输入振动加速度a=g1t输入振动持时t=l/a1/20应力=la1 1.3 模型结构及地基设计制作模型制作可分为桩基、承台及上部结构三部分，见图 1。采用 2.00 m1.50 m1.60 m 刚性模型箱。桩径50 mm、桩长1.52 m，直接嵌固于承台中，嵌固长度 12 cm，承台尺寸 40 cm10 cm12 cm，均采用微粒混凝土，水水泥砂0.610.8616，标准试块抗压强度 10.5 MPa。依照原型桩配筋率，考虑相似比设计及现有钢筋直径综合选配。上部及支撑采用钢材，螺栓将上部结构垫板与承台连接。上部结构顶部 200 mm100 mm80 mm 钢块，通过 10 mm100 mm400 mm 的支撑与底板连接。底板 34 cm10 cm10 mm。螺栓805D1400120400400承台上部结构垫板支撑 a 模型 b 大样图1模型示意（单位：mm）模型地基最底层为厚度 0.70 m 的粗密砂层，采用夯实与静压方式制作。向上填筑 0.75 m 厚可液化饱和粉砂土层，为确保充分饱和，采用改进的水沉法17分层制备，保证水面始终高于砂层表面约 10 cm，粉砂土的颗粒级配曲线，见图 2。静置一段时间后，排出多余水分，在地基顶层铺设 0.05 m厚黏土层作为覆盖层。填筑土体前在模型箱内部预先设置 5 cm 厚泡沫板，减轻刚性模型箱对地震波边界反射及对地基土变形形态的影响。0204060801000.010.1110小于该孔径的土质量百分比/%颗粒直径/mm图2粉砂土颗粒级配曲线 1.4 传感器布置传感器布置，见图 3。上部结构设置 2 个加速度传感器，以获得顶部质量块、承台的水平加速度。沿桩身一定深度设置 6 对应变片，以此计算桩基在振动过程中的弯矩变化。在模型地基分界面及路基工程 100 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）砂层中部共放置 5 个孔压传感器，分析加载过程中地层的动力孔隙水压力响应。0.20加速度计孔压计应变片地表饱和粉砂土密砂黏土0.200.400.45振动方向0.200.300.20AH1AH2KY1KY2KY3KY4KY5图3传感器布置（单位：m）1.5 试验加载方案经综合分析比较，选择地震波为 El Centro 波、Imperial 波及一条人工波。输入地震波在原有地震波基础上过滤高频部分，其地震反应谱及加速度时程曲线，见图 4。El Centro 波加速度峰值出现在加载初期，Imperial 波则在前中期出现，人工波能量分布较为均匀。3 条地震波的主频也有所差异，ElCentro 波的主频范围为 03 Hz，人工波主频范围为 05 Hz，Imperial 波没有明显的主频。地震波输入前，对结构进行白噪声扫描来获取结构的自振频率，换算为原型结构的自振频率结果，见图 5。00.10.20.30.40.50.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0反应谱加速度/g周期/s a 输入地震波反应谱设计人工波El Centro波Imperial波 b 输入地震波加速度时程曲线人工波El Centro波Imperial波02030104050601.01.50.500.51.01.5加速度/g时间/s c 输入地震波傅里叶谱人工波El Centro波Imperial波00.20.10.30.50.70.91.10.40.60.81.0246810标准傅里叶谱幅值频率/Hz图4试验加载地震波 00.010.020.030.040.050.0612345傅里叶谱值/g频率/Hz1.5600.010.020.030.040.050.060.071234567傅里叶谱值/g频率/Hz a 上部结构 b 承台4.1图5结构水平加速度傅里叶谱 在此基础上研究地震动强度对可液化砂土-桩-上部结构相互作用动力特性的影响，每种地震波分别输入不同的加速度（0.2 g、0.4 g）。试验加载工况，见表 2。表2试验加载工况工况地震动种类峰值加速度/g1白噪声0.052El Centro0.203Imperial0.204人工波0.205El Centro0.406Imperial0.407人工波0.40 2 试验结果分析 2.1 孔压响应不同强度地震波输入下，试验宏观现象差异较大。输入地震波峰值加速度为 0.2 g 时，主要表现为上部结构的晃动，同时桩基与土体交界面处轻微渗水。输入 0.4 g 时，加载过程中，上部结构发生剧烈晃动，随后桩土交界面处水体大量涌出，此时，上部结构晃动速度进一步增大，表面积水呈现出剧烈的波纹式振动。振动结束后，土体表面留存大量积水，桩基产生一定程度的沉降。加载前后场地状况，见图 6。a 加载前（b）加载后图6砂土液化宏观现象 各加载工况孔隙水压变化规律大体一致，输入 0.2 g El Centro 和 0.4 g El Centro 工况下不同深度的孔压时程曲线，见图 7。不同地震动强度下，不同深度的孔压变化规律相似，在 01 秒内，孔压维持在较低水平；12 秒内，快速增大到峰值并快速回落，地震波强度仅在加载初期表现出较高郝宇杰，等：地震荷载作用下深厚饱和砂土中桩动力特性试验研究 101 水平，因此孔隙水压出现峰值后快速下降。在12 秒内，砂层受到高强度剪切作用，引起砂层剪胀，此时产生一定程度的负孔压；28 秒内，孔压较为稳定；随着加载结束，在 816 秒内孔压缓慢消散。0.05 m0.20 m0.40 m0.80 m1.10 m0.05 m0.20 m0.40 m0.80 m1.10 m1012340246810 12 14 16孔压/kPa时间/s a 0.2 g El Centro b 0.4 g El Centro1012340246810 12 14 16孔压/kPa时间/s图7ElCentro 地震波作用下不同深度孔压时程曲线 孔压比为超孔隙水