桩头连接形式对桥梁桩基抗震性能的影响

2022-12-06史明霞杨涛王宇钱鑫

运输经理世界 2022年23期

史明霞、杨涛、王宇、钱鑫

（1.宿迁市交通产业集团有限公司，江苏宿迁 223800；2.中铁四局集团有限公司南京分公司，江苏南京 210000）

0 引言

桩基础由于其优良的承载能力、较好的经济效益，在大型桥梁、高层建筑等中得到广泛应用。但是大型桥梁易受风、地震、海浪等引起的水平荷载影响，在传统的桩基础桩筏连接结构中，桩筏连接部位会产生较大的剪力和应力集中，造成连接部位的结构破坏。

为了避免桩中产生较大的应力集中，一种有效的方式是将桩与筏板断开，并将桩看作土体的加固物，而不是结构构件。筏板可直接放置在桩的顶部，或者在桩和筏板之间设置土壤垫层。Cao[1]利用数值分析，发现通过将桩与筏形基础分开，对称荷载下筏形基础的承载性能不受较大影响。因此，产生了一种新型的非连接方式，即在桩头和筏板之间铺设垫层，上部的结构荷载和水平荷载不直接传递给桩基础[2]。大量研究结果表明，这种非连接式的桩筏基础具有较好的抗震性能。因此，本文针对CPR（连接式桩筏）和DPR（非连接式桩筏）的抗震性能进行分析总结，主要从桩中弯矩、剪力、沉降、加速度响应等方面进行分析比较。

1 振动台试验

振动台试验作为研究地震荷载作用下岩土工程问题的重要手段，在桩基抗震的研究中被广泛应用。例如，王安辉等[3]采用1g 振动台开展了室内试验研究，主要考虑了桩和筏板之间的连接形式的差异，即刚性连接（CPR）和非连接式（DPR）。试验中，模型的土层主要由非液化砂土层、可液化砂土层和干砂覆盖层组成。在非连接式工况中，桩头与筏板之间设置褥垫层。振动台试验结果显示，在模型体系的固有频率指标中，非连接式工况中数值小于刚性连接式，而非连接式工况的阻尼比数值大于连接式工况，而超孔压比低于连接式工况（见图1），说明采用非连接形式的桩筏基础可在一定程度上减轻土体的液化可能性。在加速度指标上，非连接式工况中土体的加速度反应低于连接式工况，表明非连接式基础中的垫层可降低结构惯性作用对地基土的影响。最后试验结果还表明，采用非连接形式的桩筏基础可将桩基的最大弯矩值降低50%左右，从而可以避免刚性连接桩筏基础的剪切破坏，确保上部结构安全。

图1 不同深度处超孔压比峰值对比

上述结论也得到了Azizkandi[4]等人的验证。作者对连续桩筏基础和非连续桩筏基础进行了水平循环荷载作用下的评价，对连接桩筏(CPR)和非连接桩(DPR)基础进行了1g 振动台试验。结果表明：非连接桩筏中桩承受的弯矩和侧向力比连接式桩筏更小，刚性连接方式在水平荷载下桩筏连接处易出现较高的弯矩和剪力，导致局部破坏；并且在非连接桩中，桩头沉降也小于连接式桩筏。

2 离心试验

ko[5]等通过离心试验综合评价了DPR 的抗震性能，在相同的模型箱中采用相同的桩材料同时进行CPR 和DPR 抗震性能的离心试验。输入信号为真实地震信号，重力加速度为50g。结果显示：强震时，DPR 地基中地震加速度有所减小；DPR 中弯矩最大值一般出现在桩中位置，而CPR 地基中在桩端弯矩最大。因此，使用DPR 地基，可以降低桩边缘的动态弯矩。Fioravante[6]进行了类似的离心模型试验，但并未对桩基的抗震性能进行研究。

Ha 等[7]进行了一系列离心模型试验，设计了包括浅基础、连接式群桩和非连接式群桩基础等共六种桩基础（见图2）。

图2 试验用六种桩基设计

模型桩为3×3 群桩模型，每根桩之间的中心距为桩直径的3.5 倍，浅基础和桩基模型由铝制成。将试样放在带振动台的土工离心机进行试验。试验结果显示，与固定基础运动相比，具有不同夹层和浅基础的非连接桩基的柔性基础运动表现出不同的相位响应和较小的振幅；非连接式的桩基和浅基础有利于减少结构地震荷载；此试验结果同时证明了DPR 的永久沉降小于CPR 工况。

杨敏[8]采用离心振动台开展了桩筏基础地震响应的试验研究。离心加速度为50g，模型包括简化的上部集中质量、立柱（4 根）、筏板和管桩。试验结果表明：上部结构-桩基-地基土之间受场地自振频率作用下发生显著的相互作用，相比较于其他频率，结构的加速度放大系数更大。试验结束发现，与王安辉等人研究结论一致，尽管桩筏刚性连接时上部结构的水平移动与桩基的倾斜值均比自由连接小，但上部结构的惯性作用下的加速度放大效果更加显著。

3 模型试验

朱小军[9]等人非连接式桩筏基础在水平静载试验中，试验地基土样采用干燥细砂土，垫层采用砾砂。筏板模型的尺寸为0.30m×0.20m×0.04m，为降低边界影响，物理模型箱的长度大于3 倍的筏板尺寸。管桩模型的材料为PVC 材质，尺寸相似比为1∶100，280mm 长的桩模型直径为14mm、壁厚3mm，压缩模量为800MPa。

结果表明：随着横向荷载的增加，桩身弯矩值也逐渐变大，并且最大值大体位于桩身的中部；初步施加水平荷载时，主要的承载主体为群桩基础中的中间和后方的排桩，但当水平荷载进一步增加时，中间和后方排桩承担荷载逐渐趋于稳定，前部的群桩承担的荷载逐渐增大并承受较大比例的水平荷载。相比较于桩筏基础，设置垫层均可显著减小水平静载荷循环加载下桩身的弯矩。

此外，朱小军等通过水平加载室内模型试验也得到了相似的结果。作者发现，非连接式桩筏基础受水平力作用时，在桩的中部观测到最大弯矩值，而在桩顶的位置测量到最大的剪力值。因此与刚性连接相比，无论设置垫层还是减小竖向荷载，均可降低筏板传递至桩体的水平作用力，从而减小了桩身弯矩及剪力值。

郑刚[10]等采用室内静态模型试验，在圆桶中放入刚性桩模型，随后制备好土样至模型设计高度。通过布置碎石在桩顶来模拟褥垫层的作用，最后施加荷载。结果表明：褥垫层厚度显著影响桩顶水平位移，褥垫层越厚，桩顶水平位移越小，褥垫层越薄，桩顶水平位移越大。因此，褥垫层较厚有利于承载水平荷载。

4 数值分析

韩小雷等[11]建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型，讨论在不同地震荷载作用下，桩身-褥垫层-筏板-结构整个系统的地震响应。结果表明，小震作用下褥垫层的弹塑性发展有限，但复合地基中桩基最大的内力比普通桩基中最大内力约小25%，结果表明复合地基减小了桩体内力，从而增强了桩基的抗震性能。当地震等级增大时，复合地基中筏板加速度最大值平均减小约14%，但与此同时，筏板与褥垫层间也出现较大的滑移，最大可达3～4mm。这种现象避免了将水平剪切力传递至上部结构，能够起到一定的减震作用，复合地基中褥垫层在大震作用时可以有效地减少上部结构的内力，使其抗震性能得以改善。

Liang[12]采用有限元法研究了DPR 基础在竖向荷载作用下的工作性能，详细研究了桩长径比、垫层厚度和弹性模量等影响因素。作者发现，垫层可以均匀调整桩间的荷载分担比，有助于更好发挥短桩的承载力，适当应用垫层可以更好利用浅层地基的承载力。这与郑刚等人的研究结论一致。此外，随着垫层厚度的增加，桩间土的附加应力逐渐增大，长桩与土的竖向应力比明显减小。垫层厚度对调整桩土荷载分担比有很大影响。但随着垫层厚度的增加，调整效果逐渐减弱。这一结果也与Sinha 等[13]的Abaqus 数值分析结果保持一致。因此，在实际工程中，应根据实际工况考虑垫层厚度设计。