凍土覆蓋場地下的EPS材料減振性能評價

劉 潛 楊世浩 張振虎，2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北武漢 430064)

0 引言

減振研究是土木工程領(lǐng)域的重要工作。歷次震害表明[1]，大量的構(gòu)筑物在地震中的破壞并非直接由地震慣性力引起，而往往是由于樁基破壞引起的地基失效。這一破壞在凍土地區(qū)尤為明顯，現(xiàn)有的研究可以確定凍土對樁基抗震性能的影響尤為突出[2-3]，在凍土場地，樁基礎(chǔ)作為穿越不良地層的首選形式，其穩(wěn)定性和可靠性有更高的要求。凍土層在冰凍狀態(tài)下有較大的強(qiáng)度和剛度，其較高的剛度可以限制樁的側(cè)向位移，但樁的剪力及彎矩最大值較大，樁頂部內(nèi)力較大[4]，且在樁周圍會產(chǎn)生側(cè)向剪應(yīng)力。在地震的作用下，樁身易在軟土與硬土的分界面因彎矩、剪力變化過大導(dǎo)致的破壞[5]，與非凍土層相比更不利于地震能量的耗散，從而加劇地震的效應(yīng)。因此，研究凍土覆蓋場地下的減振方法具有相當(dāng)?shù)囊饬x。研究凍土區(qū)域樁基的動態(tài)響應(yīng)，目前主要采用模型試驗法，Yang等[6]進(jìn)行了較為完善的凍土覆蓋下場地樁-土動態(tài)響應(yīng)分析的模型及試驗設(shè)計，是本文模型試驗設(shè)計的參考。采用OpenSees對可液化砂土地基[7]和凍土覆蓋地基進(jìn)行模擬能較好符合試驗情況[8]，將模型試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果相對比，樁基礎(chǔ)地震動態(tài)響應(yīng)計算結(jié)果和試驗結(jié)果較為吻合。

EPS材料(發(fā)泡聚苯乙烯)在控制地震荷載下的橫向變形和減小結(jié)構(gòu)角度畸變方面具有有效性[9]。本文建設(shè)性地提出采用EPS材料作為樁身和凍土層間的保護(hù)層，減小凍土中樁的應(yīng)力及應(yīng)變，并通過模型試驗和數(shù)值計算評價EPS作為地下被動減振材料的效果。

1 EPS材料

EPS材料是聚苯乙烯發(fā)泡同時加熱軟化產(chǎn)生氣體形成的一種硬質(zhì)泡沫塑料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好化學(xué)穩(wěn)定性、施工簡易等特性。EPS材料在改善應(yīng)力集中和減壓方面的作用明顯[10]，也常被用做路基填料和橋頭軟基處理材料。試驗中使用的EPS材料密度為ρ=20 kg/m3。由于試驗工況所產(chǎn)生的應(yīng)力值小于EPS材料的初始屈服強(qiáng)度[11]，故在數(shù)值計算中將EPS材料近似于彈性材料處理。

2 振動臺模型試驗

模型試驗使用甘肅省地震局黃土地震工程重點實驗室的大型電伺服式振動臺，振動方向一維，臺上設(shè)模型箱，圖1為模型箱效果圖及實物圖。

圖1 模型箱效果圖及現(xiàn)場實物圖

2.1 模型箱參數(shù)

試驗用模型箱為剛性密封箱體，材料為普通碳鋼板，尺寸為2.8 m(長)×1.4 m(寬)×1.0 m(高)，考慮到地震波在剛性邊界的反射產(chǎn)生“模型箱效應(yīng)”，在模型箱內(nèi)襯粘貼2 cm泡沫軟板以減小此效應(yīng)。

2.2 模型土參數(shù)及制備方法

箱內(nèi)模型土分三層，從上至下分別為凍土、松散砂、中密砂，表1為模型土來源、厚度和處理方法。

表1 模型土來源、厚度及處理方法

各層制備方法如下：

1)中密砂層采用人工填筑，分層鋪設(shè)，分層壓實，人工灑水使其飽和。

2)松散砂層采用水沉法制備，先加入適量水，隨后砂料通過篩網(wǎng)從高層均勻抖撒入箱中，保證均勻與松散度。

3)凍土層采用鋪設(shè)于表面的低溫制冷銅管降溫，且在試驗組EPS安裝完畢后進(jìn)行填筑。

2.3 EPS材料的制備與安裝

由于EPS材料的自身為泡沫顆粒狀，一般切割方式容易造成泡沫碎屑。本次試驗?zāi)Ｐ颓懈钪饕捎秒姛岬稛崛矍懈?，加工方便，切割速度快，切面光滑，不易產(chǎn)生碎屑。如圖2所示，EPS材料高為200 mm，外直徑為500 mm，內(nèi)直徑50 mm，中部挖空預(yù)留樁身區(qū)域，在松散砂層填筑完畢后安裝，實際安裝時，如圖3、圖4所示將材料從中間等分為兩個半圓環(huán)，在樁兩側(cè)拼合，利用凍土層降溫過程中的體積膨脹使兩半圓環(huán)結(jié)合緊密。

圖2 EPS材料安裝前

圖3 試驗組EPS材料安裝后

圖4 試驗?zāi)Ｐ透┮晥D(單位：mm)

2.4 模型樁參數(shù)及上部結(jié)構(gòu)

模型樁分兩組，對照組S樁和試驗組S′樁，在模型土填入前焊接在模型箱底鋼板上，采用2根完全相同的Q235空心鋼管，長度1.25 m，內(nèi)直徑φ=50 mm，外直徑φ′=46.5 mm.上部設(shè)計荷載為2.5 kN，樁頂焊接邊長35 cm正方形鋼板形成空槽，內(nèi)部堆載鐵砂達(dá)到試驗設(shè)計要求。

2.5 傳感器布置

樁身變形主要通過應(yīng)變體現(xiàn)，因此試驗主要采集樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)。圖5為應(yīng)變傳感器布置示意圖(每處標(biāo)識代表前后一對應(yīng)變片)。

圖5 應(yīng)變傳感器布置圖(單位：mm)

2.6 試驗工況

試驗采用Denali地震波，沿模型箱寬度方向加載(數(shù)值計算X方向)，臺面輸入加速度峰值0.1g。圖6為Denali地震波加速度時程曲線。

3 數(shù)值模擬計算

數(shù)值模擬計算由OpenSeesPL與OpenSees共同完成。軟件能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)砂土、黏土的特征，內(nèi)置多種固--液耦合本構(gòu)模型，能夠較好地模擬樁--土的相互作用[12]。使用OpenSeesPL軟件圖形界面中建模和設(shè)置基本參數(shù)后，在其TCL源代碼中進(jìn)行單元后續(xù)的刪改和樁身保護(hù)材料的修改。再由OpenSees完成后續(xù)計算。

3.1 砂土本構(gòu)模型

砂土由軟件內(nèi)置的Pressure Depend Multi Yield材料模擬，采用多屈服面塑性理論[13]下的Drucker--Prager模型，該材料在施加自重靜載時是線彈性的，在施加地震動載時反應(yīng)為彈塑性。圖7、圖8為該模型主應(yīng)力空間和循環(huán)加載過程[14]。

圖7 Drucker--Prager模型主應(yīng)力空間和偏平面上的屈服面

圖8 Drucker--Prager模型循環(huán)加載過程的階段劃分

3.2 凍土本構(gòu)模型

凍土由軟件內(nèi)置的Pressure Independ Multi Yield材料模擬，圖9為采用多屈服面的Von--Mises模型[15]，該材料是彈塑性材料，其塑性僅表現(xiàn)在偏應(yīng)力產(chǎn)生的塑性形變中，在施自重加靜載時表現(xiàn)為彈性，施加動載時表現(xiàn)為彈塑性。

圖9 Von Mises模型主應(yīng)力空間的屈服面和剪切滯后效應(yīng)

3.3 塑性材料本構(gòu)模型

在減振材料的進(jìn)一步探討中，采用J2 Plasticity完全塑性材料模擬樁身保護(hù)材料，該材料基于Von-Mises模型，在偏應(yīng)力張量的第二不變量J2達(dá)到某一值后進(jìn)入塑性狀態(tài)，其本構(gòu)關(guān)系如下：

式中：σ0為材料的初始屈服強(qiáng)度；σinf為極限屈服強(qiáng)度；H為塑性模量；ξ為應(yīng)變；Δ為與材料相關(guān)的常數(shù)。

3.4 數(shù)值模型的建立

圖10為數(shù)值分析選擇的軟件內(nèi)置Brick UP單元，該單元是8節(jié)點六面體線性等參單元，每個節(jié)點具有4個自由度，前3個為固體位移自由度(u)，第4個為孔壓自由度(p)，能較好地模擬固液耦合材料的動態(tài)響應(yīng)。

圖10 BrickUP八節(jié)點六面體單元

模型土網(wǎng)格剖分僅沿深度方向，表2為網(wǎng)格剖分參數(shù)，XY平面的網(wǎng)格由系統(tǒng)自行劃分，圖11為有限元模型。表3為砂土本構(gòu)模型參數(shù)，表4為凍土本構(gòu)模型參數(shù)。

表2 單元網(wǎng)格劃分參數(shù)

圖11 有限元模型(單位：mm)

樁的物理參數(shù)與試驗保持一致，并采用Elastic Beam Column線彈性梁柱單元模擬樁體，為方便對EPS材料做出評價，僅考慮樁身在動載作用下的線彈性變形階段。

表3 砂土本構(gòu)模型參數(shù)

表4 凍土本構(gòu)模型參數(shù)

4 試驗與數(shù)值計算結(jié)果對比

試驗對比數(shù)值計算的目的是驗證數(shù)值計算結(jié)果規(guī)律的準(zhǔn)確性，以兩者應(yīng)變數(shù)據(jù)峰值最大值的變化情況作為后續(xù)數(shù)值計算準(zhǔn)確性的依據(jù)。

4.1 應(yīng)變峰值結(jié)果對比

將試驗和數(shù)值計算的各深度應(yīng)變峰值數(shù)據(jù)繪制剖面圖，如圖12、圖13所示，模型試驗和數(shù)值計算的應(yīng)變峰值最大值均出現(xiàn)在[0，-0.2 m]深度下，恰好是凍土層埋藏的深度區(qū)間，說明在凍土層深度區(qū)間內(nèi)樁身發(fā)生最大變形。EPS材料保護(hù)下的樁身應(yīng)變峰值明顯減小，且EPS保護(hù)組的應(yīng)變峰值最大值均低于無保護(hù)組。

4.2 剪力、壓力峰值結(jié)果對比

圖12 模型試驗應(yīng)變峰值剖面圖

圖13 數(shù)值計算應(yīng)變峰值剖面圖

剪力峰值和壓力峰值剖面具有和應(yīng)變相似的變化趨勢。如圖14、圖15所示，EPS材料保護(hù)組的剪力、壓力峰值最大值均小于無保護(hù)組，峰值最大值同樣集中出現(xiàn)在凍土層深度區(qū)間內(nèi)。試驗和數(shù)值計算均表明，EPS保護(hù)下樁身應(yīng)變、剪力、壓力的峰值最大值有較明顯的下降。證明EPS能夠有效改善凍土層部分樁身在動載下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力集中問題，具有較好的減振效果。

5 對樁身保護(hù)材料的進(jìn)一步探討

在模型試驗與數(shù)值計算的對比分析中，EPS材料被近似當(dāng)作彈性的，為進(jìn)一步探究塑性樁身保護(hù)材料與塑性材料橫截面積對減振效果的影響，在數(shù)值計算中將樁身保護(hù)材料改為J2 Plasticity完全塑性材料，并著重關(guān)注剪力、壓力的變化情況。如圖16、圖17所示，剪力和壓力的峰值最大值出現(xiàn)在凍土埋藏的深度區(qū)間內(nèi)，在三層土的兩個交界面深度區(qū)間均有剪力、壓力峰值的突變，說明凍土層中樁身易產(chǎn)生最大峰值應(yīng)力，在土性的變化處易發(fā)生應(yīng)力突變現(xiàn)象。圖例中J2代表完全塑性材料，J2擴(kuò)大代表在J2的基礎(chǔ)上擴(kuò)大材料的橫截面積。本文為了現(xiàn)象更為明顯，J2擴(kuò)大組的凍土層單元僅保留最外層，其余均換為J2材料單元。在EPS組加入對照后可以發(fā)現(xiàn)，采用J2材料保護(hù)的兩組樁身剪力、壓力峰值最大值均有下降，J2擴(kuò)大組則下降得更多。說明塑性材料具有比EPS更好的減振效果，且材料橫截面積越大，樁身的剪力、壓力的峰值最大值越小，減振效果越好。

圖14 數(shù)值計算剪力峰值剖面圖

圖15 數(shù)值計算壓力峰值

6 結(jié)論

本文通過振動臺模型模擬試驗與數(shù)值計算結(jié)合的方式評價了EPS材料的減振性能，并通過數(shù)值計算進(jìn)一步地探究了塑性材料和擴(kuò)大橫截面積塑性材料的減振效果，主要結(jié)論如下：

1)地震荷載下，在土層間接觸區(qū)域，樁身容易發(fā)生應(yīng)變、剪力和壓力的突變。凍土層中樁身應(yīng)變、剪力和壓力會出現(xiàn)比較明顯的陡降和回升。說明在地震荷載下，凍土層與其他土層交界面處樁身出現(xiàn)變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為明顯。

圖16 EPS與J2材料剪力峰值

圖17 EPS與J2材料壓力峰值

2)相較于無保護(hù)組，EPS保護(hù)組樁身的應(yīng)變、剪力、壓力的峰值最大值減小。說明EPS材料對樁身變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象起到了改善作用，有良好的減振和緩沖性能。

3)在樁身保護(hù)材料的進(jìn)一步探討中，完全塑性J2材料組的剪力、應(yīng)力峰值相比于EPS材料組有更進(jìn)一步的下降，且下降值在材料橫截面積變大后增加。說明完全塑性材料有更好的減振效果，且效果隨橫截面積增大而變得更好。

受限于本構(gòu)模型的類型，以上結(jié)論僅針對小地震(小變形)情況成立，對于大地震(大變形)情況仍不明確，需要進(jìn)一步研究。