振动台试验混凝土桩体模型材料的研究

黄占芳 ,刘永强,尹 超,白晓红

(1.山东理工大学 建筑工程学院， 山东 淄博 255049;2.太原理工大学 建筑与土木工程学院， 山西 太原 030024)

近些年来，地震频发带来的灾害相当严重，而到目前为止，地震发生的地点和时间仍难以预测。从震害分析可知，桩基础的承载力降低乃至失效是震害发生的一项重要因素，了解并分析地震过程中及震后桩基础的动力响应对于减此类震害起着至关重要的作用。此问题的分析可从三方面入手:现场测定、模型试验分析和有限元数值分析。对于现场测定，存在地震难以捕捉，且测量的仪器在恶劣环境中测得数据的可应用性较低的问题；有限元数值分析虽然消除了现场测定的不利条件，但就目前情况来看，相关参数的选择是影响分析结果的直接原因，且结论还要在经过试验验证后应用，因此模型试验尤为重要。模型的动力性能、模型的选择直接关系到能否达到动力试验的目的以及抗震试验能否成功。之前的相关研究模型所采用的材料多为空心铁桩、空心铝桩、橡胶桩、水泥土桩、石膏桩等[1]。这些材料未能全面地考虑试验模型的动力相似问题，而且这些材料只是针对于特定试验目的来选择的，从量纲分析角度并不能很好的与原型材料很好地相似。基于以上问题，本文就混凝土桩基础模型的选择进行研究。

1 动力模型相似性量纲分析

在一般的线弹性动力分析中，都可以用量纲分析的方法确定相关物理量之间的关系，各物理量之间可用式(1)[2]来表示。

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分别表示为动应力、长度、弹性模量、密度、时间、位移、速度、加速度、重力加速度、圆频率等物理量。

如果将l、E、ρ作为基本的未知量，依据量纲分析理论，其它的未知物理量均可以用基本未知量表示[3]：

(2)

式中的参数均为无量纲参数，并且要保持其模型与原型相等。定义原型和模型之间的相似比，可以得到各物理量之间的相似比必须满足下列条件[4]：

(3)

式中S表示原型与模型的相似比。

综上所述，本次研究采用的动力相似模型为重力失真(失真较小)模型。要正确研究混凝土桩—土动力响应的首要前提是合理地选择桩体和土体的材料。因为试验用土是饱和砂土，由于其研究的特殊性，土体就选用真实砂土然后灌水饱和。对于土体这意味着严格相似。为了使得整个试验体相似，桩体材料也需严格相似，为此，做了以下相关研究。

2 试验方案及结果分析

模型试验必须要先明确试验的目的，之后依据原型结构的特点来选择模型类型和使用材料。本次模型试验的目的是模拟原型在不同的地震力作用下原型的抗震性能，一般要采用的是强度模型。在以往的混凝土模型材料上通常采用细石混凝土、水泥砂浆、石膏砂浆等等。这些材料大都不能很好的满足上述的相似关系。

试验在每立方米M7.5水泥砂浆配合比的基础上进行，一是将水泥砂浆中的骨料砂子按照一定的比例用粉土(黏聚力C=12.8 kPa，内摩擦角φ=16°，渗透系数k=1×105m/s)来代替，从而达到减小弹性模量的目的，同时密度变化不大。二是提高密度，即将水泥砂浆中的砂子按照一定的比例用重金属铅来代替，从而达到提高密度的目的。不同配比所选用材料的质量比见表1和表2。

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

编号每立方米模型材料各配料质量/g水泥砂子土水砂土比12005808703802∶322008705803803∶2320011602903804∶1420012432073806∶1520012691813807∶16200145003805∶0

表2 不同铅土比例的模型材料质量
Tab. 2 Mass of model materials with different Pb-soil ratio

编号每立方米模型材料各配料质量/g水泥砂子重金属铅水砂铅比12009674833802∶1220011602903804∶1320013051453809∶1

依据水泥砂浆抗压强度试验和弹性模量测定试验规程(GB/T 7897-2008)，将不同配比的材料分别制作尺寸为70.7×70.7×70.7 mm3的3块试块，用来做标准抗压强度试验；尺寸为40×40×160 mm3的6块试块，其中3块用来做轴心抗压，目的是测定弹性模量时可以比较准确的选取控制力，另外3块用来做弹性模量的测定。分别取3块进行测定的目的是取平均值减小偶然误差。制作过程中采用浙江土工仪器制造有限公司JJ-5水泥砂浆搅拌机和ZT-96胶砂试体成型(TSO)振实台。制作好试块以后洒水养护至拆模，之后放入养护箱养护。拆模时发现含铅的试块没能很好的凝固，可塑性较大，像“橡皮土”似的。因此从提高密度来看未能达到预期的效果，只将含土的试块放入养护箱养护。

测定养护好试块的质量密度并按照试验规程分别做标准抗压强度、轴心抗压强度以及弹性模量试验,试验结果见表3。

表3 模型材料弹性模量测定表
Tab. 3 Test table for elastic modulus of model materials

砂土比标准抗压强度×面积/kN轴心抗压强度×面积/kN初始值P0下微应变ε0控制值Pa下微应变εa弹性模量=(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：表格中括号内的微应变为试件左右两边的应变计算时取平均值。

3 结论

本文通过对混凝土桩土体系振动台模型材料的试验研究得出：在M7.5水泥砂浆配比的基础上，针对于本次试验用材料，将部分砂土用粉土来代替，当砂土质量比达到4∶1及以下时，达到足够强度时材料的弹性模量可以降低一个数量级(101)，结合量纲分析的相似性，在线弹性动力分析中，当原型与模型的几何比不是很大的情况下，均可采用本文所提供的方案来代替混凝土材料。