微型樁基動(dòng)力響應(yīng)的影響參數(shù)分析

黃福云，林友煒，劉名琦，莊一舟，程俊峰，徐 亮

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350108；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 401331)

半整體式橋臺(tái)是指橋臺(tái)上部分(又稱端墻)與主梁連成整體且支承于橋臺(tái)下部分的橋臺(tái)。橋臺(tái)上部分與主梁之間沒有伸縮縫和伸縮裝置(簡(jiǎn)稱半整體橋)[1]，因其具有使用壽命長、施工方便、造價(jià)及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，目前在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。文獻(xiàn)[2-4]提出了一種新型半整體式橋臺(tái)無伸縮縫橋梁(簡(jiǎn)稱新型半整體橋)，其不僅能夠避免主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部在溫度引發(fā)的循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，而且還可以很好地傳遞、吸納主梁和連接板的伸縮變形，有效提高半整橋的抗震性能。而該新型半整體橋與文獻(xiàn)[5]提出的新型半整體橋的不同點(diǎn)主要在于引板枕梁下方增設(shè)了一排微型樁，并通過微型樁的地震能量吸收功能和水平變形能力來提高該橋梁的抗震性能。因此，對(duì)引板下微型樁動(dòng)力特性響應(yīng)的研究是發(fā)展新型半整體橋的關(guān)鍵因素。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

以微型樁作為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試其自振頻率和樁頂反應(yīng)以驗(yàn)證有限元模型，此試驗(yàn)主要由微型樁、砂土、鋼箱、樁頂配重塊、測(cè)定儀器等組成。以圓形微型樁為主，采用較為常見且方便設(shè)計(jì)的混凝土材料。微型樁直徑100 mm、埋深1.8 m，同時(shí)，樁身伸出土表面的高度為0.4 m。

模型土選用均勻性良好的砂土，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。鋼箱尺寸為高2.1 m，長與寬均2 m?？紤]到邊界效應(yīng)，鋼箱四周內(nèi)壁貼有10 cm 厚的EPS泡沫；微型樁上部配220 kg質(zhì)量塊，同時(shí)與樁頂焊接。

表1 砂土的物理力學(xué)參數(shù)

傳感器布置主要有加速度計(jì)、應(yīng)變片、位移計(jì)。其中，混凝土圓形樁只在x方向的樁身和相應(yīng)等高度的砂中分別布置了6個(gè)加速度傳感器，距離均為30 cm。應(yīng)變片沿樁身高度等間距布置10對(duì)，其中最底下的應(yīng)變片離箱底10 cm，其余每對(duì)應(yīng)變片之間的距離為21.25 cm。位移計(jì)布置在樁頂質(zhì)量塊的下表面和振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面。試驗(yàn)時(shí)臺(tái)面輸入主要以正弦波為主，在此基礎(chǔ)上還分別進(jìn)行了EI-Centro波、Kobe波、人工波等地震波的研究，加載幅度以0.15g為主。

2 有限元模型建立和驗(yàn)證

表2 數(shù)值分析方案

通過有限元軟件ABAQUS建立模型，樁體、泡沫邊界、土體采用8節(jié)點(diǎn)的線性六面體單元(C3D8R)模擬，材料的本構(gòu)關(guān)系及其選用參數(shù)見表3—表7。鋼箱和樁頂質(zhì)量塊用解析剛體代替，建立剛體時(shí)在相互作用模塊中分別對(duì)鋼箱和樁頂質(zhì)量塊賦予相應(yīng)的慣性點(diǎn)質(zhì)量。樁體內(nèi)部的主筋和箍筋采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)模擬。邊界條件設(shè)立時(shí)，在加速度加載前將模型底部完全固定，設(shè)為邊界條件 BC1，待到動(dòng)力加載分析步時(shí)將此分析步殺死，在動(dòng)力分析步中重新建立邊界條件BC2，BC2允許模型底部在加載方向運(yùn)動(dòng)，但禁止在其他方向運(yùn)動(dòng)，而模型四周為約束水平兩方向自由度的邊界條件BC3。同時(shí)建立一個(gè)邊界條件BC4，BC4是一種加速度荷載，有限元模型見圖1。

表3 C40普通混凝土力學(xué)參數(shù)

表4 C40混凝土本構(gòu)參數(shù)

表5 泡沫的本構(gòu)參數(shù)

表6 黏性土M-C本構(gòu)參數(shù)

表7 砂性土D-P本構(gòu)參數(shù)

注：表中D-P模型中細(xì)砂的摩擦角52.16°由試驗(yàn)值32°經(jīng)公式轉(zhuǎn)換得到。

圖1 試驗(yàn)構(gòu)件有限元模型

依據(jù)表2中的模型參數(shù)建立微型樁相應(yīng)的三維實(shí)體有限元模型，并對(duì)微型樁進(jìn)行攝動(dòng)分析，計(jì)算模型樁的前4階模態(tài)參數(shù)，對(duì)比微型樁中基頻的試驗(yàn)值和有限元計(jì)算值，具體計(jì)算結(jié)果見表8?？芍?，有限元模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值非常接近。

表8 樁基前4階陣型的自振特性參數(shù)對(duì)比

圖2 混凝土微型樁頂處位移

圖3 微型樁樁身變形有限元計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比

3 不同參數(shù)對(duì)微型樁基動(dòng)力響應(yīng)的影響

在確定有限元模型正確的基礎(chǔ)上，按照數(shù)值建模與驗(yàn)證的分析方案改變樁身尺寸和土體參數(shù)建立相應(yīng)的有限元模型，并進(jìn)行分析。

3.1 樁徑尺寸

樁徑為100，130，160，190 mm的C40普通混凝土微型樁在0.15g,4 Hz正弦波作用下樁身彎矩、變形、土反力分布情況見圖4。

圖4 不同樁徑的微型樁樁身彎矩、變形和土反力分布情況

由圖4(a)可知，對(duì)于不同樁徑的圓形C40普通混凝土微型樁，彎矩峰值出現(xiàn)的埋深位置從淺到深的微型樁依次為樁徑100，130，160，190 mm，說明樁徑越大，彎矩峰值點(diǎn)越深，而影響彎矩峰值點(diǎn)埋深位置的主要因素是樁身的抗彎剛度，剛度越大，彎矩峰值點(diǎn)越深；樁徑越大，最大彎矩越大；同時(shí)發(fā)現(xiàn)樁徑為100，130 mm的微型樁在樁的底部出現(xiàn)了負(fù)彎矩，而樁徑為160，190 mm的微型樁底部出現(xiàn)了較大的正彎矩，且底部的彎矩隨著樁徑的增大而增大。因樁徑與抗彎剛度成4次方增加的關(guān)系，微小量的樁徑差將導(dǎo)致抗彎剛度非常顯著的變化，從而顯著地增加了樁體與土的抗彎剛度比，當(dāng)抗彎剛度比達(dá)到一定值時(shí)，土體的作用就顯得很微小，此時(shí)的樁體可以看作是剛性樁，樁徑為190 mm的微型樁比較靠近剛性樁的范疇。

由圖4(b)可知，不同樁徑的圓形C40普通混凝土微型樁，變形從強(qiáng)到弱依次為樁徑100,130,160,190 mm，并且它們之間的差別較大。主要原因是在動(dòng)荷載作用下，影響樁身變形的因素除了樁身材料的彈性模量和樁徑外，還與樁基的固有頻率和荷載的加載頻率、樁徑的有效阻土面積有關(guān)。4 Hz的正弦波作用下離樁徑100 mm混凝土微型樁的基頻最接近，并且樁徑100 mm的微型樁阻土面積最小。

由圖4(c)可知，不同樁徑的圓形C40普通混凝土微型樁的土反力沿樁身呈相同規(guī)律分布，即土表面為0，并沿深度逐漸增大至一側(cè)峰值點(diǎn)后再逐漸減小并反向增大至另一個(gè)峰值點(diǎn)，最后逐漸減小并趨近于0。但各微型樁的土反力峰值大小不一，土反力峰值從大到小的微型樁依次為樁徑130,160,190，100 mm。樁徑較小的微型樁，其土反力曲線的反彎點(diǎn)位置較樁徑大的微型樁更淺。表層土范圍內(nèi)的土反力增長趨勢(shì)差別較大，樁徑為100，130 mm的微型樁增長較快，樁徑為190 mm的微型樁增長速度最慢。另外，土反力峰值點(diǎn)的埋深隨樁徑的增加而顯著增加。

3.2 樁周土層

樁徑為100 mm的C40普通混凝土微型樁在不同樁周土(粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)黏土、黏土)條件下、不同幅值(0.15g、0.2g、0.3g)的4 Hz正弦波作用下的樁身彎矩、變形和土反力見圖5。

圖5 不同幅值時(shí)微型樁的樁身彎矩、變形和土反力

由圖5(g)、圖5(h)、圖5(i)可知，各類樁周土條件下微型樁基在不同加速度幅值的正弦波作用下，樁身土反力沿樁身呈相同規(guī)律分布，即先逐漸增大至一側(cè)峰值后再逐漸減小并反向增大至峰值，最后逐漸減小趨近于0，正負(fù)各存在一峰值。但不同類型土條件下土反力分布曲線不盡相同。0.15g，4 Hz正弦波作用下，土反力正、負(fù)峰值絕對(duì)值從大到小依次為粉砂、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、黏土和粗砂。砂性土條件下土反力峰值與土的抗壓模量、顆粒粒徑成相反的關(guān)系，土的抗壓模量和顆粒粒徑越大則土反力峰值越小，而黏性土并沒有呈現(xiàn)出上述規(guī)律，黏性土顆粒粒徑最小土反力峰值也最小，并且2種黏性土的土反力峰值和規(guī)律基本相同。

4 結(jié)論

1)對(duì)于不同樁徑的微型樁基受動(dòng)力荷載作用時(shí)，樁徑越大，則樁身彎矩峰值及其出現(xiàn)的埋深越大，且與較小直徑的微型樁相比，此時(shí)土對(duì)樁體的作用較?。粯稄綄?duì)微型樁的橫向變形影響顯著，微型樁基的基頻和抗彎剛度隨著樁徑的增加會(huì)顯著變化。另外，土反力峰值出現(xiàn)的埋深也隨樁徑的增加而顯著增加。

3)土反力正、負(fù)峰值點(diǎn)絕對(duì)值從大到小依次為粉砂、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、黏土和粗砂。砂性土和黏性土在土反力峰值點(diǎn)處表現(xiàn)出了明顯的差異。砂性土的抗壓模量和顆粒粒徑越大則土反力峰值越小，而影響?zhàn)ば酝翖l件下的樁身土反力主要為黏聚力。