摘要
劲芯复合桩是将预制混凝土管桩插入水泥土桩中复合而成的新型桩基。通过振动台模型试验及有限差分程序FLAC3D数值模拟分析,研究可液化地基中劲芯复合桩的地震响应。利用模型试验结果验证数值模型的准确性和可靠性,进而通过参数分析讨论水泥土桩桩径、桩长、剪切模量等因素对可液化土—复合桩—上部结构地震响应的影响规律,定量评价水泥土桩加固对场地抗液化性能及桩基弯曲破坏的影响特征。结果表明:增大水泥土桩桩径和桩长可有效提高复合桩的抗震性能;增大水泥土剪切模量对复合桩抗震性能的提高有限;桩基在桩头附近或水泥土与可液化砂土交界处易产生较大的弯矩响应,该部位应采取必要的抗震构造措施。根据研究结果,提出了可液化地基中劲芯复合桩的抗震设计要点。
地震引起的场地液化极易造成桩基础的严重破坏,进而导致上部结构的倒塌破
针对可液化砂土地基中桩—土—结构地震响应问题,学者们通过振动台试验和数值模拟方法开展了很多研究。Tokimatsu
虽然众多学者已针对可液化土中常规桩的抗震性能做了很多工作,但对劲芯复合桩抗震性能方面的研究还很少,仅有极少数学者做了一些初步探
为研究复合桩抗震性能并给数值模型提供实际依据,基于重庆大学土木工程实验中心的ANCO振动台进行模型试验。振动台配有内部尺寸为950 mm×850 mm×600 mm(长×宽×高)的层状剪切模型箱。考虑到模型的尺寸、材料等因素,为真实反映原型结构的动力特性,对原型结构进行缩放和相似比设计。选定几何尺寸相似比1:20,弹性模量相似比1:20,密度相似比1:1,并由Bockingham π定
参照实际工程场地的土层分布,模型地基土层自下而上由100 mm非液化中粗砂层、420 mm可液化土层和30 mm干砂覆盖层组成。可液化土层和干砂覆盖层采用福建标准砂,各土层基本物理参数见
由于原型PHC管桩弹性模量为38 GPa,直径为400 mm,通过相似比缩放后其直径过小,难以浇筑,所以模型管桩和筏板采用1.9 GPa有机玻璃进行制作,采用有机玻璃专用胶将6根管桩(复合桩)组成的2×3群桩基础嵌固于筏板上。管桩的桩长l为450 mm,桩径d为20 mm,壁厚为5 mm,桩间距为6.25d,筏板尺寸为310 mm×175 mm×30 mm(长×宽×厚)。在每根管桩空心部分灌入138 g细铁砂以确保与原型的密度相似比为1:1。在筏板上粘贴4块尺寸为100 mm×100 mm×200 mm(长×宽×高),总质量60 kg的铁块模拟上部结构荷载。水泥土桩桩长L为450 mm,与管桩等长,桩径D(即复合桩桩径)为50 mm,通过减小水泥掺量和缩短养护龄期的方法使弹性模量达到相似比要求。试验水泥土桩采用10%水泥掺量的水泥胶砂制作而成,其质量配合比为水泥:福建标准砂:水=1:10:2。经测定,水泥土试样的3 d平均抗压强度为0.28 MPa。在制作复合桩时,首先将管桩固定于牛皮纸筒中心位置,然后将拌和好的水泥土灌入纸筒,待水泥土固化后拆除纸筒,即可形成整体的复合桩。
由于模型箱宽度方向(平行于振动方向)边界对结果影响较小,采用不透水泡沫板将模型沿该方向均分为两部分,以便在同一次振动中完成两次试验,试验结果取平均值,以减小误差。试验模型及传感器布置示意图见

图1 试验模型和传感器布置图(单位:mm)
Fig. 1 Layout of test model and sensor (Unit: mm)
为深入研究水泥土桩的设计参数(桩径、桩长和模量)对劲芯复合桩的影响规律,基于振动台模型试验,采用有限差分程序FLAC3D对原型条件下2×3复合桩桩筏基础在可液化土层中的地震响应进行数值模拟分析。计算模型取实际尺寸(试验模型的20倍),即长19 m、宽8.5 m、高11 m,如

图2 数值分析模型
Fig. 2 Numerical analysis model
中粗砂和干砂采用Mohr-Coulomb(MC)模型,可液化砂土采用Finn模
(1) |
式中:为砂土塑性体积应变;为砂土剪应变;和为两个参数,可通过
(2) |
(3) |
式中:为砂土相对密实度。水泥土桩采用MC模型,其变形模量取150qu(qu为无侧限抗压强度),黏聚力取30%qu,砂土和水泥土的参数如
数值模型采用瑞利阻尼进行动力分析,假定阻尼矩阵与质量矩阵和刚度矩阵相关。在FLAC3D中设置瑞利阻尼时,需要最小临界阻尼比和中心频率两个参数,根据FLAC3D用户手册中瑞利阻尼参数的确定方
动力计算时,采用自由场边界条件以减少边界效应的影响,如
为了验证计算模型参数选取的合理性与可靠性,将数值计算结果与模型试验结果进行对比。由于振动台试验采用的是缩尺模型,而数值模拟采用的是复合桩基础原型,为便于比较和分析,将振动台试验的监测结果按
0.4g El Centro波作用下土体超孔压比时程计算值与振动台试验记录值的对比如

图3 超孔压比响应计算值与试验值的对比
Fig. 3 Comparison between calculated and test results of excess pore pressure ratio

图4 加速度和弯矩计算值与试验值的对比
Fig. 4 Comparison between calculated and test results of acceleration and bending moment
综上所述,建立的数值模型能够很好地反映结构的真实情况,保证参数分析计算的合理性和可靠性。
为深入研究可液化土中劲芯复合桩的抗震性能,通过数值模型进行参数分析,重点分析水泥土桩设计参数(桩径D、桩长L和剪切模量Gc)对砂土—复合桩—上部结构地震响应的影响。
基于构建的三维数值计算模型,保持砂土剪切模量Gs=3.85 MPa,水泥土桩剪切模量Gc=323 MPa,水泥土桩桩长L=9 m,管桩桩长l=9 m,管桩桩径d=400 mm不变,分别选取水泥土桩桩径D为1.0d(即单独管桩)、1.5d、2.0d、2.5d和3.0d,以此来探讨水泥土桩桩径对砂土—复合桩—上部结构地震响应的影响。
在0.4g El Centro波作用下,不同桩径比D/d对应的土体各深度处超孔压比峰值曲线如

图5 不同桩径比下各深度处超孔压比峰值对比
Fig. 5 Comparision of peak values of excess pore pressureratio under different depths and diameter ratios
为了定量分析复合桩基础对土体抗液化性能提高的程度,基于能够反映土体液化程度的超孔压比,定义复合桩场地抗液化性能提升比
(4) |
式中:和分别表示预制桩场地和复合桩场地群桩内部土体某深度处的超孔压比。
与桩径比的关系曲线如

图6 抗液化性能提升比与桩径比的关系
Fig. 6 Relationship between D/d and η
在强震作用下,液化场地桩基最常发生弯曲失效。为直观地分析水泥土桩桩径对复合桩弯曲失效的影响,将不同振动强度amax下预制管桩桩身最大弯矩与极限弯矩的比值Mmax/Mu随桩径比D/d的变化曲线绘制于

图7 桩径比对复合桩弯曲失效的影响
Fig. 7 Effect of D/d on bending failure of composite piles
由
保持砂土剪切模量Gs=3.85 MPa,水泥土桩剪切模量Gc=323 MPa,水泥土桩桩径D=1 000 mm,管桩桩径d=400 mm,管桩桩长l=9.0 m不变,分别选取水泥土桩桩长L为0、0.25l、0.5l、0.75l和1.0l,以此来探讨水泥土桩桩长对砂土—复合桩—上部结构地震响应的影响。
在0.4g El Centro波作用下,不同桩长比L/l对应的土体各深度处超孔压比峰值曲线如

图8 不同桩长比下各深度处超孔压比峰值对比
Fig. 8 Comparison of peak values of excess pore pressure ratio under different depths and length ratios
不同震动强度下预制混凝土管桩的Mmax/Mu随桩长比L/l的变化规律如

图9 桩长比对复合桩弯曲失效的影响
Fig. 9 Effect of L/l on bending failure of composite piles
保持水泥土桩桩长L=9 m,桩径D=1 000 mm,管桩桩长l=9 m,桩径d=400 mm,可液化砂土层剪切模量Gs=3.85 MPa不变,分别选取水泥土桩剪切模量Gc为15Gs、30Gs、45Gs和60Gs的工况来探讨水泥土桩模量对砂土—复合桩—上部结构地震响应的影响。
在0.4g El Centro波作用下,不同桩土剪切模量比Gc/Gs对应的土体各深度处超孔压比峰值曲线如

图10 不同模量比下各深度处超孔压比峰值对比
Fig. 10 Comparsion of peak values of excess porepressure ratio under different depths and modulus ratios

图11 抗液化性能提升比与剪切模量比的关系
Fig. 11 Relationship between of Gc/Gs and
不同震动强度下预制管桩的Mmax/Mu随Gc/Gs的变化如

图12 剪切模量比对复合桩弯曲失效的影响
Fig.12 Effect of Gc/Gs on bending failure of composite piles
水泥土桩参数对可液化土中复合桩地基抗震性能影响显著,增大水泥土桩桩径是提高桩基抗震性最直接有效的措施。由于浅层液化土对桩基的破坏风险较深层液化土更大,故当可液化土层较薄时(小于10 m
在进行可液化土中劲芯复合桩抗震验算时,应当着重考虑水泥土桩加固对预制管桩水平抗震起到的有利作用。一方面,水泥土在一定程度上可视为强度模量更高的土壤,采用水泥土处理土壤能够提高地基的水平抗力系数;另一方面,水泥土加固能有效降低可液化土层的液化趋势,在对液化砂土水平抗力折减时可适当增大液化折减系数。为保证工程安全,不考虑桩径比D/d低于2.0时水泥土桩对土层液化的抑制作用,仅将其视为抗震性能的安全储备。另外,对于本文中桩头与筏板固接的复合桩,桩基在桩头附近或水泥土与可液化砂土交界处容易产生弯曲破坏,应在这些位置采取必要的构造措施,如增配螺旋箍筋、填芯等,以提高其抗震承载力和延性。
1)水泥土桩加固管桩地基形成的劲芯复合桩较普通管桩具有更好的抗震性能,能够在一定程度上抑制液化土超孔压的发展。增大水泥土桩桩径是提高桩基抗震性能最直接有效的措施。
2)增加水泥土桩桩长可以有效减小土体各深度处超孔压比,降低桩身弯曲破坏的风险。当可液化土层厚度较小时(小于10 m),水泥土桩应贯穿可液化土层;若液化土层较深厚不宜贯穿,则水泥土桩长度应不小于10 m。
3)增加水泥土剪切模量对复合桩地基抗震性能的提升是有限的,在实际工程中,可通过适当增加水泥土剪切模量来提高可液化地基中复合桩的抗震能力,但当桩土模量比大于45后,继续增加水泥土的剪切模量对复合桩抗震性能的提升效果并不明显。
4)桩头与筏板固接的复合桩地基在桩头附近或水泥土与可液化砂土交界处容易产生弯曲破坏,工程中应在这些位置采取必要的构造措施。
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