倾斜液化场地桩基地震响应离心机试验研究

　　倾斜液化场地中群桩地震响应受液化土层侧向流动和桩土相互作用影响和控制，故倾斜液化场地中桩基抗震性能问题是一个极其复杂问题。基于动态土工离心机试验来探讨考虑倾斜液化土侧向流动特点的群桩地震响应规律。试验设计不同地震强度下2个50g典型土工离心模型试验，以研究倾斜液化场地中桩土加速度、位移、桩身弯矩和土体超孔隙水压力响应特性。试验提出倾斜饱和土层的制备方法，再现倾斜液化场地中桩基础在强震作用下的破坏程度、状态和机制，并进一步对比分析试验结果，取得较好的成果，此为倾斜液化场地桩基础的抗震设计提供可靠依据，对确保液化场地桩基础的抗震稳定性和安全性具有重要意义。

　　关键词：桩基工程;场地液化;动态土工离心机试验;地震响应

　　中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)10–2012–06

　　1引言

　　桩基础是液化场地上重要建筑物的主要基础形式之一。历次桩基震害调查和试验研究证实强震条件下液化场地具有大变形和侧向流动等特点。桩基抗震性能受液化场地侧向流动和桩土动力相互作用影响与控制，建于倾斜场地的桩基不仅要直接承担主动荷载，而且要抵抗土体液化侧向流动变形导致的被动荷载，从而使倾斜液化场地上桩基的承载机制与变形特性变得更加复杂。故当倾斜液化场地中的桩基抗震设计没有充分考虑这些关键因素时，即使桩基础具有比天然地基好的抗震性能，在强地震作用下仍会产生过大的变形，甚至倒塌，造成基础严重破坏、生命线工程瘫痪和巨额的经济损失，国内外诸多地震事件[1，2]都证明了这点。然而，我国缺少成熟的强震条件下倾斜液化场地桩基抗震设计规范和技术细节。因此，为探讨倾斜液化场地上桩基的地震破坏机制，提出有效的抗震设计对策，开展强震条件下倾斜液化场地桩基地震响应特性研究已成为相关学科的一个亟待解决的课题。

　　目前国内桩基础地震响应试验研究的手段主要集中在振动台试验，且土层模型主要为水平模型，陈文化等[3～7]利用振动台试验研究了液化场地、桩与结构物的地震响应，取得了一些有益的结论。但振动台模型试验难于模拟实际场地条件下原型尺寸模型的应力状态，常规条件下模型相似律因重力场的影响也很难满足，实现真实反映地震荷载下液化土层的非线性特征更是困难。而动态土工离心试验则可克服这一问题[8，9]，它可使模型具有与实际原型相同或比拟的应力水平，特别在模拟相互作用和固有非线性方面具有很大优势，此为解决液化场地桩基抗震性能难题的研究提供了新的路径，T.Kagawa等[10，11]利用土工离心试验研究了液化土中的桩基水平荷载问题;侯瑜京等[12]基于静力离心模型试验探讨了深水港码头围堤和群桩结构的工作性能;苏栋和李相崧[13]基于动态离心机探讨了可液化土中单桩的地震响应;于玉贞和邓丽军[14]基于动态离心模型试验分析了砂性边坡中的抗滑桩地震响应;汪明武等[2，15]进行了水平液化场地栈桥式构筑物抗震性能的动态土工离心模型试验和数值模拟研究。以上研究取得了一定进展，但综合国内外文献报导，应用动态土工离心机试验来研究强震条件下液化场地桩基抗震性能问题的文献报导仍较少，特别是应用动态土工离心模型试验来研究强震条件下倾斜液化场地中的桩基地震响应问题尚处在探索阶段。本文基于动态土工离心机试验来研究倾斜液化场地中群桩的地震响应特征，以探讨考虑液化侧向流动特点的桩土相互作用机制，为液化场地群桩抗震设计提供依据和参考。

　　2土工离心机试验模型

　　本文土工离心机试验采用日本京都大学防灾研究所的有效半径为2.5m的动态土工离心机，采用50g试验来研究倾斜液化场地群桩的地震响应特征，土工离心试验模型见图1。

　　2.1土槽

　　本文试验土槽采用刚性土槽，内部尺寸为450mm×150mm×300mm(长×宽×高)，一侧为有机玻璃构成，以便试验过程中通过高速摄像机记录和观测，并在土槽底板设计有开口以便流体介质的导入。

　　2.2模型桩

　　群桩基础模型由2×2排、桩间距70mm的铜制群桩构成，桩帽上固定有质量为1.75kg铜板以模拟上部结构(见图1)。模型桩的桩长和外径基于海中现场机场栈桥桩基，按相似律设计的，模型桩桩长为300mm，外围直径为φ7mm，厚度为0.9mm，弹性模量为100.0GPa。在模型桩身上按深度布置10组应变片以记录地震过程中桩弯矩的变化规律，各测试传感器典型布置如图1所示。桩台侧面设计布置1个加速度传感器，以测定桩台的加速度响应特征，并在桩台外侧布置激光位移传感器，以记录相应的侧向位移响应特征。

　　2.3倾斜饱和土层模型

　　倾斜饱和土层模型制备的难点和关键点在于土层流体介质的选择和倾斜饱和土层的制作。饱和土层模型动态离心机试验中，土层孔隙流体黏滞性必须满足相似律，故流体介质的选择对模拟土层中流体的运动规律和孔隙压力发展及消散的至关重要。试验采用甲基纤维素(metolose)粉末配制的溶液作流体介质，并由人工制成的硅砂与脱气metolose溶液按一定顺序制备成倾斜饱和土层。硅砂物理力学参数如表1所示。饱和土层模型制备了相对密度为66%和60%两个土层模型。在土槽底板、土层中部、土层表面布置了3个加速度传感器，以考察土层放大系数、加速度在土层纵向的变化规律;在土层内布置了2个孔隙水压力传感器，以记录强地震作用下液化场地不同埋深的孔隙压力变化规律。

　　倾斜饱和土层制备的基本步骤为：

　　(1)首先将模型桩固定在一块特制的底板上，以便桩模型可固定于土槽中，并按上和固定桩帽、孔隙压力传感器和部分加速度传感器。

　　(2)将固定细槽漏斗的高度和漏砂缝的宽度，将干燥硅砂往返均匀洒入土槽中，制成一定厚度和相对密度的倾斜干燥土层，称重后移入脱气槽，盖上隔板，打开真空泵抽气一定时间后，再从土槽底板注入脱过气的metolose溶液，待液面上升到设计高度后停止注入，继续抽气一定时间后，关闭真空泵，打开隔离盖板。

　　(3)将制备好的模型移到土工离心机振动台上固定后，测量离心固结前的土层高度，启动离心机加速到ng离心加速度固结5min，停下离心机并测定土层高度。

　　2.4输入地震波

　　模型准备完并测试传感器正常，加速离心机到50g后，即可由土槽底的小型一维振动台水平加载振动。动态土工离心机试验中输入地震波均为假设地震波，但输入强度不同，即工况1，2，其峰值加速度分别为3.64和9.68m/s2(对应原型尺寸)，实测波形如图2所示。

　　3试验结果及分析

　　桩头侧向位移、桩台和地表加速度、土体超孔隙水压力和桩身弯矩试验实测结果分别见图3～6。其中，M_d1～7为左桩桩身应变片自上而下的编号。

　　3.1侧向位移

　　群桩桩头侧向位移实测结果见图3。由图3可知，模型工况1，2，侧向位移随振动开始逐步增大到峰值，2个工况的侧向位移均超过了试验传感器的量程，明显大于水平液化场地桩基变形值[2，15]，但工况2中桩头侧向位移增加速度明显快于工况1，终残余值也大于工况1的实测值;工况2的桩台侧向残余变形值达17mm(模型尺寸)。工况2中实测位移响应说明液化土层侧向流动可加大和加快桩基的变形，工况2中试验后的砂土密实度和强度变小，土层液化侧向流动后的形态如图7所示。工况1实测结果则说明土层临界液化时，也会加大桩基的侧向变形。可见，液化场地侧向流动可加大桩基的侧向变形。

　　3.2加速度

　　由图4可知，2个工况的加速度振动幅度随着振动发展而增大，但对于工况1，桩台和地表加速度未观察到衰减现象，而是放大现象，即桩头和地表的加速度幅度明显大于振动输入波幅值;而在工况2中，桩台加速度和地表发生明显衰减，大值明显小于输入表峰值，此由于土层液化导致，后面将深入讨论。

　　3.3超孔隙水压力

　　由图5可知，工况1中土层在2个埋深处基本处于临近液化状态，而工况2中两深度的土层都在振动后发生完全液化。工况2中土层中超孔隙水压力大值比工况1中土层相对应埋深的数值要大，这与工况2中土层的相对密度较工况1土层的相对密度小、地震强度较大的原因有关。

　　3.4桩身弯矩

　　从图6可知，工况1，2的桩身弯矩分布规律不同。工况1中桩身各处的弯矩大值基本相近，而工况2中桩身弯矩大值和残余值有随着埋深加大的趋势，且较工况1大，故液化侧向流动可导致桩身弯矩加大，对倾斜液化场地桩基抗震设计中应加强桩基下部结构。

　　总之，由加速度、位移和桩身弯矩的响应对比分析可知，倾斜液化场地在诱发液化后，相应时刻的加速度会相随衰减，而加大桩基侧向位移和桩身弯矩，故倾斜液化场地侧向流动特性影响与控制着建于其中的桩基地震响应特征。

　　4结论

　　本文基于动态离心土工模型试验研究了倾斜液化场地群桩基础的地震响应特征，再现了在强震条件下群桩基础的变形特性和液化场地侧向流动性能，试验取得了较好结果，得出了一些初步结论：

　　(1)基于本文设计的动态土工离心机试验来研究倾斜液化场地中群桩的抗震性能是可行的。

　　(2)地震中倾斜液化场地桩基侧向变形较水平液化场地和一般场地变形值大。

　　(3)地震液化侧向流动可加大桩身下部弯矩，倾斜液化场地桩基抗震设计中应加强桩基下部结构设计。

　　(4)倾斜液化场地特性影响与控制着建于其中的桩基地震响应特征。

　　(5)基于动态离心机试验研究倾斜液化场地桩基地震响应，有些问题有待进一步研究和探讨，如土槽边界条件因素对群桩基础地震响应的影响和土层侧向流动定量测量等问题。