凍土和可液化砂土層中單根鋼管的模擬地震加載試驗(yàn),建筑結(jié)構(gòu)論文

凍土和可液化砂土層中單根鋼管的模擬地震加載試驗(yàn),建筑結(jié)構(gòu)論文由于樁基能夠避免地表溫度條件改變可能對地基變形和承載力帶來的不利影響，有效維系上部構(gòu)造的穩(wěn)定性，因而在凍土場地中被廣泛應(yīng)用．地基液化對樁基的地震承載力有顯著影響，一直是樁基工程中需要重點(diǎn)考慮研究的課題之一．通過振動臺模擬地震鼓勵(lì)試驗(yàn)，Yao等研究了地基液化時(shí)樁--土--上部構(gòu)造系統(tǒng)的瞬時(shí)互相作用以及力學(xué)建模問題;He等和Haeri等分別研究了地基液化后土體側(cè)向流動誘發(fā)的單樁或群樁的地震響應(yīng);Tang等研究了在砂土液化情況下橋墩及其下設(shè)群樁的地震響應(yīng);黃春霞等研究了地震時(shí)砂土液化的基本規(guī)律和振動加密對其抗液化性能的影響;呂西林等通過觀測砂土中的孔隙水壓力和加速度的變化，研究了砂土液化以及相應(yīng)的數(shù)值建模問題．與一般工程場地相比，在凍土場地中由于地震作用而出現(xiàn)的地基液化可能對樁基承載性能的影響將更為復(fù)雜，現(xiàn)前階段相關(guān)的研究工作極少，必須借助相關(guān)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行研究．鑒于此，本文在考慮凍土作用和地基液化雙重因素作用的前提下，選擇處于凍土覆蓋層和可液化砂土層中的單根鋼管樁作為研究對象，進(jìn)行振動臺模擬地震加載試驗(yàn)，以研究其相應(yīng)的抗震性能．1、振動臺模型試驗(yàn)1.1振動臺參數(shù)試驗(yàn)在抗震與構(gòu)造診治北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行．臺面尺寸為3m3m，試件最大質(zhì)量10t，最大位移127mm，滿載最大加速度1.0g，最大傾覆力矩294kNm，頻率范圍0.1～50Hz，振動方向?yàn)樗诫p向．本次試驗(yàn)采取單向水平加載的方式進(jìn)行．1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置如此圖1所示，柔性模型箱采用Q235鋼板制作，側(cè)壁厚4mm，整體尺寸為2.4m2.4m1.3m．箱內(nèi)四壁粘有2cm厚的泡沫保溫板，以減小試驗(yàn)中的邊界效應(yīng)．底板正中通過法蘭盤拴接有一根直徑5cm、壁厚1.8mm以及長為1.4m的Q235空心鋼管樁．鋼管樁頂部設(shè)有配重為250kg的附加集中質(zhì)量塊，以模擬樁頂上部的地震慣性荷載．模型箱土層分為兩部分:上部為凍土層，厚度為30cm，密度約為2000kgm－3，彈性模量約為310MPa，抗壓強(qiáng)度為0.5MPa;下層為砂土層(加水至飽和)，厚度約為1m，密度約為1520kgm－3．土層外表設(shè)有5%的緩坡，砂漿層兩側(cè)設(shè)不等寬排水溝．凍結(jié)土層屬于脆性材料，在內(nèi)部應(yīng)力不超出彈性強(qiáng)度以前，具有彈性材料的力學(xué)性質(zhì)，其力學(xué)性質(zhì)與水泥砂漿類材料接近．考慮到大體積凍土塊難以制備以及現(xiàn)場試驗(yàn)條件等因素，在保證凍土的密度、彈性模量和抗壓強(qiáng)度等主要參數(shù)不變的前提下，確定采用水泥砂漿層(3d強(qiáng)度)對其進(jìn)行模擬．水泥砂漿層配合比為每方砂漿用料約為水泥160kg、沙子1440kg和水280kg．飽和砂土層采用細(xì)砂分層注水制備．試驗(yàn)前模型箱內(nèi)水位深1m.1.3傳感器布置試驗(yàn)中傳感器布置參見圖2所示．華而不實(shí):全橋接線方式的BX120-5AA型應(yīng)變片(S1～S16)16個(gè)，最大量程為0.02，S1～S10用來測量砂土層中的樁身應(yīng)變，S11～S16用來測量凍土層中的樁身應(yīng)變;量程為50mm的拉線位移計(jì)(D1～D3)3個(gè)，D1和D2的位移計(jì)用來測量樁身不同部位的水平位移，D3用來測量凍土層水平滑動位移;剪切型壓電式加速度傳感器(A1～A8)8個(gè)，A1～A3和A5的加速度傳感器用來測量砂土層中土的加速度，A4、A6和A8用來測量樁身不同部位的加速度，A7用來測量凍土層的加速度;BSK-0.05型孔隙水壓力計(jì)5個(gè)，沿豎向均勻埋設(shè)在砂土層中，最大量程為0.05MPa，全橋接線方式．1.4加載經(jīng)過試驗(yàn)輸入地震波分別為簡易正弦波、2002年美國阿拉斯加州的Denali地震波和2018年東日本大地震波，加速度時(shí)程曲線如此圖3所示．2、試驗(yàn)現(xiàn)象與分析加載工況1:正弦波，峰值加速度(PGA)約為0.05g，卓越周期為1s．加載經(jīng)過中模型箱僅有稍微晃動，模型箱中土層的加速度以及樁身的應(yīng)變和位移都很小，總體上整個(gè)模型僅有微小的反響．正弦波加載完畢1h后，開場加載工況2:Denali地震波，峰值加速度約為0.148g，卓越周期為1.12s．加載經(jīng)過中，模型箱晃動明顯，樁身有一定變形，振動結(jié)束后恢復(fù)成原狀，樁頂位移較小．水泥砂漿層隨箱體晃動，相對砂土層有很小的下滑但基本無變形，圖1中的左側(cè)水溝有氣泡產(chǎn)生，水位略微上升．樁處于彈性變形階段，加速度有一定的放大，砂土層底部開場有發(fā)生液化的趨勢．Denali地震波加載完畢2h后，開場加載工況3:東日本大地震波，加載時(shí)長40s．由于試驗(yàn)臺要求單次波形最多輸入4000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以在實(shí)際操作中，東日本大地震波被截為兩個(gè)片段連續(xù)加載．兩個(gè)片段時(shí)長各20s，峰值加速度分別為0.468g和0.53g，卓越周期分別為0.12s和0.14s．加載經(jīng)過中，模型箱晃動加劇，鋼管樁亦大幅度晃動，振動完畢后出現(xiàn)不能完全恢復(fù)的塑性變形，樁頂位移很大．水泥砂漿層下滑明顯且有不均勻下沉，致使原有坡度改變，并伴隨出現(xiàn)了大量裂縫．左側(cè)水溝內(nèi)水位變化很大，持續(xù)產(chǎn)生水泡，有涌水現(xiàn)象出現(xiàn)．可觀察到樁身既有彈性變形又有塑性變形;液化也變得明顯，出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，水溝內(nèi)有水逸散到箱外．東日本大地震波加載完畢2h后，將工況3中的片段1調(diào)幅1.5倍后作為工況4進(jìn)行加載，峰值加速度約為0.7g，卓越周期為0.12s．加載經(jīng)過中模型箱劇烈晃動，沿加載方向兩側(cè)的箱壁變形明顯．樁的塑性變形加大，且樁已經(jīng)將與砂漿層接觸部分的砂漿完全壓壞，出現(xiàn)橫貫砂漿層的通長裂隙，導(dǎo)致樁與砂漿層基本分離．砂漿層的下滑和不均勻下沉顯著，振動完畢后已無坡度可言，砂土層液化更為嚴(yán)重，水溝內(nèi)不停有水噴出到箱外．2.1不同工況加速度比照根據(jù)圖4加速度反響可作下述分析．工況1:模型反響稍微，各點(diǎn)加速度基本一致．工況2:砂土中加速度A3的峰值加速度大于A1，講明砂土層能夠放大輸入地震波;凍土層的加速度A7與測點(diǎn)A3的峰值加速度接近，顯示凍土層尚未滑動．工況3:液化開場出現(xiàn)，砂土層振動進(jìn)一步放大，但由于凍土層滑動和樁基出現(xiàn)塑性變形，凍土層加速度A7與砂土輸入加速度A3相比，衰減更為明顯．工況4各點(diǎn)加速度變化規(guī)律與工況3類似，但趨勢進(jìn)一步加強(qiáng)．2.2不同工況孔隙水壓力比照圖5為不同工況時(shí)的超孔隙水壓力時(shí)程曲線，圖中參考橫線為試驗(yàn)前砂土層各深度處的初始有效應(yīng)力．某深度處的瞬時(shí)超孔隙水壓力為該位置的瞬時(shí)孔隙水壓力減去試驗(yàn)前該點(diǎn)的靜止孔隙水壓力．對于任意工況，假如某深度處的瞬時(shí)超孔隙水壓力超越參考紅線所示的初始有效應(yīng)力，表示清楚該位置即有液化發(fā)生．下面選取孔隙水壓力計(jì)P1和P4的測試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析講明．工況1:整個(gè)砂土層均未液化．工況2:底部P1處開場發(fā)生稍微液化，而P4處則無液化出現(xiàn)，講明砂土層在底部開場出現(xiàn)局部液化，對應(yīng)土體的承載強(qiáng)度開場喪失．工況3和工況4時(shí)，地震強(qiáng)度增大，下部位置液化進(jìn)一步加強(qiáng)，可作類似分析．值得講明的是:根據(jù)現(xiàn)場凍土層左側(cè)水溝的噴水情況分析，工況4液化情況顯然比工況3更為嚴(yán)重，但是這一點(diǎn)沒有能從超孔隙水壓力時(shí)程曲線上加以具體表現(xiàn)出．原因在于工況4試驗(yàn)經(jīng)過中噴水高程很大，部分液態(tài)水直接噴濺到了箱外，存在卸壓作用，造成土中的動水壓力無法充分積聚．2.3不同工況側(cè)向位移比照樁基和砂漿層側(cè)向位移實(shí)測結(jié)果見圖6．模型的輸入加速度從工況1到工況4逐步增大，側(cè)向位移也隨之增大．工況1和工況2時(shí)，凍土層與樁嚴(yán)密接觸，接觸面沒有分離，所以D1和D3讀數(shù)一樣;而在工況3和工況4時(shí)，鋼管樁與凍土層間就不能嚴(yán)密接觸，樁和凍土層的側(cè)向位移也不一樣．后兩個(gè)工況加載完畢后，均留有側(cè)向殘存余留變形，十分是工況4時(shí)D2已經(jīng)超過了量程，講明此時(shí)樁的塑性變形已經(jīng)很大．2.4不同工況樁身應(yīng)變比照同一試驗(yàn)工況中，隨著高度增加，砂土層和凍土層中對應(yīng)部位樁的彎曲應(yīng)變會增大．結(jié)合圖7，可有下述分析．工況1:由于輸入地震動強(qiáng)度很小而凍土層剛性較大，S11、S13和S15應(yīng)變值相差很小，講明凍土層內(nèi)樁身變形很?。畬?yīng)其余工況，隨著輸入地震動強(qiáng)度增大，樁身在凍土層的變形更為明顯．工況1和工況2加載完畢后樁身各點(diǎn)應(yīng)變消失，講明屬可恢復(fù)變形，樁處于彈性變形階段．工況3和工況4時(shí)，樁身即便卸載完畢仍留有殘存余留變形，講明樁已出現(xiàn)塑性變形，樁的毀壞最可能出如今S15位置處．3、結(jié)論鑒于凍土場地內(nèi)地基液化對樁基抗震性能影響這一研究問題的復(fù)雜性和重要性以及當(dāng)前的研究現(xiàn)在狀況，本文嘗試通過振動臺模擬地震試驗(yàn)研究這一問題．結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)過中出現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象、土層反響和樁身響應(yīng)，可得出下面結(jié)論:(1)由于凍土層的存在，砂土層未液化或者液化不明顯時(shí)，能夠給樁提供一定的側(cè)向約束，有助于提高樁基的抗震性能;(2)當(dāng)?shù)鼗夯?，凍土層的存在會使土體孔隙水壓力難以釋放，導(dǎo)致液化加劇，下部可液化土層的側(cè)向流動急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致樁基的側(cè)向變形快速增長，致使樁基的抗震性能大幅下降．參考文獻(xiàn)［1］AbdounT，DobryR．Evaluationofpilefoundationresponsetolat-eralspreading．SoilDynEarthquakeEng，2002，22(9-12):1051［2］YaoS，KobayashiK，YoshidaN，etal．Interactivebehaviorofsoil-pile-superstructuresystemintransientstatetoliquefactionbymeansoflargeshaketabletests．SoilDynEarthquakeEng，2004，24(5):397［3］HeLC，ElgamalA，AbdounT，etal．Liquefaction-inducedlater-alloadonpileinamediumDrsandlayer．JEarthquakeEng，2018，13(7):916［4］HaeriMS，KavandA，RahmaniI，etal．Responseofagroupofpilestoliquefaction-inducedlateralspreadingbylargescaleshaketabletesting．SoilDynEarthquakeEng，2020，38:25［5］TangL，LingXZ，XuPJ，etal．Shaketabletestofsoil-pilegroups-bridgestructureinteractioninliquefiableground．Earth-quakeEngEngVib，2018，9(1):39［6］HuangCX，ZhangHR，SuiZL，etal．Shakingtabletestsonliquefactionpropertiesofsaturatedsandground．ChinJGeotechEng，2006，28(12):2098