可液化场地桥梁群桩-独柱墩结构地震反应振动台试验研究

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DOI:10.15951/j.tmgcxb.2009.11.001第42卷第11期土木工程学报Vol.42No.112009年11月CHINACIVILENGINEERINGJOURNALNov.2009可液化场地桥梁群桩-独柱墩结构地震反应振动台试验研究11112唐亮凌贤长徐鹏举高霞王东升(1.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090;2.大连海事大学,辽宁大连116026)摘要:针对两种土层结构的可液化场地条件,采用2×2低承台群桩-独柱墩结构形式,完成了两个试验体的群桩-独柱墩结构地震反应振动台试验,很好地再现了自然地震触发场地液化及结构反应的各种宏观现象。结果表明,桩的最大加速度反应位置与地层结构关系密切且随场地液化发展而不断变化;低承台条件下,三层土场地较二层土场地对墩顶的加速度反应放大作用更显著;场地液化过程中,承台附近或液化与非液化土层分界处桩发生最大或较大动应变;低承台下,二层土场地中柱墩反应较小、桩反应较强,三层土场地中柱墩反应较强。关键词:可液化场地;低承台群桩-独柱墩结构;桥梁;地震反应;振动台试验+中图分类号:U442.55TU435文献标识码:A文章编号:1000-131X(2009)11-0102-07Shakingtabletestsforseismicresponseofpile-supportedbridgestructurewithsingle-columnpierinliquefiableground11112TangLiangLingXianzhangXuPengjuGaoXiaWangDongsheng(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;2.DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)Abstract:Twoshakingtabletestsforseismicpile-soil-bridgeinteractioninliquefiableground,withalow-cap4-pilegroupandtwotypicalsoilprofiles,wereperformed.Thetestsreproducedthemacroscopicphenomenaofsoilliquefactionandseismicresponseofthestructuresinliquefiableground.Itisobservedthattheportionsofthepileswithmaximumaccelerationwereinclosecontactwiththesoillayersandvariedwiththedevelopmentofsoilliquefaction.Forthelow-cappile-supportedbridgestructure,thegroundwiththreesoillayersexertedmoresignificantamplificationeffectontheaccelerationresponseofthepiertopthanthegroundwithtwosoillayers.Duringsoilliquefaction,thestrainsofthepilesnearthecapandthesoilinterfacebetweenliquefiedsoilandnon-liquefiedsoilwerecomparativelygreaterthanthoseatotherpositions.Forthelow-cappilegroups,theresponseofthepierwascomparativelylesssignificantandthepilestronglyrespondedtotheinputmotionofthegroundwithtwosoillayers,whiletheresponseofthepierwasmoresignificantunderinputmotionofthegroundwiththreesoillayers.Keywords:liquefiableground;lowcappilegroupswithsingle-columnpier;bridge;seismicresponse;shakingtabletestE-mail:hittl@163.com桩因能减轻结构振动并改善桩的受力特性等优点在[9-10]引言桥梁工程中被广泛应用。地震激励下桩周土发生[11]液化使得群桩动力反应极其复杂。为了深入研究[1-3]场地液化是桩基桥梁震害的主要原因。振动可液化场地低桩承台基础地震响应规律,以及群桩与台试验是研究并解决可液化场地桩基桥梁抗震问题柱墩的地震反应机理,采用2×2低承台群桩-独柱墩[3-6]的一种有效手段,近年来备受关注,日、美已取得基础形式,设计了两类土层结构的地基条件,完成了[7-8]了重要研究进展。建于可液化土层中的低承台群两个试验体的可液化场地群桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验。本文仅报道结构地震反应的部分基金项目:国家自然科学基金重大研究计划“重大工程的动力灾变”项试验成果。目(90815009)、西部交通建设科技项目(2009318000100)和国家自然科学基金项目(50378031,50178027)作者简介:唐亮,博士研究生收稿时间:2008-09-08 第42卷第11期唐亮等·可液化场地桥梁群桩-独柱墩结构地震反应振动台试验研究·103·置一层厚100mm的海绵进一步减少土箱边界反射效[12-13]1试验概况应;同时,控制模型结构平面尺寸与模型地基的平面尺寸之比,试验取地基平面长度D与结构平面尺[14]试验体一、二的设计与传感器布置见图1、图2。寸d之比为4.33。试验工况为:0.002g白噪声,压[12]以1976年唐山地震中倒塌的胜利桥为原型,采用缩0.15gElCentro波(时间压缩率为10∶1,简称“工[13]1∶10缩尺比例,桩、承台、柱墩由微粒混凝土配以镀况一”),0.15gElCentro波(简称“工况二”),0.5gEl锌铁丝预制,柱墩直径160mm、长度820mm,配322Centro波(简称“工况三”),如图3所示,前一工况加钢筋、箍筋1@20mm,墩底至承台顶150mm范围配载结束,待孔压基本消散后进行后一工况加载。1@10mm箍筋;桩径80mm、长度1550mm,配92钢筋、箍筋1@20mm,顶部600mm范围箍筋1@10mm,桩距300mm;承台尺寸为460mm×460mm×150mm,双向均匀配筋0.8@3.5mm,保护层厚10mm;墩顶配360kg质量块,模拟上部桥梁结构。两次试验地基为湿黏土层与可液化砂土层(不均匀系数3.05、平均粒径0.315mm、最大粒径2mm,改进的水沉法制备,饱和砂土层的相对密度约为30%,渗透系数约为0.0035cm/s)的不同组合,详见图1、图2,上覆粉质黏土层均厚30cm,试验体二下伏粉质黏土层厚40cm,黏土的液限45和塑限28,塑性指标17。图1试验体一设计与传感器布置图Fig.1Designandlayoutoftransducersfortestone试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成,采用美国MTS电液伺服驱动式三向模拟地震振动台装置,土箱为范立础院士课题组研制的长2m×宽1.5m×高2m层状剪切变形土箱,内设一层厚5mm橡胶内衬以防渗漏,并在与振动方向垂直的两侧内壁设 ·104·土木工程学报2009年化、持时长,且最强烈液化作用滞后于输入峰值加速2试验宏观现象度时刻;排水后,地表分布较多喷出的小砂堆;试验后,承台下陷明显,见图5,桩上部30cm内集中分布宽两试验体中,砂层孔压反应规律基本一致,限于度不等的裂缝,桩头处出现较明显裂缝,桩很低位置篇幅,以下结合试验体二中孔压比情况(如图4)对试处(桩下100cm)仍有裂缝,表明了上部结构惯性力与验现象加以介绍。试验体一、二,工况一、二作用下,桩-土运动相互作用对可液化场地中桩的力学性能均地表和柱墩轻微振动,地表局部有少许水渗出,砂层起着重要作用。所不同的是,试验体一柱墩完好,而顶部轻微液化;由图4可得出,工况一、二中,自下而试验体二中墩底混凝土保护层破碎剥落(剥落长达4上,砂层峰值孔压比明显递增且顶部超过0.3～～10cm)、纵筋压曲且部分箍筋拉断,见图5。由图4[15]0.4,这也是观察到砂层顶部轻微液化的佐证。试可知,输入波峰值时刻,出现了瞬间“负孔压比”,工况验体一、二,工况三作用下,地表出现较宽地裂,砂层三中负孔压比峰值绝对值远大于孔压峰值,过去认为[12,16]全部液化,强烈喷砂冒水,地基下沉5～10cm,如图5这是由于土体瞬时剪胀所致,本文推测是振动中所示;由图4可知,工况三作用下,自下而上,砂层峰值孔压计与土体相对运动引起了孔压计腔内压力大幅孔压比均递减(这是上部孔压水易排出地表的原因),减小所致。总之,振动台试验较好再现了自然地震触孔压比很快达到或超过砂土液化所需的孔压比(0.75发场地液化及结构地震响应特征。[15]～1.0)且持时长达30s～50s,因此砂层发生强烈液 第42卷第11期唐亮等·可液化场地桥梁群桩-独柱墩结构地震反应振动台试验研究·105·桩的加速度对输入波具有衰减作用;试验体一中由于3桩-柱墩加速度反应桩端位于下伏砂层中,桩下段缺少有效嵌固作用而使得桩的加速度对输入波具有放大作用。同一试验体,工况一、二中,桩-柱墩自下而上峰值加速度、峰值与工况一相比,工况二中墩顶的峰值加速度及其放大加速度放大系数沿深度分布见图6、图7,峰值加速度系数更大,说明柱墩对输入的压缩波反应更强烈,主放大系数定义为反应加速度峰值与输入加速度峰值要取决于原型波(持时更长)较同幅值的压缩波输入之比,峰值加速度分布图中括号内数据为峰值加速度下砂土液化更显著,地基的动力耗能更显著。可见,时刻(单位为s),峰值加速度放大系数分布图中A为地震持时对可液化场地中桥梁结构加速度反应影响加速度计编号。工况一、二中,试验体一、二,由于砂主要通过地震触发场地液化的程度体现。层局部液化对桩的负面影响未体现,承台在桩头处及工况三中,桩-柱墩自下而上峰值加速度、峰值加土层对桩身约束作用均较强,桩-土动力相互作用不突速度放大系数分布见图8。试验体一、二,工况三中,出,自下而上,桩的峰值加速度,峰值加速度放大系数砂层完全液化,桩-土运动相互作用显著增强(砂土强呈递减规律;墩顶的加速度对输入波放大作用明显烈流动作用),且桩受到上部结构惯性作用,致使桩的(峰值加速度放大系数超过1.5),说明较小地震输入加速度反应对输入加速度有较强的放大作用(峰值放下地基结构破坏轻微,承台-群桩体系受到土体约束较大系数均大于1),显示了液化砂层中桩的加速度对输强,上部结构惯性力对柱墩作用显著,具体表现为柱入波具有显著放大作用。地层结构的不同导致了砂墩加速度对输入波有较强的放大作用。层中桩的加速度反应差别显著。首先,试验体一,由于液化砂层剪切流动作用较大且桩端处缺少有效约束,而桩头受到承台、土体约束作用较强,自下而上桩上各点的峰值加速度及其放大系数逐渐递增,靠近上部土层分界处则有所减小。试验体二,由于地基下伏黏土层对桩的嵌固效应,加之下部液化与非液化土层对桩作用之差异,桩从黏土层进入砂层的加速度反应增大,对输入波有很明显的放大作用;同时,由于上部黏土层、承台对桩上段的约束作用,以及下伏黏土层对桩端的嵌固效应(即使砂层完全液化时,这种约束作用也较强),使得砂层中部桩的加速度反应最小,自下而上,峰值加速度及其放大系数呈现递减趋势。可见,地层结构特征对桩的加速度反应影响主要通过地基对桩的约束程度表现出来。工况一中,试验体一、二,自下而上,桩体各点(试图8工况三中桩-柱墩峰值加速度沿深度分布验体一中桩端除外)的峰值加速度放大系数均未超过Fig.8Peakaccelerationofthepileandpierincasethree1;工况二中,试验体一,桩下段(深度700mm以下)的峰值加速度放大系数大于1,而桩上段峰值加速度放试验体一、二,三种工况中,桩-柱墩峰值加速度时大系数则小于1。说明了试验体二中桩端伸入下伏黏刻基本上与输入波峰值时刻保持一致。试验体一、土层中,黏土层对桩具有较强的嵌固作用,自下而上,二,工况三作用下,墩顶未因场地完全液化而峰值加 ·106·土木工程学报2009年速度放大系数增大,相反有所减小,比工况一、二中墩分界处)发生突变,其中以工况三作用下试验体二中顶峰值加速度放大系数还要小,这可能与液化后砂层下部土层分界处桩的应变最突出,说明了低桩承台形抗剪力极低、减震作用密切相关。目前,桩基抗震设式条件下,场地完全液化时,三层土场地较两层土场计中未考虑液化砂层减震效应,尚待进一步探讨。对地更有利于土层分界处桩的应变突变。考虑应变突比试验体一、二,工况一、二中,墩顶峰值加速度及其变的影响,得到:试验体一,三种工况下,由于两层土放大系数以试验体一的反应更大;工况三中,墩顶的中桩的反应很大程度由下部砂层控制,桩上段受上覆峰值加速度放大系数以试验体二的反应更大。由此黏土层、承台等嵌固尚强,即使砂层完全液化,嵌固作得出,低桩承台,场地轻微液化时,二层土场地较三层用同样很有效,且桩还受到包括承台、柱墩与上部结土场地更趋于放大上部结构(墩顶)加速度反应,场地构配重惯性力的作用,故而,自下而上桩的峰值应变液化完全时,二层土场地表现出更有助于降低上部结(拉应变与压应变)呈现有意义的“增大-减小-增大”构(墩顶)加速度反应。的变化;工况一、二中,桩的应变最大值出现在桩头,工况三作用下,桩的应变最大值出现在砂层中部(深4桩-柱墩动应变反应度800mm),这也是液化砂层中桩体较黏土层中桩体三种工况作用下,桩与墩底(地表处)峰值应变自更易发生震害的直接体现;桩出现应变最大值的位置下而上分布见图9。试验体一、二,三种工况作用下,说明了两层土条件下,当砂土液化尚轻时,上部结构自下而上,桩两侧峰值应变的对称性(大小相等、方向惯性作用起着更主要作用,随着砂层液化不断发展,相反)较好,在土层分界处(试验体二有上、下部土层桩-土运动相互作用影响逐渐显现。(a)工况一(b)工况二(c)工况三图9桩-柱墩动应变峰值沿深度分布Fig.9Distributionofpeakstrainalongpileandpierinthreecases试验体二,三种工况下,即使砂层完全液化时,三作用有关。工况三作用下,墩底拉应变峰值以试验体层土中桩头、桩端受到嵌固作用仍很有效,桩的应变一更大,压应变以试验体二更大,结合试验体二中墩反应受砂土夹层的影响显著,随着液化的发展,砂层底破坏的事实,推断出:三层土场地桥梁墩底以压弯中桩的应变反应也更强烈,因此,自下而上,桩的峰值破坏为主,这对于桥梁独柱墩抗震研究无疑具有启示。应变出现先增后减的规律;工况一、二中,桩的应变最5结论大值出现在砂层上部(深度500mm);工况三中,桩的应变最大值出现在上部土层分界处附近。对比试验(1)二层土场地中桩未发生折断、柱墩破损现象,体一、二桩出现应变最大值的位置,发现场地地层特三层土场地中桩未折断,但是墩底发生压弯破坏;二征、液化程度对桩的应变均有影响,而地层结构的影次试验体中,桩下很低位置均出现裂缝,表明了上部响主要体现在桩端是否伸入到稳定下伏黏土层中。结构惯性作用与桩-土运动相互作用对可液化场地中过去认为液化与非液化土层分界处桩的应变会出现桩的力学性能均起重要作用。这对于可液化场地桩较大(或最大)应变突变值,试验表明,液化与非液化基桥梁结构抗震研究提供重要启示并具有一定指导土层分界处桩的应变是否出现较大(或最大)突变值意义。也取决于场地液化条件与地层结构,有待深入研究。(2)较小震激励下,场地液化尚不充分时,桩出现比较试验体一、二,工况一、二中墩底应变峰值以加速度最大值的位置受地层结构影响尚不明显,随着试验体二反应大,这与下伏黏土层对桩端有较大嵌固场地完全液化,地层结构对其影响逐渐显现,与二层 第42卷第11期唐亮等·可液化场地桥梁群桩-独柱墩结构地震反应振动台试验研究·107·土场地中桩的加速度最大值出现在砂层上部不同,由[7]AbdounT,DobryR.Evaluationofpilefoundationresponse于下伏黏土层对桩端较大的嵌固作用,三层土场地中tolateralspreading[J].SoilDynamicsandEarthquakeEngineering,2002,22(9):1051-1058桩的加速度最大值发生在砂土夹层下部。[8]BoulangerRW,CurrasCJ,KutterBL,etal.Seismic(3)桩的应变反应受场地地层结构、液化程度的soil-pile-structureinteractionexperimentsandanalyses[J].影响显著。液化与非液化土层分界处桩的应变是否JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,出现较大(或最大)突变值很大程度取决于场地液化ASCE,1999,125(9):750-759情况与地层结构,这与传统认识存在一定差异。[9]CurrasCJ,BoulangerRW,KutterBL,etal.Dynamic(4)场地轻微液化,二层土场地较三层土场地更experimentsandanalysisofapile-group-supportedstructure有助于放大上部桥梁结构加速度反应;0.5gElCentro[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmental波输入下,场地完全液化,三层土中下伏黏土层对桩Engineering,ASCE,2001,127(7):585-596端约束作用效应显现,三层土场地条件中墩顶反应更[10]胡人礼.桥梁桩基础设计[M].北京:人民铁道出版强,二层土场地将更有利于降低上部结构加速度反应。社,1976[11]ScottRF,HushmandB,MiuraK.Interactionofapile致谢振动台试验得到同济大学桥梁系范立础院士、袁万groupwithaliquefiablesoil[C]//Proceedingsofthe9th诚教授、王志强博士,土木工程防灾国家重点实验室卢文胜教InternationalSymposiumonEarthquakeEngineering.授等多位专家、老师及工作人员的大力支持,在此一并表示India,1990感谢![12]凌贤长,王东升,王志强,等.液化场地桩-土-桥梁结参考文献构动力相互作用大型振动台模型试验研究[J].土木工程学报,2004,37(11):67-72(LingXianzhang,Wang[1]FinnWDL,FujitaN.Pilesinliquefiablesoils:seismicDongsheng,WangZhiqiang,etal.Large-scaleshakinganalysisanddesignissues[J].SoilDynamicsandtablemodeltestofdynamicsoil-pile-bridgestructureEarthquakeEngineering,2002,22:731-742interactioningroundofliquefaction[J].ChinaCivil[2]张建民.水平地基液化后大变形对桩基础的影响[J].EngineeringJournal,2004,37(11):67-72(inChinese))建筑结构学报,2001,22(5):75-78(ZhangJianmin.[13]凌贤长,王臣,王成.液化场地桩-土-桥梁结构动力相Effectoflargehorizontalpost-liquefactiondeformationof互作用振动台试验模型相似设计方法[J].岩石力学与levelgroundonpilefoundation[J].JournalofBuilding工程学报,2004,23(3):450-456(LingXianzhang,Structures,2001,22(5):75-78(inChinese))WangChen,WangCheng.Scalemodelingmethodof[3]凌贤长,王东升.液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作shakingtabletestofdynamicinteractionofpile-soil-bridge用振动台试验研究进展[J].地震工程与工程振动,structureingroundofsoilliquefaction[J].ChineseJournal2002,22(4):53-59(LingXianzhang,WangDongsheng.ofRockMechanicsandEngineering,2004,23(3):450-Studyonshakingtabletestforseismicinteractionofpile-456(inChinese))soil-bridgestructureincaseofsoilliquefactioncausedby[14]伍小平,孙利民,胡世德,等.振动台试验用层状剪切earthquake[J].EarthquakeEngineeringandEngineering变形土箱的研制[J].同济大学学报:自然科学版,Vibration,2002,22(4):53-59(inChinese))2002,30(7):781-785(WuXiaoping,SunLimin,Hu[4]KagawaT,MinowaC,MizunoH,etal.ShakingtableShide,etal.Developmentoflaminarshearboxusedintestingonpilesinliquefyingsand[C]//Proceedingsof5thshakingtabletest[J].JournalofTongjiUniversity:NaturalUSNationalConferenceonEarthquakeEngineering.Science,2002,30(7):781-785(inChinese))Chicago,1994:107-116[15]石兆吉,王兰民.土壤动力特性———液化势及危害性[5]李雨润,袁晓铭.液化场地上土体侧向变形对桩基影评价[M].北京:地震出版社,1999响研究评述[J].世界地震工程,2004,20(2):17-22[16]凌贤长,王丽霞,王东升,等.非自由液化场地地基动(LiYurun,YuanXiaoming.State-of-artofstudyon力性能大型振动台模型试验研究[J].中国公路学报,influencesofliquefaction-inducedsoilspreadingoverpile2005,18(2):34-39(LingXianzhang,WangLixia,Wangfoundationresponse[J].WorldInformationonEarthquakeDongsheng,etal.Studyoflarge-scaleshakingtableEngineering,2004,20(2):17-22(inChinese))proportionalmodeltestofthedynamicpropertyof[6]王建华,冯士伦.液化土层中桩基水平承载特性分析foundationinunfreedomgroundofliquefaction[J].China[J].岩土力学,2005,26(10):1597-1601(WangJournalofHighwayandTransport,2005,18(2):34-39Jianhua,FengShilun.Researchonlateralresistanceof(inChinese))pilefoundationinliquefactionstrata[J].RockandSoilMechanics,2005,26(10)1597-1601(inChinese)) ·108·土木工程学报2009年唐亮(1981-),男,博士研究生。主要从事岩土地震工程、土-结构动力相互作用研究。凌贤长(1963-),男,博士,教授。主要从事岩土地震工程与液化场地桩基桥梁地震反应、冻土力学与冻土工程、路基与防护工程、岩土工程新材料技术开发等方面研究。徐鹏举(1967-),男,博士研究生,副教授。主要从事岩土地震工程方面科研与教学工作。高霞(1984-),女,博士研究生。主要从事岩土工程减灾、土-结构动力相互作用研究。王东升(1974-),男,博士,教授。主要从事桥梁结构抗震研究。《建筑结构学报》2010年征订启事《建筑结构学报》(邮发代号:2-190)是由中国科学技术协会主管,中国建筑学会主办的国家一级学术性刊物,创刊于1980年,自1992年起入选为中文核心期刊,2007年起被EICompendex收录,期刊影响因子连续多年在国内同类期刊中名列前茅。《建筑结构学报》旨在报道和交流建筑结构领域中代表我国学术水平的最新研究成果,反映本学科发展最新动态和趋势,推动国内外的学术交流,主要刊登建筑结构、抗震防振、地基基础等学科的基础理论研究、应用研究和科学实验技术的学术论文,研究报告及最新进展动态,为我国建筑科学技术研究的发展服务。《建筑结构学报》读者对象为相关专业的高等院校师生和科研设计施工单位的工程技术人员,以及相关科技工作者。为了进一步扩大期刊的载文量,《建筑结构学报》自2010年起变更为月刊,大16开本,120页,每期定价20.00元(含邮寄费),全年共240.00元。欢迎您直接汇款至《建筑结构学报》编辑部订阅本刊,通过编辑部订阅可享受九折优惠,即216元/年!欢迎国内外读者订阅!地址:北京市三里河路9号住房和城乡建设部内《建筑结构学报》编辑部邮编:100835电话:(010)58933734E-mail:ascjgxb@126.com