剛性樁復(fù)合地基的抗震性能

　　剛性樁復(fù)合地基由于自身具有相對于柔性樁較大的樁體剛度，可以更好地發(fā)揮全樁的側(cè)摩阻力，因此具有較高的承載力，而且還具有沉降量小、施工簡單、工期短等優(yōu)點，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，在我國被大量地應(yīng)用到10-30層的高層建筑中[1-3]。 

 

　　我們通過靜力模型試驗，對不同褥墊層厚度下模型樁體和土體的應(yīng)力變化規(guī)律及樁土應(yīng)力比等工作性能進(jìn)行了研究；并采用模型擬動力試驗，得出樁身應(yīng)變、砂箱位移、墊層變形值，并對上述數(shù)值進(jìn)行分析研究，得出剛性樁復(fù)合地基在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律；通過分析剛性樁復(fù)合地基動靜試驗數(shù)據(jù)，得到一些對剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計有參考價值的規(guī)律性結(jié)論。 

 

 

　　1.1 試驗概況 

 

　　試驗采用3×3群樁模型：樁體采用PP-R管材，樁長900mm，樁間距6d（d為樁徑）；砂為中砂；荷載板為0.5m×0.5×0.02m鋼板；設(shè)置150mm厚的墊層. 模型材料參數(shù)見表1.模型試驗如圖1所示，砂桶內(nèi)模型樁和應(yīng)變片粘貼情況如圖2所示. 電腦自動采集試驗數(shù)據(jù). 

 

　　1.2 試驗結(jié)果分析 

 

　　1） 圖3為不同褥墊層的p-s曲線，從圖中可以看出不設(shè)墊層時的沉降量最大，當(dāng)設(shè)置一定厚度的墊層時，由于墊層的調(diào)節(jié)作用，大部分上部荷載由樁間土體承擔(dān)，同時樁體的側(cè)摩阻力會隨著樁間土應(yīng)力的增加而增加，進(jìn)而提高樁的承載力，并且更深的土體會受到荷載的影響；復(fù)合地基的承載力亦會因此而提高，同時樁體的受力會更均勻些。 

 

　　2）圖4為樁體應(yīng)力，由于墊層的流動補(bǔ)償使得樁身的最大應(yīng)力點位置下移. 從模型試驗的結(jié)果來看，最大應(yīng)力點的位置在Z/L=0.3附近（Z/L表示樁身不同位置與樁長之比），墊層厚度對最大應(yīng)力點位置影響不大。 

 

　　3）圖5是不同樁位樁身的應(yīng)力曲線，角樁的樁身應(yīng)力最大，其次是邊中樁，中樁樁身應(yīng)力最小但最均勻。 

 

　　4）圖6是樁土荷載分擔(dān)比變化曲線，從圖中可以看出，樁體分擔(dān)比隨著荷載的增大而逐漸增大，然后趨于平衡甚至有些下降；土體分擔(dān)比反而隨著荷載的增大而逐漸減小。 

 

 

　　2.1模型相似關(guān)系 

　　綜合考慮擬動力試驗系統(tǒng)和模型自身性質(zhì)等因素的影響，根據(jù)相似性理論，試驗?zāi)Ｐ瓦x取長度相似比為1：10，材料彈性模量、加速度、質(zhì)量密度和應(yīng)力與應(yīng)變的相似比均為1：1。 

 

　　2.2模型設(shè)計 

　　試驗采用含水率為5.7%的開封地區(qū)砂土模擬地基情況. 試驗中的砂箱采用10 mm厚鋼板加工制作而成。 試驗采用3×3群樁模型，模型樁采用具有較高強(qiáng)度的三型聚丙烯管材。 分別采用拉伸試驗和壓縮試驗得到模型樁的相關(guān)參數(shù)：彈性模量為 ，泊松比為0.36。 褥墊層厚度為30 mm。 

 

　　2.3 監(jiān)控點布置 

　　為了實時監(jiān)控模型在關(guān)鍵部位的應(yīng)變、位移、土壓力及褥墊層的變化情況，試驗中分別在距離樁頂3 cm處以及第一個應(yīng)變片以下每隔12 cm處電阻應(yīng)變片，共 8個；分別在砂桶底部、模型樁底、中部、上部以及砂桶側(cè)面埋設(shè)土壓力盒；褥墊層中心設(shè)置兩個水平做動器和兩個垂直做動器；在砂箱外側(cè)放置量程為0～150 mm的位移傳感器以便測得砂箱的時程曲線. 樁位布置及試驗裝置見圖7和圖8。 

 

　　2.4試驗參數(shù)及加載方案 

 

　　試驗前，首先需要確定將在模型試驗中用到的三個參數(shù)：模型的初始剛度、質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣。 

 

　　試驗采用對模型做單周期反復(fù)加載，通過加載測得的位移和反力計算出模型結(jié)構(gòu)的剛度值. 本模型試驗的初始剛度為2×105 N/m；模型的質(zhì)量矩陣可根據(jù)原型結(jié)構(gòu)的實際質(zhì)量和原型-模型之間的相似比確定[4]；模型的阻尼矩陣，擬動力試驗不同于振動臺試驗[5]，不必在模型結(jié)構(gòu)上加大質(zhì)量，只需在操作系統(tǒng)中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使其滿足相似性要求即可[6]。 

 

　　2.5 模型試驗結(jié)果 

 

　　文中只對在El Centro波（加速度峰值為35cm/s2，上部荷載為18KN，）的作用下模型樁的性能進(jìn)行了分析，并和有限元理論分析結(jié)果進(jìn)行了比較. 其樁身內(nèi)力包絡(luò)圖如圖9所示。 

 

　　剪力最大值均出現(xiàn)在樁頂處，最小值在Z/L=0.43處，樁端剪力相對樁身其它部位而言其值也較大，僅略低于樁頂剪力；而最大彎矩值出現(xiàn)在剪力值最小處；無論是彎矩值還是剪力值都是：角樁最大，其次是邊樁，再次是中心樁. 實際工程中角樁的破壞程度比中樁和邊樁嚴(yán)重。 

 

 

　　本文分別采用豎向靜力和水平動力荷載模型擬試驗，研究了剛性樁復(fù)合地基樁體的力學(xué)性能. 并對其結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得到如下結(jié)論： 

 

　　1）靜力荷載作用下，樁身應(yīng)力的中性點位置在Z/L=0.3附近. 不同樁位角樁的中性點位置最高，邊中樁次之，中樁中性點位置最低. 對于樁身應(yīng)力，不論是樁基還是復(fù)合地基，角樁最大，邊中樁次之，中樁應(yīng)力最小。

 

　　2）豎向荷載作用下，不設(shè)墊層時的沉降量最大，當(dāng)設(shè)有一定厚度的墊層時，由于墊層的調(diào)節(jié)作用，同時樁體的側(cè)摩阻力會隨著樁間土應(yīng)力的增大而提高，進(jìn)而提高樁的承載力，并且荷載會作用到更深的土層，復(fù)合地基的承載力也會因此而提高。 

 

　　3）剛性樁復(fù)合地基在動力作用下樁體的最大剪力均在樁頂，樁端的剪力也較大；而最大彎矩出現(xiàn)在Z/L=0.43處，無論是彎矩值還是剪力值都是：角樁最大，其次是邊樁，再次是中心樁；所以設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)角樁抗彎、抗剪及抗扭的計算及構(gòu)造措施。 

 

　　4）通過模型擬動力試驗的分析，本試驗方法用于研究剛性樁復(fù)合地基的抗震性能是可行的；而且通過觀察試驗現(xiàn)象和分析試驗數(shù)據(jù)，可見剛性樁復(fù)合地基具有良好的抗震性能。 

 

　　參考文獻(xiàn) 

　　[1] 池躍軍.剛性樁復(fù)合地基工作性能及沉降計算方法的研究[D] .北京：清華大學(xué)，2002. 

　　[2] 閻明禮，吳春林，楊軍.水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，1996，18（2）：1-2. 

　　[3] 閻明禮，張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實踐[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：22，75-80. 

　　[4] 王嫻明.建筑結(jié)構(gòu)試驗[M].北京，清華大學(xué)出版社，1998. 

　　[5] 劉彩玲.鋼框架結(jié)構(gòu)擬動力試驗及結(jié)構(gòu)動力相似關(guān)系研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.