樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)土箱模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)土箱模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

1確定最佳試驗(yàn)方案為了分析樁-土結(jié)構(gòu)的相互作用，提出了一些重要的指導(dǎo)參數(shù)和反應(yīng)規(guī)律，以便研究糾紛。樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用研究試驗(yàn)方法主要有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(包括足尺模型和縮尺模型)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與離心機(jī)試驗(yàn)。進(jìn)行樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)研究的目的有二個(gè):一是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)理論分析方法的有效性,優(yōu)化相互作用模型參數(shù)取值;二是由于地震只是偶發(fā)事件,通過(guò)試驗(yàn)觀察樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用反應(yīng)規(guī)律,驗(yàn)證或發(fā)現(xiàn)新的樁體與結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)。原型結(jié)構(gòu)為對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是試驗(yàn)研究的最佳方法,但受到諸如地震難以捕捉、成本大等諸多條件限制。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)低成本性、可控制性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)已越來(lái)越受到人們的重視,尤其是1989年LomaPrieta地震和1995年阪神地震中大量樁基震害,使得實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究引起了國(guó)際地震工程界和巖土工程界的普遍關(guān)注。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目專題“考慮結(jié)構(gòu)-土相互作用高橋墩地震反應(yīng)分析”,率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),為檢驗(yàn)相互作用理論分析模型提供了必要條件。試驗(yàn)于1999年2～7月在土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。2模型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)2.1模型試驗(yàn)的箱、板、箱首先設(shè)計(jì)一個(gè)裝盛模型土的容器。進(jìn)行樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究不可避免要截取有限范圍土層,由于受到包括土層深度、寬度以及長(zhǎng)度等因素影響,必須合理處理邊界條件以較好地模擬土體的自由場(chǎng)振動(dòng)特性?？紤]到實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)的尺寸以及承重荷載要求,并能使振動(dòng)臺(tái)激振達(dá)到理想效果。模型試驗(yàn)的箱子如圖1所示,其內(nèi)部尺寸長(zhǎng)320cm,高360cm,寬70cm。箱子在寬度方向沿內(nèi)壁粘設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料,增強(qiáng)側(cè)壁的柔軟性以模擬土箱邊界條件。為使土層振動(dòng)時(shí)減少砂土與土箱側(cè)壁的摩阻力,在沿長(zhǎng)度方向采取設(shè)置軟塑料薄膜等技術(shù)措施,以使箱壁盡可能的光滑,減少箱壁摩擦力對(duì)試驗(yàn)土體的約束作用。同時(shí)樁基底部到箱底距離力求達(dá)到2倍樁長(zhǎng)以上,減少箱底地震波反射對(duì)樁體的影響。試驗(yàn)從簡(jiǎn)單的模型入手,假定模擬的地層是均質(zhì)土層,采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選的砂土作為模型材料模擬地基土。2.2高橋墩群樁模型的建立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)需要進(jìn)行縮尺模型,因而不能完全模擬天然土體和樁體的動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)要真實(shí)反映土層在地震荷載下的非線性特征是極其困難的,雖然最近國(guó)外對(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)研究中土體相似率進(jìn)行考慮研究,但是它仍不能真正模擬實(shí)際土質(zhì)非線性特征。本次試驗(yàn)主要考慮相互作用影響規(guī)律,考察樁體和橋墩的地震反應(yīng)規(guī)律以及震害可能的部位,并為進(jìn)一步檢驗(yàn)相互作用理論分析模型的有效性積累基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因而并沒(méi)有追求模型試驗(yàn)與原型結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)格的相似規(guī)律。為使試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)單方便并使模型盡可能與原型結(jié)構(gòu)相符,橋墩試驗(yàn)?zāi)Ｐ?樁基、承臺(tái)和上部結(jié)構(gòu))參照我國(guó)城市高架和立交橋的高橋墩與可能采用的樁基形式,選取單柱樁墩、單柱墩2×2樁基、雙柱墩2×2樁基以及雙柱墩3×2樁基進(jìn)行試驗(yàn)。其中2×2樁基用以模擬常見(jiàn)的鉆孔灌注樁,3×2樁基用以模擬預(yù)制樁基礎(chǔ)。根據(jù)常用高橋墩結(jié)構(gòu)和樁基配筋情況,采用1:16比率進(jìn)行縮尺模型制作,具體考慮及制作情況見(jiàn)文。橋墩和樁基模型尺寸見(jiàn)表1,三種群樁模型的承臺(tái)尺寸相同,即375mm×310mm×125mm。進(jìn)行了下列幾組試驗(yàn):1)自由場(chǎng)模型圖1給出了自由場(chǎng)模型試驗(yàn)的情況及其加速度傳感器的布置。自由場(chǎng)模型試驗(yàn)的目的在于:①估計(jì)自由場(chǎng)土層地震反應(yīng)特征;②檢驗(yàn)?zāi)Ｐ屯猎诓煌降卣饎?dòng)輸入下土體的非線性特征;③檢驗(yàn)?zāi)Ｐ屯料湓O(shè)計(jì)的合理性。2)單柱樁墩模型是目前一些土質(zhì)條件較好場(chǎng)地較為常用結(jié)構(gòu)型式。由于其自身結(jié)構(gòu)所具有簡(jiǎn)單的特點(diǎn),研究單柱樁墩地震反應(yīng)規(guī)律可以較好地把握相互作用規(guī)律。3)神戶地震以來(lái)大量高架橋倒塌使得工程界需要確切了解單柱墩和雙柱墩抗震性能差異。本次試驗(yàn)對(duì)單柱墩和雙柱墩抗震性能差異進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)中兩種模型采用相同的基礎(chǔ)承臺(tái)、樁基尺寸以及墩頂附加質(zhì)量。圖2為單柱墩2×2樁模型。4)雙柱墩3×2樁基模型。上部結(jié)構(gòu)尺寸和墩頂附加質(zhì)量,包括承臺(tái)尺寸與雙柱墩2×2樁基模型相同,樁基模擬方形預(yù)制樁基礎(chǔ),其主要目的在于檢驗(yàn)考慮相互作用對(duì)預(yù)制樁抗震性能影響。2.3加速度反應(yīng)譜和光譜試驗(yàn)采用為0.07g和0.2g兩種不同峰值加速度的白噪聲,對(duì)自由場(chǎng)、單柱樁墩、單柱墩2×2樁、雙柱墩2×2樁以及雙柱墩3×2樁模型分別進(jìn)行縱向掃描,根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)得到的傳遞函數(shù)求體系的基頻、阻尼比以及放大系數(shù)。試驗(yàn)采用兩條不同頻譜特征和發(fā)震機(jī)理得到的地震波記錄。第一條為ElCentro波水平分量SOOE記錄,其譜分析表明譜值分布在0.25～6Hz這樣一個(gè)很寬的頻帶范圍內(nèi)。第二條是阪神地震中有日本氣象廳所屬的神戶海洋氣象臺(tái)在震中附近得到的南北分量加速度記錄,其頻譜上具有明顯的近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)特征。加速度反應(yīng)譜有明顯的尖峰效應(yīng),富式譜譜值集中在0.5～3.2Hz之間。兩條記錄加速度反應(yīng)譜見(jiàn)圖3所示。試驗(yàn)地震波時(shí)間步長(zhǎng)壓縮到0.005s,并調(diào)整峰值大小作為不同工況輸入。3土層非線性特征根據(jù)不同試驗(yàn)工況得到各模型中各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程、加速度峰值、應(yīng)變大小、計(jì)算加速度反應(yīng)譜以及模型體系的卓越頻率,研究土層非線性特征。下面針對(duì)具體某種工況就相互作用條件下的橋墩、樁基地震反應(yīng)一般性規(guī)律進(jìn)行解釋說(shuō)明和歸納。3.1加速度分析結(jié)果通過(guò)自由場(chǎng)試驗(yàn)可以衡量土箱設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)可以了解土性的非線性特征。將各個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度與箱底輸入加速度之比作為放大系數(shù)來(lái)衡量地震反應(yīng)規(guī)律,圖4給出的是神戶地震波輸入下的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合圖1中測(cè)點(diǎn)位置,從圖4中可以看出:①距離土箱邊界最近點(diǎn)A4的加速度峰值普遍比距離邊界較遠(yuǎn)的A1和A3測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)值要大,土層中間測(cè)點(diǎn)A7比土層表面測(cè)點(diǎn)相應(yīng)值小;加速度反應(yīng)譜峰值變化趨勢(shì)呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。②隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加,地表測(cè)點(diǎn)相對(duì)土箱底部加速度峰值放大系數(shù)呈明顯遞減趨勢(shì),說(shuō)明隨輸入水平增加,土性表征為明顯的非線性特征。③當(dāng)臺(tái)面激勵(lì)輸入較小情況下,A1、A3兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值和反應(yīng)譜最大值相差很小,說(shuō)明隨著相對(duì)邊界距離的增加,這兩測(cè)點(diǎn)加速度的影響變化已基本沒(méi)有變化;而且隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加,彼此間仍沒(méi)有發(fā)生大的差別。ElCentro輸入下呈現(xiàn)同樣的規(guī)律,因而測(cè)點(diǎn)A1、A3得到的試驗(yàn)結(jié)果基本是一致的。采用SHAKE91程序進(jìn)行自由場(chǎng)土層地震反應(yīng)理論分析。圖5是神戶波0.3g峰值工況下,土層表面中央測(cè)點(diǎn)位置得到的加速度時(shí)程與理化計(jì)算結(jié)果比較,兩者吻合很好,因而試驗(yàn)土箱基本上模擬了自由場(chǎng)土層反應(yīng)特征。圖6給出了在0.30g峰值加速度的ElCentro波輸入下土層表面測(cè)點(diǎn)5%阻尼比的加速度反應(yīng)譜試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的對(duì)比。點(diǎn)線是SHAKE91計(jì)算得到的土層表面位置加速度反應(yīng)譜結(jié)果,點(diǎn)劃線是二維有限元土層反應(yīng)分析結(jié)果。所以測(cè)點(diǎn)位置加速度反應(yīng)譜的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合相當(dāng)好。因而試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土箱能較好地模擬實(shí)際場(chǎng)地土層的地震反應(yīng)特征,將模型置于土層中央可以較好地模擬考慮樁?土?結(jié)構(gòu)相互作用的模型試驗(yàn)研究。3.2輸入地震動(dòng)水平圖7是0.07g峰值神戶波和0.40g峰值ElCentro波工況時(shí)墩頂測(cè)點(diǎn)加速度富氏譜,其卓越頻率分別為2.39Hz、1.46Hz。這說(shuō)明隨著輸入地震動(dòng)水平加強(qiáng),樁?土?橋墩相互作用的影響程度更加明顯,土層具有明顯的非線性特征。由于單柱樁墩這種結(jié)構(gòu)形式在地表位置缺少可靠的側(cè)向支撐,很容易形成樁?土的脫離,這在實(shí)際震害中經(jīng)?？梢砸?jiàn)到這種現(xiàn)象。本次試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一現(xiàn)象,如圖8表明試驗(yàn)結(jié)束后在土層表面,樁基與土已發(fā)生明顯裂隙。3.3高墩頂動(dòng)力特性分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)圖及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。圖9是不同工況神戶波輸入得到的橋墩頂部、墩底以及樁基上各測(cè)點(diǎn)加速度峰值相對(duì)箱底測(cè)點(diǎn)的放大系數(shù)曲線。從圖中可以看出隨著輸入激勵(lì)水平的增加,放大系數(shù)呈快速下降趨勢(shì),尤其對(duì)土層表面和樁頂測(cè)點(diǎn)更為明顯。同時(shí)墩頂和樁基底部測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)下降趨勢(shì)沒(méi)有土層表面測(cè)點(diǎn)明顯,下降斜率遠(yuǎn)比土層測(cè)點(diǎn)小,尤其體現(xiàn)在激勵(lì)水平強(qiáng)烈的試驗(yàn)工況區(qū)段。墩頂測(cè)點(diǎn)放大系數(shù)普遍較小,一般小于1。根據(jù)不同峰值輸入下的白噪聲對(duì)橋墩和土層體系自振頻率進(jìn)行掃描。在0.07g峰值白噪聲輸入下,試驗(yàn)得到墩頂測(cè)點(diǎn)A7的卓越頻率值是1.56Hz,阻尼比13%;土層表面測(cè)點(diǎn)得到卓越頻率為8.9Hz,阻尼比是5.3%,而承臺(tái)表面測(cè)點(diǎn)的卓越頻率與土層表面A1、A3測(cè)點(diǎn)卓越頻率基本相同,只體現(xiàn)在阻尼比的稍許差別。在0.25g峰值白噪聲輸入下得到墩頂測(cè)點(diǎn)的卓越頻率是1.15Hz,阻尼比16%;土層表面測(cè)點(diǎn)得到8.2Hz卓越頻率,阻尼比7.5%。因而輸入振動(dòng)強(qiáng)度增加體系的卓越頻率降低,阻尼比增大。這說(shuō)明由于土層非線性的增加,樁-土-橋梁上部結(jié)構(gòu)相互作用增強(qiáng)。圖10是不同工況神戶波輸入下,橋墩底部以及樁基不同深度測(cè)點(diǎn)得到的應(yīng)變幅值變化規(guī)律?？傮w上樁基頂部位置附近應(yīng)變最大,并隨著輸入激勵(lì)水平增加測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)黾印Ｍ瑫r(shí)沿深度方向應(yīng)變呈遞減趨勢(shì),樁基底部最小,樁身應(yīng)變總體上呈倒三角形分布。即使輸入水平增加,但是樁底應(yīng)變幾乎沒(méi)有多大變化,即在振動(dòng)作用下摩擦樁樁基底部基本處于自由狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后,樁頂和墩頂位置出現(xiàn)不同程度的裂縫,以樁頂位置裂縫最為明顯,如圖11所示。3.4樁基應(yīng)變幅值分布雙柱墩2×2樁基模型在橋墩以及樁基同一斷面位置對(duì)稱布置了兩個(gè)應(yīng)變片,以消除試驗(yàn)可能造成的誤差。圖12是神戶波輸入下,樁基應(yīng)變幅值變化規(guī)律。從中可以看出,樁基頂部位置的應(yīng)變幅值最大,隨著深度方向應(yīng)變逐漸減小,樁基底部最小。因而樁基底部也是基本處于自由狀態(tài)。對(duì)樁基和橋墩觀察表明,樁頂位置也出現(xiàn)不同寬度和密度的裂縫,并主要集中在樁頂位置,這與該處應(yīng)變幅值實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的,如圖13所示。3.5雙柱墩加速度反應(yīng)對(duì)單柱墩和雙柱墩試驗(yàn)結(jié)果的比較有助于了解兩種橋墩形式的抗震性能。圖14是在不同神戶波輸入工況下,測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)隨著輸入加速度峰值的變化規(guī)律。在樁頂位置,雙柱墩相應(yīng)的放大系數(shù)明顯比單柱墩對(duì)應(yīng)值要大,但是墩頂位置是雙柱墩比單住墩要應(yīng)值要小,承臺(tái)表面測(cè)點(diǎn)情況與墩頂基本一致。圖15是在不同峰值神戶波輸入工況下,測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)譜峰值隨輸入水平增加的變化趨勢(shì),可以得出單柱墩在墩頂位置的加速度反應(yīng)譜比雙柱墩對(duì)應(yīng)值要大,樁頂位置的規(guī)律卻相反。對(duì)比圖10與圖12可以得出在相同箱底加速度峰值情況下,雙柱墩模型樁頂附近位置應(yīng)變幅值明顯比單柱墩相應(yīng)結(jié)果要大。對(duì)比圖11和13樁基和橋墩裂縫分布,雙柱墩模型樁身裂縫明顯比單柱墩模型寬;而橋墩裂縫分布規(guī)律卻相反。因此比較采用相同樁基和承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式、同樣的墩頂荷載橋墩,對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),雙柱墩比單柱墩的橋墩抗震性能好,但是需要付出對(duì)樁基抗震不利的代價(jià),這是因?yàn)殡p柱墩結(jié)構(gòu)的剛度要大于單柱墩,它形成了一個(gè)類似門式的框架結(jié)構(gòu)。3.6深度方向?qū)渡響?yīng)變的影響圖16是不同水平ElCentro波激勵(lì)下,橋墩底部以及樁基不同深度測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅值變化規(guī)律。可以看出樁基頂部位置的應(yīng)變幅值最大,隨著深度方向應(yīng)變逐漸減小,樁基底部最小,且應(yīng)變值幾乎沒(méi)有變化。這些規(guī)律總體上與其它模型試驗(yàn)得到的規(guī)律是一致的,與雙柱墩2×2樁基模型試驗(yàn)結(jié)果不同的是,3×2方樁模型試驗(yàn)得到的樁基應(yīng)變隨深度方向呈直線減小趨勢(shì),沒(méi)有2×2樁那樣樁身應(yīng)變存在稍微的凹凸現(xiàn)象。這是因?yàn)闃痘孛婧苄?因而側(cè)向剛度很小,樁基頂部主要承受來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的慣性力,不象雙柱墩采用圓形的2×2樁形式,樁體具有較大的抗彎剛度。4理論結(jié)論分析本文率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了考慮樁?土?橋梁結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究的土箱容器,并進(jìn)行了自由場(chǎng)土層運(yùn)動(dòng)、單柱樁墩、單柱墩2×2樁基、雙柱墩2×2樁基以及雙柱墩3×2樁基模型試驗(yàn),詳細(xì)分析了樁體和橋墩中不同位置的加速度和應(yīng)變變化規(guī)律,并針對(duì)自由場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)自由場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析研究表明,模型土在強(qiáng)烈激勵(lì)作用下,表現(xiàn)出明顯的非線性特征;試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與理論分析均表明土箱容器較好地模擬了自由場(chǎng)土層的地震反應(yīng)規(guī)律,因而土箱設(shè)計(jì)是成功的,將模型置于容器中央可以較好地進(jìn)行考慮樁?土?橋梁上部結(jié)構(gòu)相