砂土液化地区PHC管桩振动台试验模型设计研究

文行武

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

砂土液化地区PHC管桩振动台试验模型设计研究

文行武

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

通过对管桩振动台试验模型设计理论的研究，结合实际工程，提出针对砂土液化地区的PHC管桩抗震性能的振动台试验模型，为振动台试验模型的设计提供参考。

砂土液化；管桩；振动台试验；模型设计

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引 言

图1 原型建筑PHC管桩分布图与竖向力值

对于PHC管桩的抗震研究，已有的主要是通过低周期反复荷载作用，探讨PHC管桩的破坏特点和延性、滞回、刚度退化等动力特性。虽已有研究人员通过振动台试验开展过PHC管桩抗震性能研究，不过，其桩身模型材料选用环氧树脂，存在预应力和材料差异等问题。同时，针对砂土液化地区的PHC管桩抗震的研究还未见有文献报导。本文将以福州某工程为依托，主要对液化砂土中PHC管桩抗震性能的振动台试验模型的设计进行研究。

1 工程概况

本工程位于福州，总建筑面积32333m2，地下建筑面积4216.6m2。包括3幢13-16层住宅、1幢3-4层商场。其中1#、2#楼设一层联体地下室。基础选用PHC-A型管桩，桩径500mm，桩端持力层，选强风化花岗岩层，桩尖打入该层大于0.3m。工程重要性等级为二级，场地、地基均为二级，试验选用4#号楼为原型，原型PHC管桩分布及桩身最大竖向力如(图1)所示。场地地貌属于冲淤积平原地带，设计基本地震加速度为0.10g，场地存在可液化砂土层及软弱淤泥层，属建筑抗震不利地段。

2 结构模型试验相似理论

2.1 结构动力模型相似原则

将结构物按原尺寸放置于振动台上进行试验，一方面振动设备试验空间不能满足要求，另一方面耗时耗力、费用极大，故大型结构物一般进行压缩模型试验。与此同时，在结构原型的压缩过程中也需遵循一定的原则：

(1)几何尺寸相似。即将原型按一定比例进行压缩，这项是比较容易满足。但是值得注意的是，此项相似不仅是各种构件尺寸的相似，也包括各构件间装配精度、连接强度的相似。

(2)材料应力应变关系相似。试验时满足本项相似是比较困难的，因为在不同应变速度、不同荷载幅值等条件下，应力应变滞回圈的相似很难保证。但是具体操作时，可以根据不同的试验目的来选择不同的应力应变关系。本次试验中，将侧重弹性相似律。

(3)质量和重力相似。模型压缩过程中，该项相似是最为灵活的相似关系，可根据不同的研究目的选择质量、重力及质量-重力相似关系。本次试验选择重力相似律。

(4)初始条件及边界条件相似。

2.2 模型动力试验的量纲分析

在研究一般机构动力问题中，设体系有n个物理量，其中k个相互独立。这n个物理量可用π1,π2,…πn-k表示的函数关系为：

f(π1,π2,…πn-k)=0

(3-1)

在线弹性范围内，(3-1)式可表达成如下函数：

f(σ,l,E,ρ,t,u,υ,a,g,ω)

(3-2)

式中：σ—动应力；l—长度；E—弹性模量；ρ—密度；t—时间；u—位移；v—速度；a—加速度；g—重力加速度；w—圆频率。

选定l、ρ、E为基本未知量，依据量纲分析理论，其余7个未知量可以用l、ρ、E来表示，则式(3-1)可化为下列函数关系：

(3-3)

(3-4)

式中：Sl—几何相似比，Sl=lp/lm，lp为结构原型尺寸，lm为结构模型尺寸；

Sρ—密度相似比；SE—弹性模量相似比；

Sσ—应力相似比；St—时间模量相似比；

Su—位移相似比；Sv—速度模量相似比；

Sg—重力加速度相似比；Sω—圆频率模量相似比。

(3-5)

(3-6)

3 模型试验相似比确定

本文主要从尽可能接近现实结构、满足振动台承载能力、遵循相似理论三个角度对模型的设计进行研究，最终选定模型桩外径为155mm，即模型与原型的几何相似比Sl为0.31。在管桩的制作过程中，混凝土按C80的标准配置的，即原型与模型采用同一种材料，故弹性模量相似比SE为1，由式3-3可知，密度应满足式Sρ=1/Sl=100/31，故需对模型结构增加配重，管桩桩身相对于桩-上部结构整个系统来说质量较小，故桩身密度相似比可忽略，故密度相似比只针对上部结构进行考虑。原型桩顶竖向支撑反力分布不均，如(图1)所示，最大值为1677kN，最小值为442kN，本试验对所有管桩反力取平均值，得到原型单桩平均值为745kN，通过相似比关系计算的密度相似比为Sρ=3.23。由(3-3)式计算的Sa=3.33，Sw1.83。这相对于振动台输出加速度及工作频率，是在允许范围内，也不会引起测量和动力激振方面的困难。

根据(3-3)计算的各物理相似比如(表1)所示。

表1 结构模型各物理量相似比

4 结构模型设计

4.1 管桩模型设计

对于市场上生产和销售的PHC管桩，管桩外径最小值为300mm，桩长一般在10m以上。模型桩参照标准尺寸、相似比及考虑试验设备条件确定：

外径：PHC管桩模型制作时模板选用PVC管，现在市场中PVC标准尺寸较多，与设计尺寸结合，最终选取外模板用PVC管直径为155mm，内膜用PVC管直径50mm，故最终制作完成的PHC管桩外径155mm，管厚为52.5mm。由于原型外径为500mm，故PHC管桩相似比为0.31。另外，也设计了管壁厚为40mm的模型用于对比，分析壁厚及箍筋间距对结构的影响。

表2 试验模型参数列表

(a) 钢箱侧面尺寸图 (b) 钢箱立面尺寸图图2 钢箱尺寸图(单位：mm)

桩长：根据桩在土中的受力特性及试验模型土、模型钢箱与上部结构质量块总重，结合振动台试验设备的承载能力限制，桩长选择2.75m，其中入土深度为2.45m，桩端嵌入上部结构0.3m。

预应力度：模型桩采取与原型桩相同配筋，根据预应力钢筋面积计算出张拉控制力为T=243.331KN，试件控制力分别选取0T(无预应力)、0.25T、0.5T三种，以研究预应力对管桩抗震性能的影响。

轴压比：以轴压比作为一试验参数，考虑PHC管桩设计要求及振动系统的承载能力，桩顶选取3t、5t、7t三种配重，压重块制作3个，各个重量分别为3t、2t、2t，通过叠加的方式完成3种上部质量块重量的配重。

根据参数不同，共设计制作了5个模型，其中，PHC-1为无预应力的，以用于比较。PHC管桩试验模型各参数见(表2)所示。

振动台试验的土箱设计是试验的重要环节，其设计的合理性也直接关系到试验的成败与否。目前，在振动台试验中，土箱形式主要有三种：(1)叠合式剪切盒式土箱；(2)柔性土箱；(3)刚箱土箱。叠合式剪切盒式土箱是由刚性框架叠合而成，一般有矩形或者圆形，层数在十至二十之间，两层间通过设置轴承、橡胶层而达到一定变形的效果，故相对于其它两种土箱类型，该种土箱剪切变形效果较好。柔性土箱是由Mcymand所设计，这种振动台土箱允许土体在平面上多方向剪切变形，由包裹在箱体外面的纤维带、钢丝提供径向刚度。在振动台试验时，前两种土箱制作较为困难。刚性土箱，具有制作简单、成本较低等优点。使用钢性土箱时，需要在箱体内壁粘贴一层柔性材料，目的是吸收土体传递过来的能量，以尽可能接近现实的边界条件。

4.2 模型钢箱设计

在刚性土箱选择及设计时，应满足以下条件：(1)刚度、强度满足试验要求，土箱的刚度、强度能满足要求是试验能顺利进行的第一步，在加载过程中应确保不会发生破坏；(2)刚性箱边界条件明确，即考虑粘帖珍珠棉来模拟现实情况；(3)确保钢箱与土-桩-结构在振动过程中，不会发生共振而影响测试结果。

图3 制作完毕的钢箱照片

本试验选用直径为1.5m的刚性圆形土箱，土箱材料为钢材，钢箱壁厚10mm、底板厚度20mm、高2.5m，箱体通过高强螺栓固定在振动台台面上，并对箱体进行加劲对撑，以提高其刚性。通过midascivil有限元软件对空土箱进行模拟，得到其自振频率为83Hz，而通过振动台实测得到模型土体的基频为6.38Hz，两者频率偏离大，故试验时不会出现共振现象。制作完毕的钢箱如(图3)所示。

刚性土箱内壁粘贴的材料目的在于减少钢壁对地震波的反射。在材料选择时，如果材料太柔，振动过程中，土体将会发生弯曲，而不是剪切变形。如果材料刚度太大，又会导致地震反射波太强。结合实际，本次试验选择厚度为50mm的珍珠棉。

4.3 模型土体选择

在水平振动的过程中，饱和砂土会渐渐变得密实，而存在于土体间的孔隙水就会排出。但在周期很小的反复荷载作用下，若土体排水性不好，在上一周期的水还没有完成排泄又迎来第二周期的排水，这将导致超孔隙水压力的出现，此时，砂土抗剪强度减弱较为明显。随着振动的进行，土体的抗剪强度将完全消失。此时，砂土就出现液化。

影响土体液化的因素，主要有以下四点：(1)地震强度。(2)土体的类型及状态。(3)初始应力状态。(4)土层的刚度。模型土体选择时，可依据以上因素，首先选择可能液化的土类为饱和土(包括砂土、砂壤土、粉质砂壤土、轻粉质壤土等)；其次，因液化土层上的覆盖土层对土体液化有一定影响，调查资料显示，覆盖深度在3m以上时，土体很难液化，避免选用该环境下的土体。

5 小结

(1)依据结构动力模型相似原则对结构模型各物理量相似比进行计算，相对于振动台输出加速度及工作频率，是在允许范围内，不会引起测量和动力激振方面的困难；

(2)管桩模型选用PVC管，并采用不同管壁厚模型用于试验对比；对预应力钢筋施加不同张拉控制力，可研究预应力对管桩抗震性能的影响。

(3)模型土箱采用刚性土箱，制作简单、成本较低，通过有限元软件模拟，表明试验时不会出现共振现象；刚性土箱内壁粘帖珍珠棉，可避免土体反生弯曲，并减少钢壁对地震波的反射；

(4)针对试验要求，模型土体选择时，应选择可能液化的饱和土，避免选用液化土层上的覆盖土层深度超过3m的土体。

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文行武(1973- )，男，高级工程师，主要从事桩基检测、建材检测、岩土工程方面的工作。

Experimental model design of PHC pipe pile in sand liquefaction area

WENGXingwu

(Fujian Academy of building research,Fuzhou 350025)

Through the research and design theory of pipe pile shaking table model test, also combined with engineering practice.This paper puts forwards for the shaking table test model of liquefaction of sand in the seismic performance of PHC pipe pile, and provides evidence for engineering design.

Sand liquefaction; Pipe pile; Shaking table test; Model design

文行武(1973- )，男，高级工程师。

2015-07-16

TU411.3

A

1004-6135(2015)10-0060-04