设抗震增强体的桩基础力学特性的原位试验研究

楚 斌

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州 450052)

设抗震增强体的桩基础力学特性的原位试验研究

楚 斌

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州 450052)

在过去的大地震中，许多桩基础因强烈振动和地基变形而遭受结构性破坏，因而提出一种既可以应用于新建桩基础，也可以应用于现有桩基础的抗震加固方法，即采用地基加固技术在桩基础中设置抗震增强体，以与桩基础的钢筋混凝土承台形成双层抗弯结构。采用等比例模型原位水平载荷试验和振动试验以及开挖检查等方法，对抗震加固的力学特性和构建质量进行加固前后的对比研究，进而证实了该加固方法的有效性和可行性，为同类工程起到了一定的参考意义。

抗震加固方法；增强体；水平载荷试验；振动试验

随着工程规模的发展和结构防震减灾的迫切需要，上部结构对地基的要求也越来越高，随即发展了各种地基加固的方法[1-12]。其中桩基础是深基础中最常用的一种形式，桩基抗震已成为一个重要的研究热点。黄雨等[13]对国内外桩基础震害进行分析，总结了桩基的震害特性与机制。冯士伦等[14]通过振动台试验，研究了饱和砂土中桩基的震动特性，对桩土振动过程中的动力相互作用有了初步的认识，为建立经济实用、安全可靠的液化土中桩基抗震设计方法提供了参考。费恩泉[15]指出地震对桩基础的破坏，主要是地震剪力超过基础桩的强度，因此，对桩基础的抗震设计，关键是要提高基础桩的水平抗力。事实上，桩基础的加固方法受结构、场地和空间等的限制很大，抗震加固难度较大。为解决这个问题，本文提出一种新型的抗震加固方法，该方法甚至可以应用于对现有桩基础的加固中。新的加固方法将应用地基注浆加固技术在部分区段的桩群周围构建加固体，使其与桩和基础组合形成一个双层抗弯结构，以期大幅提高桩基础的抗震能力。并采用等比例模型，进行了原位水平载荷试验，水平和垂直振动试验，研究加固后桩基础的抗震性能和建筑质量，以验证该抗震加固方法的效果和可行性。

1 等比例模型试验要点

等比例模型试验采用的桩基础和土层信息如图1所示。该试验用的桩基础由四根钢管桩组成，钢管桩外径406.4 mm，壁厚9.5 mm，长10.0 m，桩间距2.0 m。钢管桩的材料特性列于表1。钢管桩采用预钻孔桩端注浆法(水泥浆喷射搅拌技术)浇筑。桩顶嵌入钢筋混凝土承台0.5 m，承台尺寸为3.8 m×3.8 m×0.6 m。在其中两根钢管桩的外表面预先安装有应变计及其保护装置(L形钢)。另外，为消除钢筋混凝土承台和地基土之间的摩擦力，在钢筋混凝土承台的底下设置一层5 cm厚的聚苯乙烯泡沫。

图1 等比例试验模型表1 钢管桩的材料特性

详细的地质情况如图1所示。应用地基加固处理方法构筑的抗震增强体，将钢管桩桩群在中部施加约束，并与钢筋混凝土承台形成双层抗弯结构，增强体的约束效应使桩基础的刚度得以提高。

抗震增强体的水平尺寸钢筋混凝土承台相同，深度介于3.2 m～5.2 m(2.0 m厚)，采用高压喷射注浆技术，在基础外围12个倾斜喷射水泥浆形成。抗震增强体的设计强度为1 MPa。抗震增强体构建方式示意图见图2，12个注浆点的具体位置和注浆次序如图3所示。

采用水平载荷试验和振动试验研究抗震增强体的力学行为与抗震效果。

图2 抗震增强体构建方式示意图

图3 抗震增强体的构建注浆顺序示意图(mm)

2 水平载荷试验

2.1 试验要点

为了便于对比桩基础的受力特点，在抗震增强体构建前后分别进行水平载荷试验。在水平载荷试验中，采用2个油压千斤顶施加多循环单轴水平荷载。水平载荷试验中采用的位移传感器、倾角仪、荷载箱和应变计等测量仪器布置见图4。1组应变计被设置在远离千斤顶一侧的一根钢管桩上，而10组应变计被设置在靠近千斤顶一侧的一根桩上。

2.2 试验结果

2.2.1 荷载-位移关系

为了便于对比，在抗震增强体设置前后进行的水平载荷试验所得的荷载-时间曲线以及荷载-桩顶侧向位移曲线绘制在图5和图6中。在设置抗震增强体前后的最大荷载分别为600.0 kN和787.5 kN。在设置抗震增强体之前，最大荷载为600.0 kN时钢筋混凝土承台的侧向位移为17.2 mm，而设置抗震增强体后最大荷载为787.5 kN时的侧向位移仅为4.8 mm。另外，在设置抗震增强体后，最大荷载比设置抗震增强体前高200.0 kN时，荷载-位移关系仍然几乎是线弹性关系。根据安装在钢筋混凝土承台侧面倾角仪的记录，承台的倾角在设置抗震增强体前后的最大荷载时分别为+0.0956°和+0.0608°(向荷载方向旋转为“+”)。

图4 水平载荷试验装置示意图

图5 荷载-时间曲线

图6 荷载-位移曲线

2.2.2 弯曲变形分布

在抗震增强体设置前，在600.0 kN的荷载作用下，桩身的弯曲变形分布如图7所示。在图7中还绘制出桩端固定，未设置抗震增强体的弹性梁的弯曲变形分布计算值。抗震增强体设置前的试验结果与计算值具有很好的一致性。在抗震增强体设置后，因为设置在桩中部的抗震增强体的约束，弯曲变形在桩顶附近有所减小，而在抗震增强体的底部出现反向增大。同时，在抗震增强体以下的部位，弯曲变形几乎不再发生。出现这种现象主要归因于抗震增强体与钢筋混凝土承台组成的双层抗弯结构。

图7 弯曲应变分布(对应于600.0 kN时的结果)

应用图7所示的从弯曲变形分布得到的弹性挠曲公式，使用自编软件计算，钢管桩的侧向位移分布和剪力分布计算结果如图8所示。在计算过程中，绘制应变曲线采用的深度方向微增量取dx=0.25 m。如图8所示，通过设置抗震增强体，在3.0 m深度处，桩的侧向位移大大减小。相同情况下，抗震增强体顶部附近的剪力与未设置抗震增强体相比有所增大。正因如此，在实际设计中，充分考虑通过调整抗震增强体的厚度和位置来调整剪应力的分布是十分有必要的。

3 振动试验

3.1 试验要点

为研究结构体系的振动特征，进行振动试验。为了达到研究实际结构的振动特性，即研究桩基础的振动振幅和自然频率，在设置抗震增强体前后进行等比例模型的振动试验。在这些试验中，采用的模型和测试仪器布置如图9所示。一个最大振动力为40.0 kN的振动发生器被设置在钢筋混凝土承台的上表面，该发生器能产生频率为1 Hz～15 Hz的正弦波。振动发生在水平方向和垂直方向，振动参数列于表2。为了量测相关参数，在钢筋混凝土承台上表面设置微位移计和加速度计，如图9所示。

图8 侧向位移和剪应力分布图(依据600 kN时应变计的测试结果)

图9 振动试验测试装置布置图

3.2 试验结果

振动频率和振动振幅标准值与振动力之比的关系见图10。图10中数据来自于设置抗震增强体后的两次振动试验中的第二次试验结果。结合先前的试验，桩和承台组合结构(不包括地基)在设置抗震增强体前后的自然振动频率分布为1.6 Hz和2.1 Hz。除此以外，地基的自然频率大约3.1 Hz。如果仅仅考察图10，确定桩基础结构的振动频率是十分困难的，因为图10不能清晰地识别出结构在设置抗震增强体前后的振动频率。然而，在所有的频率中(1 Hz～15 Hz)，相比于设置抗震增强体之前，在设置抗震增强体之后，可以观察到振动的振幅明显减小。这可以归功于抗震增强体对桩基础整个结构刚度的提高。振动振幅减小的比例绘制于图11。从图11中不难得出，在水平振动中，位移减少了20%～30%，而在垂直振动中，位移减少了30%～40%。

表2 振动参数

图10 谐振曲线

图11 位移振幅减小比率

4 抗震增强体开挖观察

在所有的水平载荷试验和振动试验完成以后，将抗震增强体开挖以检查其形态和质量。

为检查抗震增强体的厚度，在如图12所示的3个点沿深度方向钻孔取芯。取芯证实，在深度方向从3.2 m～5.2 m处形成了一个均质的抗震增强体。

为了能观察到抗震增强体的外形和侧表面，将地基开挖到深度3.5 m，开挖后抗震增强体如图13(a)和图13(b)所示。观察显示，抗震增强体满足初始设计尺寸3.8 m×3.8 m，并且桩与抗震增强体之间粘结完好。在3.2 m～5.2 m深度收集的芯样如图13(c)所示。

图12 抗震增强体钻芯取样点布置图

应用钻芯取得的芯样，采用无侧限抗压强度试验以检验抗震增强体的强度特性。压缩试验荷载采用常应变速率0.01/min控制。试验表明，试样28 d龄期的无侧限抗压强度平均值高达4.4 MPa，即抗震增强体的实际抗压强度远远大于设计抗压强度1.0 MPa。另外，抗震增强体的平均湿密度为1.48 g/cm3。

5 结 论

本文提出一种新型的抗震加固方法，即采用地基加固技术在桩基础中设置抗震增强体，以与桩基

图13 开挖检验结果

础的钢筋混凝土承台形成双层抗弯结构。采用等比例模型原位水平载荷试验和振动试验以及开挖检查等方法，对抗震增强体的力学特性和构建质量进行加固前后的对比研究，研究表明：

(1) 在桩基础中设置抗震增强体，其承载能力得到提高，同时位移显著减小，这证明了抗震增强体的增强效果。

(2) 振动频率在1 Hz～15 Hz的变化范围中，在水平振动情况下，位移减少了20%～30%，而在垂直振动情况下，位移减少了30%～40%，这也进一步验证了在桩基础中设置抗震增强体的抗震效果。

(3) 开挖观察抗震增强体，其外观满足初始设计尺寸，并且桩与抗震增强体之间粘结完好，其实际抗压强度远远大于设计抗压强度。

研究表明，采用地基加固技术在桩基础中设置抗震增强体，以与桩基础的钢筋混凝土承台形成双层抗弯结构的抗震加固方法有效并可行，对同类工程具有一定的参考意义。

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Analysis of Mechanical Behavior of the Pile Foundation with Reinforced Solidification Body by Field Tests

CHU Bin

(He'nanProvincialCommuniCationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd.,Zhengzhou,He'nan450052,China)

During large earthquakes, many pile foundations were suffered from structural damage due to strong vibration and ground deformation. Thus an earthquake resistant reinforcement method applicable to either new or existing pile foundations was proposed in this paper, which is to set an earthquake resistant reinforcement body around the piles, and increase the stiffness of the pile foundation by the effect of a two layered bent structure by the reinforcing body made in the ground. By appling full scale model, lateral loading tests, vibration tests and excavation observation has been carried out, and the mechanical characteristics and construction quality of reinforcement has been analyzed. The comparison between before and after construction of reinforcement identified the validity and feasibility of earthquake resistant reinforcement method.

earthquake resistance reinforcement method; reinforcement body; lateral loading test; vibration test

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.037

2016-12-08

2017-01-03

楚 斌(1977—)，男，河南郑州人，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计及监测工作。E-mail: chu0319@sina.com

TU45

A

1672—1144(2017)02—0194—05