冻土覆盖场地下的EPS材料减振性能评价

2019-11-07杨世浩张振虎

岩土工程技术 2019年5期

刘潜杨世浩张振虎，2

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074；2.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北武汉 430064)

0 引言

减振研究是土木工程领域的重要工作。历次震害表明[1]，大量的构筑物在地震中的破坏并非直接由地震惯性力引起，而往往是由于桩基破坏引起的地基失效。这一破坏在冻土地区尤为明显，现有的研究可以确定冻土对桩基抗震性能的影响尤为突出[2-3]，在冻土场地，桩基础作为穿越不良地层的首选形式，其稳定性和可靠性有更高的要求。冻土层在冰冻状态下有较大的强度和刚度，其较高的刚度可以限制桩的侧向位移，但桩的剪力及弯矩最大值较大，桩顶部内力较大[4]，且在桩周围会产生侧向剪应力。在地震的作用下，桩身易在软土与硬土的分界面因弯矩、剪力变化过大导致的破坏[5]，与非冻土层相比更不利于地震能量的耗散，从而加剧地震的效应。因此，研究冻土覆盖场地下的减振方法具有相当的意义。研究冻土区域桩基的动态响应，目前主要采用模型试验法，Yang等[6]进行了较为完善的冻土覆盖下场地桩-土动态响应分析的模型及试验设计，是本文模型试验设计的参考。采用OpenSees对可液化砂土地基[7]和冻土覆盖地基进行模拟能较好符合试验情况[8]，将模型试验结果和数值计算结果相对比，桩基础地震动态响应计算结果和试验结果较为吻合。

EPS材料(发泡聚苯乙烯)在控制地震荷载下的横向变形和减小结构角度畸变方面具有有效性[9]。本文建设性地提出采用EPS材料作为桩身和冻土层间的保护层，减小冻土中桩的应力及应变，并通过模型试验和数值计算评价EPS作为地下被动减振材料的效果。

1 EPS材料

EPS材料是聚苯乙烯发泡同时加热软化产生气体形成的一种硬质泡沫塑料，具有轻质、高强、良好化学稳定性、施工简易等特性。EPS材料在改善应力集中和减压方面的作用明显[10]，也常被用做路基填料和桥头软基处理材料。试验中使用的EPS材料密度为ρ=20 kg/m3。由于试验工况所产生的应力值小于EPS材料的初始屈服强度[11]，故在数值计算中将EPS材料近似于弹性材料处理。

2 振动台模型试验

模型试验使用甘肃省地震局黄土地震工程重点实验室的大型电伺服式振动台，振动方向一维，台上设模型箱，图1为模型箱效果图及实物图。

图1 模型箱效果图及现场实物图

2.1 模型箱参数

试验用模型箱为刚性密封箱体，材料为普通碳钢板，尺寸为2.8 m(长)×1.4 m(宽)×1.0 m(高)，考虑到地震波在刚性边界的反射产生“模型箱效应”，在模型箱内衬粘贴2 cm泡沫软板以减小此效应。

2.2 模型土参数及制备方法

箱内模型土分三层，从上至下分别为冻土、松散砂、中密砂，表1为模型土来源、厚度和处理方法。

表1 模型土来源、厚度及处理方法

各层制备方法如下：

1)中密砂层采用人工填筑，分层铺设，分层压实，人工洒水使其饱和。

2)松散砂层采用水沉法制备，先加入适量水，随后砂料通过筛网从高层均匀抖撒入箱中，保证均匀与松散度。

3)冻土层采用铺设于表面的低温制冷铜管降温，且在试验组EPS安装完毕后进行填筑。

2.3 EPS材料的制备与安装

由于EPS材料的自身为泡沫颗粒状，一般切割方式容易造成泡沫碎屑。本次试验模型切割主要采用电热刀热熔切割，加工方便，切割速度快，切面光滑，不易产生碎屑。如图2所示，EPS材料高为200 mm，外直径为500 mm，内直径50 mm，中部挖空预留桩身区域，在松散砂层填筑完毕后安装，实际安装时，如图3、图4所示将材料从中间等分为两个半圆环，在桩两侧拼合，利用冻土层降温过程中的体积膨胀使两半圆环结合紧密。

图2 EPS材料安装前

图3 试验组EPS材料安装后

图4 试验模型俯视图(单位：mm)

2.4 模型桩参数及上部结构

模型桩分两组，对照组S桩和试验组S′桩，在模型土填入前焊接在模型箱底钢板上，采用2根完全相同的Q235空心钢管，长度1.25 m，内直径φ=50 mm，外直径φ′=46.5 mm.上部设计荷载为2.5 kN，桩顶焊接边长35 cm正方形钢板形成空槽，内部堆载铁砂达到试验设计要求。

2.5 传感器布置

桩身变形主要通过应变体现，因此试验主要采集桩身应变数据。图5为应变传感器布置示意图(每处标识代表前后一对应变片)。

图5 应变传感器布置图(单位：mm)

2.6 试验工况

试验采用Denali地震波，沿模型箱宽度方向加载(数值计算X方向)，台面输入加速度峰值0.1g。图6为Denali地震波加速度时程曲线。

3 数值模拟计算

数值模拟计算由OpenSeesPL与OpenSees共同完成。软件能较为准确地反应砂土、黏土的特征，内置多种固--液耦合本构模型，能够较好地模拟桩--土的相互作用[12]。使用OpenSeesPL软件图形界面中建模和设置基本参数后，在其TCL源代码中进行单元后续的删改和桩身保护材料的修改。再由OpenSees完成后续计算。

3.1 砂土本构模型

砂土由软件内置的Pressure Depend Multi Yield材料模拟，采用多屈服面塑性理论[13]下的Drucker--Prager模型，该材料在施加自重静载时是线弹性的，在施加地震动载时反应为弹塑性。图7、图8为该模型主应力空间和循环加载过程[14]。

图7 Drucker--Prager模型主应力空间和偏平面上的屈服面

图8 Drucker--Prager模型循环加载过程的阶段划分

3.2 冻土本构模型

冻土由软件内置的Pressure Independ Multi Yield材料模拟，图9为采用多屈服面的Von--Mises模型[15]，该材料是弹塑性材料，其塑性仅表现在偏应力产生的塑性形变中，在施自重加静载时表现为弹性，施加动载时表现为弹塑性。

图9 Von Mises模型主应力空间的屈服面和剪切滞后效应

3.3 塑性材料本构模型

在减振材料的进一步探讨中，采用J2 Plasticity完全塑性材料模拟桩身保护材料，该材料基于Von-Mises模型，在偏应力张量的第二不变量J2达到某一值后进入塑性状态，其本构关系如下：

式中：σ0为材料的初始屈服强度；σinf为极限屈服强度；H为塑性模量；ξ为应变；Δ为与材料相关的常数。

3.4 数值模型的建立

图10为数值分析选择的软件内置Brick UP单元，该单元是8节点六面体线性等参单元，每个节点具有4个自由度，前3个为固体位移自由度(u)，第4个为孔压自由度(p)，能较好地模拟固液耦合材料的动态响应。

图10 BrickUP八节点六面体单元

模型土网格剖分仅沿深度方向，表2为网格剖分参数，XY平面的网格由系统自行划分，图11为有限元模型。表3为砂土本构模型参数，表4为冻土本构模型参数。

表2 单元网格划分参数

图11 有限元模型(单位：mm)

桩的物理参数与试验保持一致，并采用Elastic Beam Column线弹性梁柱单元模拟桩体，为方便对EPS材料做出评价，仅考虑桩身在动载作用下的线弹性变形阶段。

表3 砂土本构模型参数

表4 冻土本构模型参数

4 试验与数值计算结果对比

试验对比数值计算的目的是验证数值计算结果规律的准确性，以两者应变数据峰值最大值的变化情况作为后续数值计算准确性的依据。

4.1 应变峰值结果对比

将试验和数值计算的各深度应变峰值数据绘制剖面图，如图12、图13所示，模型试验和数值计算的应变峰值最大值均出现在[0，-0.2 m]深度下，恰好是冻土层埋藏的深度区间，说明在冻土层深度区间内桩身发生最大变形。EPS材料保护下的桩身应变峰值明显减小，且EPS保护组的应变峰值最大值均低于无保护组。

4.2 剪力、压力峰值结果对比

图12 模型试验应变峰值剖面图

图13 数值计算应变峰值剖面图

剪力峰值和压力峰值剖面具有和应变相似的变化趋势。如图14、图15所示，EPS材料保护组的剪力、压力峰值最大值均小于无保护组，峰值最大值同样集中出现在冻土层深度区间内。试验和数值计算均表明，EPS保护下桩身应变、剪力、压力的峰值最大值有较明显的下降。证明EPS能够有效改善冻土层部分桩身在动载下产生的变形和应力集中问题，具有较好的减振效果。

5 对桩身保护材料的进一步探讨

在模型试验与数值计算的对比分析中，EPS材料被近似当作弹性的，为进一步探究塑性桩身保护材料与塑性材料横截面积对减振效果的影响，在数值计算中将桩身保护材料改为J2 Plasticity完全塑性材料，并着重关注剪力、压力的变化情况。如图16、图17所示，剪力和压力的峰值最大值出现在冻土埋藏的深度区间内，在三层土的两个交界面深度区间均有剪力、压力峰值的突变，说明冻土层中桩身易产生最大峰值应力，在土性的变化处易发生应力突变现象。图例中J2代表完全塑性材料，J2扩大代表在J2的基础上扩大材料的横截面积。本文为了现象更为明显，J2扩大组的冻土层单元仅保留最外层，其余均换为J2材料单元。在EPS组加入对照后可以发现，采用J2材料保护的两组桩身剪力、压力峰值最大值均有下降，J2扩大组则下降得更多。说明塑性材料具有比EPS更好的减振效果，且材料横截面积越大，桩身的剪力、压力的峰值最大值越小，减振效果越好。