桩基础与复合地基动力响应特性的振动台试验研究

潘 婧

(江苏联合职业技术学院，江苏 南京 210000)

0 引言

我国国土面积超50%比例位于高地震高烈度区域，地质烈度达到Ⅷ度及以上，因此建筑物的抗震特性是关系到我国广大人民生命安全的重大问题。

当震害发生时，不同类型的地基基础所表现出的抗震减震特性各不相同。针对桩基础的研究相对较多，结合震害调查对其破坏机理开展了大量考查与分析，对地基基础抗震性能、破坏原因、类型等有关认识也逐渐提高[1-4]。从1975年开始的近40年间发生的地震记录可以看出，建筑桩基极易受地震影响发生损害，其主要原因是桩-土地震协同效应未得有深入研究[2-5]，在此基础之上形成了Winkler地基梁法[6]，Matlock[7]、Novak[8]等理论-经验计算模型。复合地基方面，刘广均等[9]人研究CFG桩复合地基的抗震效果，提出在进行抗震设计时，应考虑褥垫层的链接效果，以保证上部结构和基础的整体刚度；宋春雨[10]在Winkler模型的基础上，研究了水泥桩复合地基的抗震效果，对地基的剪切波速、土层厚度以及地震频率与单桩最大弯矩的关系进行了探讨；李海晓[11]分析复合地基在地震作用下的反应时，采用增量迭代法进行分析并考虑了等价线性模型，计算结果表明天然地基经过加固形成复合地基后，其力学性能和动力反应特性有了明显改善，从而提高了结构抗震性能。

以刚性桩复合地基和桩基础为研究对象，以贡贝州复合地基项目为背景工程，基于相似原理建立刚性桩复合地基和桩基础的振动台试验模型，监测结构特征点应变、加速度和位移等地震特性表征参量，对比分析从而获得两者的动力响应特性，研究结果旨在为建筑结构抗震设计提供试验依据。

1 试验模型

振动台试验的台阵由两个振动台组成。两个单台均为三向六自由度，其中A台为固定台，B台为移动台，能够在2～22m的直线范围内移动。整个振动台阵可实现两台独立工作、两台同步工作和两台关联运动等3种工作模式。两振动台技术参数相同，最大试件重量35t，最大倾覆力矩70t·m，最大回转力矩35t·m，工作频率范围0.1～50Hz，最大水平位移±150mm，最大竖向位移±100mm，最大水平速度±800mm/s，最大竖向速度±600mm/s，最大加速度±1.0g。

试验开展复合地基与桩基础动力响应特性的振动台试验各1组，模型设计、制作分述如下。

1.1 模型设计

某复合地基工程采用刚性桩复合地基，桩径0.6m，桩长8m，桩间距1.7m，褥垫层厚度0.3m。根据振动台尺寸建立的复合地基模型几何相似比10∶1，承台基础埋深3.6m，设计的复合地基模型中承台尺寸为0.33m×0.33m×0.36m，承台下布置5根刚性桩，桩径6cm，桩长80cm，桩间距17cm，褥垫层厚度3cm。模型中单桩质量5.652kg，承台质量98.01kg。根据上部荷载重量，利用等效密度相似比原理，确定模型上需施加等效质量87.161kg。放置高度为1m，选用φ48mm钢管螺栓连接。为便于对比试验结果数据，建立的桩基础模型与复合地基模型基本相似，仅去掉了褥垫层。模型示意图如图1所示。

图1 试验模型示意图

1.2 模型制作

1.2.1结构模型制作

本次试验中并不分析结构的破坏情况，因此承台与桩基础按照几何相比为10和容重相似比为1的要求，采用微颗粒混凝土制成。制作的承台模型尺寸为0.33m×0.33m×0.36m。制作的桩基模型在桩顶预留了固定螺孔，当桩顶与承台用螺杆固定时，则模拟桩基础模型；当桩顶与承台不用螺杆固定时，则模拟复合地基模型。

1.2.2地基土模型制作

根据相似原理可知，为确保试验结果的准确性，在开展模型试验时，需保证模型材料与原状土的物理性质相同。由于缺少原状土物理性质的相关信息，需结合《相似理论与静力学模型试验》[12]和《相似材料和相似模型》[13]得出地基土的配比，以开展相关试验。基于以上分析，得出地基土采用的材料配比为水∶水泥∶石灰∶粗砂=0.5∶1∶0.58∶5，相似材料的具体物理力学指标见表1。

表1 试验材料中地基土的物理力学参数

1.3 模型填筑

在岩土工程振动台模型试验中，常采用层状剪切变形模型箱、碟式容器、普通刚性箱+内衬和柔性容器等开展试验。结合本试验的规模及刚度实际情况，宜采用钢板+型钢制作的刚性模型箱，其内部尺寸为1.93m×1.93m×1.3m(长×宽×高)，模型箱底板及骨架材料主要由钢板、角钢、槽钢组成。为避免振动波在模型箱边界的反射，最大程度的消除边界效应对试验的影响，还在模型振动方向两端壁加贴厚度30mm的吸波材料。

在开展次试验过程中，首先采用对填料进行搅拌，然后将试验材料利用龙门吊填筑于模型箱内；在填筑20cm后，对其填筑密实度进行检测，当密实度达到标准后，再进行下一层填筑，为保证平面内密实度的均匀性，采用机械振捣结合人工振捣相进行压实，并在模型的边界处采用人工压实，以保证压实质量。另外，在模型填筑过程中，传感器的布置位置需与试验方案一致，尽量避免在埋设过程中损坏传感器。

2 监测及加荷方案

2.1 监测方案

试验主要监测地震荷载作用过程中模型桩基和复合地基中桩身上、中、下部位加速度、位移、应变的响应值。

在模型配重位置、承台顶部、承台底部、桩顶、桩中、桩端、模型箱底部、土层表面和土层中间各布置一个加速度计，用于监测场地内的加速度场。在承台表面、桩顶、桩中和桩端各布置一个应变片，用于测试结构应变。在配重位置和承台位置各布置一个水平位移计，在模型箱外布设了两个激光位移计，用于测试试验中模型各位置的位移情况。测试元件布置示意图如图2所示。

图2 监测元件布设位置示意图

采用两套采集系统同步平行采集，包括BBM数据采集系统和东华DH5923动态数据采集系统。其中BBM数据采集系统拥有128通道，最大引用误差≤0.5%；东华动态数据采集仪拥有32通道，最大采样频率为5kHz通道。

2.2 加载方案

试验采用输入加速度时程实现地震波的模拟，地震波以汶川卧龙台地震波为主，经归一化统一处理后使基准地震波幅值变为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.6g、0.8g的三向地震动时程，图3为幅值调整为0.1g后地震波的三向地震动加速度时程，x、y、z向三向分别输入EW、NS及UP波。

图3 汶川卧龙地震波

3 试验结果分析

3.1 桩身应变对比分析

为了测试桩身应变，分别选取了2个模型中一根典型的桩进行分析。该桩自上而下布设了3个应变片(桩身纵向)，以桩身上部试验点结果为例进行说明，试验结果如图4所示。

图4 桩身应变试验结果

由于测试数据较多，因此从图4中抽取部分数据，以峰值加速度0.4g的测试结果为例进行对比分析。复合地基与桩基础模型中1#桩桩顶位置应变时程曲线如图5所示。

图5 桩身应变试验对比结果

从图中5可以看出，桩基础模型中测试桩上部的峰值应变超过60μ，而复合地基模型中的刚性桩上部的峰值应变约15μ，前者约为后者的4倍。复合地基抗震性能优于桩基础。

3.2 加速度和位移对比分析

为了测试场地的加速度响应，在配重、承台、振动台台面处分别布设了三向加速度测点，因需与桩基础模型进行试验对比，本文仅针对桩顶处模型加速度进行分析，同时选取了与复合地基模型相同测点处的位移进行对比。

同样以峰值加速度0.4g的测试结果为例进行分析。复合地基与桩基础模型配重位置加速度时程曲线如图6所示。从图6中可以看出，桩基础模型配重位置峰值加速度约4.5m/s2，复合地基模型配重位置峰值加速度约3m/s2，复合地基模型中配重位置加速度更小。

图6 结构加速度对比结果

复合地基与桩基础模型配重位置位移时程曲线如图7所示。从图7中可以看出，桩基础模型配重位置峰值位移约38mm，复合地基模型配重位置峰值位移约56mm，桩基础模型中配重位置位移更小。

图7 结构位移对比结果

4 结论

地震发生时，不同类型的地基基础所表现出的抗震减震特性各不相同。建筑地基基础的动力响应特性关系到人民生命安全。本文以贡贝州刚性桩复合地基和桩基础为研究对象，采用振动台模型试验进行复合地基与桩基础的抗震减震特性对比分析研究，结果表明：

(1)相同设计、地震荷载条件下，桩基础模型中测试桩上部的峰值应变量约为复合地基模型中刚性桩上部峰值应变的4倍。

(2)相同设计、地震荷载条件下，桩基础桩顶处峰值加速度约为复合地基中桩顶位置峰值加速度的1.5倍；但是位移变化则相反。

(3)综合而言，相同设计、地震荷载条件下，在建筑结构位移满足设计要求的前提下，复合地基动力响应优于桩基础。