地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应

冯忠居 ，李玉婷 †，蔡杰 ，林立华 ，陈露 ，李宗海

（1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.福建省交通建设质量安全中心，福建 福州 350000；3.厦门路桥工程投资发展有限公司，福建 厦门 361000）

桩基础因其承载力及稳定性方面的良好性能被广泛应用于公路桥梁等工程领域［1-6］.近年来对地震震害的研究表明，地震荷载作用下软土层发生震陷极大地影响了桩基础的承载特性［7-9］，因此，地震荷载作用下软土场地桩基础的动力响应研究十分重要［10-12］.

目前，国内外学者在软土震陷对桩基的影响方面做了一系列研究.田兆阳等［13-14］通过开展软土场地-单桩体系振动台试验，得到了软土的震陷特性以及不同地震动强度下桩基负摩阻力的分布发展规律，研究了强震作用下软土对结构体系地震动、基础震陷量的影响；沈婷等［15］采用有效应力动力分析方法，加以数值模拟，探究了地震动作用下桩基础的震陷、地震反应加速度及孔压比等动力指标；程学磊等［16］通过地震作用下软土场地上的振动台模型试验，从桩基震陷量、动孔压比等指标方面分析了地震对软土场地单桩基础的影响；辜俊儒等［17］基于非线性动力分析思想，利用OpenSees软件，探究了软土场地的震陷特性；张磊等［18］采用弹塑性模型，研究了软土中桩基础在不同地震强度下桩身加速度放大系数及最大弯矩系数的变化规律；周燕国等［19］通过振动台试验，探明了软土地基的不均匀震陷问题及其对建筑物的影响.振动台试验是研究桩基特性的有效途径，冯忠居等［20-24］通过大型振动台试验，分析了地震波类型及地震强度与桩基特性的关系；何静斌等［25］取不同类型地震波进行振动台试验，研究了断层处桩基础的动力特性；唐柏赞等［26］通过可液化场地条件下的振动台试验，研究了随液化程度增加，变截面结构不均匀沉降和倾斜现象的发展情况；钱德玲等［27-28］基于MARC 数值仿真及振动台模型试验，建立地震下的桩-结构相互作用体系，研究体系在地震作用下的层间剪力及力矩，得到了发生液化后新型变截面桩（支盘桩）可有效提高结构抗震能力的结论.

对比以上研究发现，均是关于软土场地条件下单桩基础的动力响应研究，缺乏对不同类型地震波作用时软土场地条件下大直径变截面群桩基础动力响应特性的研究.本文依托翔安大桥实际工程，通过振动台试验，分析了4 种类型地震波作用下软土震陷特性及变截面群桩动力响应特性，为软土场地的桥梁桩基设计提供依据.

1 工程背景

厦门第二东通道翔安大桥位于第四纪地层中，拟建区地震设防烈度为Ⅶ度，设计地震加速度峰值为0.15g.根据翔安大桥地质勘查报告，场地内含有较厚软土层，震陷灾害发生可能性较大，亟须对此开展专项研究.翔安大桥均采用桩基础，其中H04墩承台下设有4 根大直径变截面桩，如图1 所示.其桩长45 m，桩径2.5 m（2.15 m）、桩间距5.4 m，承台尺寸为14.8 m×11 m×4.5 m.桩侧土层分布由桩顶至桩端分别为软土（15 m）、强风化花岗岩（22.5 m）、中风化花岗岩（25 m）.

图1 H04桩基础原型示意图Fig.1 Schematic diagram of H04 pile foundation prototype

2 振动台模型试验设计

2.1 振动台设备参数

本次试验采用中国地震局工程力学研究所的三向六自由度振动台，其相关参数见表1.

表1 振动台参数Tab.1 Shaking table parameters

试验选取3.05 m×1.7 m×1.8 m 模型箱，如图2 所示.考虑“模型箱边界效应”，在试验中设置模型地基尺寸与结构尺寸之比为5［29］，并在模型箱四周充填20 mm厚的泡沫，以降低试验过程中地震波反射的影响［30］.

2.2 试验相似比

根据Bockingham π 理论，结合试验及工程实际情况，试验尺寸相似比设计为1∶50.选取结构尺寸l、弹性模量E、结构质量密度ρ、加速度a为基本物理量，其相似常数分别为1/50、1/3.5、1、1.充分考虑地震荷载相似性，得出速度v、时间t、应力σ的相似常数分别为501/2、1/501/2、1/3.5.考虑到惯性力效应和重力效应的影响，在桩顶处加置400 kg人工质量，使得振动台实际承载能力与人工质量的相似程度更加精确.

ma的计算公式如式（1）：

式中：ma为人工质量；CE为弹性模量相似常数；Cl为结构尺寸相似常数；mp为原型质量；mm为模型质量.

2.3 模型桩及模型土设计

翔安大桥大直径变截面群桩选用C35 水下海工耐久混凝土，抗压强度为48 MPa，选用微粒混凝土配置桩身，测得其抗压强度（28 d）为14 MPa，符合相似比关系.钢筋采用镀锌铁丝模拟，桩身配筋率2.4%，主筋材料选取4 根直径为4 mm 的镀锌铁丝，并配置抵抗剪切作用的螺旋箍筋，箍筋选取1 根直径为2.8 mm 的镀锌铁丝.模型桩桩长90 cm，桩径5.0 cm（4.3 cm），桩间距10.8 cm，承台尺寸为29.6 cm×22 cm×9 cm，模型桩如图3所示，具体参数见表2.

图3 模型桩示意图Fig.3 Schematic diagram of model pile

基于翔安大桥地质勘查资料，中风化花岗岩抗压强度为68 MPa，试验以土体抗压强度作为主要控制指标，采用微粒混凝土模拟中风化花岗岩，测得其抗压强度（28 d）为19 MPa，符合相似比关系.采用液限仪测得模型土液限，如图4 所示.试验模型土参数见表3，根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021―2001）［31］，天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限的细粒土为软土.

表3 模型土参数Tab.3 Model soil parameter

图4 液限仪Fig.4 Liquid limit device

采用筛分法测得模型土及原状土的级配曲线如图5所示.

图5 土的级配曲线Fig.5 Gradation curve of soil

2.4 地震波选取

本次振动台模型试验为不同类型地震波作用下软土震陷特性及大直径变截面群桩动力响应分析，地震波类型为5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro波，如图6 所示.5010 波和1004 波为针对翔安大桥场地人工合成的地震波，Kobe 波为1995 年日本阪神地震记录的地震波，El-Centro 波为世界上第一条成功记录全过程数据的地震波.其中5010波和1004波较Kobe波和El-Centro波频率更高，高幅值持续时间更长.

图6 地震波Fig.6 Seismic waves

2.5 试验工况及测试元件

本次振动台模型试验选取地震波强度0.15g时的四种类型地震波（5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波），研究不同类型地震波作用下震陷场地大直径变截面群桩桩周土层震陷量、桩身加速度响应、桩顶水平位移响应及桩身弯矩响应.试验工况见表4.

表4 试验工况Tab.4 Test conditions

在模型桩的桩顶、软土层中部、土层分界面、变截面及基岩面对称布设电阻式应变片，并对应变片涂抹环氧树脂进行防水处理.考虑承台在地震作用下的惯性力，将加速度传感器、拉线相对式位移传感器分别布设于桩身及桩顶.测试元件布设如图7所示.

图7 测试元件布设（单位：cm）Fig.7 Layout of test components（unit：cm）

3 试验结果分析

3.1 土层震陷量分析

地震荷载作用下，软土地基将产生不同程度的变形且不能完全恢复，使土体发生震陷［32］.地震动强度为0.15g时四种类型地震波（5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下四桩基础桩周土层震陷量变化规律如图8所示.

图8 桩周土层震陷量变化规律Fig.8 Variation law of seismic subsidence of soil layer around pile

不同类型地震波作用下，软土均发生震陷.在5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波作用下，桩周土层震陷量分别为0.18 cm、0.21 cm、0.22 cm、0.16 cm，产生这种现象的原因是软土在地震荷载下抗剪强度降低，土体模量减小，宏观表现为土体“软化”；其次，地震动荷载作用下，地震惯性力作用效应明显，土体剪应力增大，导致土体发生滑动，土体塑性变形发展较快，产生沉陷；最后，长期荷载下软土产生再固结变形.

3.2 桩身加速度动力响应分析

3.2.1 桩身加速度响应

桩身加速度放大系数是指输出峰值加速度αmax与输入地震动峰值加速度α′max之比［33］.

地震动强度为0.15g时四种类型地震波（5010波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下大直径变截面群桩基础桩身加速度及桩顶加速度放大系数变化规律如图9、图10所示.

图9 桩身加速度变化规律Fig.9 Variation law of pile acceleration

图10 桩顶加速度放大系数Fig.10 Pile top acceleration amplification factor

由图9 可知，地震波类型不同时，大直径变截面群桩基础桩身加速度均沿桩端至桩顶逐渐增大，但仍存在一定差异，桩身加速度分别在1004 波和Kobe波作用下达到最大、最小值.这是因为不同类型地震波的峰值、频率、周期等频谱特性存在明显差异，且软土对不同类型地震波的放大程度不同.群桩基础桩身加速度在软土层中增长速度较强风化花岗岩层中更快，即加速度由桩端传至桩顶，其加速度反应有所增大，这是因为，一方面地震作用下软土层发生震陷，强度降低；另一方面，桩顶嵌入承台，而输入地震波频率不同于承台结构的自振周期，对承台结构的影响较小，因此下部桩基加速度反应大于承台.群桩基础桩身变截面位于强风化花岗岩中，变截面位置处加速度发生突变，显著增大，这是因为软土层发生震陷，桩周土层覆盖范围减小，桩基础自由长度增大，岩土体对桩身整体约束作用减弱，桩-土整体稳定性较差.

由图10 可知，地震波类型不同时，桩顶加速度均存在放大效应，这是因为软土震陷后强度降低，地震波传递介质“疏密”程度发生变化，受惯性影响，透射波振幅大于入射波振幅，宏观表现为桩顶加速度增大.在5010、1004、Kobe、El-Centro 地震波作用下群桩基础桩顶加速度放大系数分别为1.30、1.53、1.16、1.36，均大于1.0，说明放大程度与输入地震波周期、频率等因素及桩周土层对地震波的敏感程度有关.

3.2.2 桩身加速度动力时程响应分析

在不同类型地震波作用下，桩顶、变截面处及桩端加速度时程响应变化规律如图11～图13所示.

图12 变截面处加速度时程响应Fig.12 Acceleration time history response at variable cross section

图13 桩端加速度时程响应Fig.13 Response of pile tip acceleration time history

从图11～图13 中可以看出，群桩基础的桩顶、变截面处、桩端加速度时程响应规律均随着输入地震波类型的变化而变化，但与输入地震波形状大致相同.相比而言，地震波类型相同时，群桩基础的桩端加速度时程响应曲线更为“密集”，这是因为，一方面软土层发生震陷后强度降低，对地震波存在一定的“滤波”作用；另一方面，桩端加速度时程响应曲线含较多的高频成分，对输入地震波的高频成分响应更敏感，而变截面处于强风化花岗岩层，未发生震陷，对输入地震波的频率干扰较小.

不同类型地震波作用下，桩身不同位置处与输入地震波两者加速度峰值时刻均不同，且桩身加速度峰值出现时刻较晚，以5010 波为例，桩顶、变截面处、桩端加速度峰值分别出现在14.5 s、16.29 s、19.71 s，与地震波峰值出现时刻相比分别滞后了6.92 s、8.71 s、12.13 s.

3.3 桩顶水平位移动力响应分析

地震动强度为0.15g时四种类型地震波（5010波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下群桩基础桩顶水平位移时程响应如图14所示.

图14 桩顶水平位移时程响应Fig.14 Time history response of pile top horizontal displacement

由图14 可知，不同类型地震波作用下，群桩基础桩顶水平位移变化不同.在5010波、1004波、Kobe波及El-Centro 波作用下，群桩基础桩顶水平位移分别在23.04 s、13.11 s、10.77 s 和7.31 s 时刻达到振幅最大值.35 s 后地震动逐渐削弱，在5010 波和1004波作用下，桩顶水平位移均不再变化，位移时程曲线近似变成一条直线，但地震消失后位移并未回到零处，其基线产生偏移，即在振动停止后桩顶产生永久侧向位移，这是因为在地震作用下，软土发生震陷，此时桩基础周围土层约束减小，桩基础侧向力减小，导致桩顶变形增大.

由图14 可知，群桩基础桩顶水平位移最大值有所不同，5010波、1004波、Kobe波和El-Centro波作用下，桩顶水平位移最大值分别为0.51 mm、0.43 mm、0.58 mm、0.55mm.这是因为，一方面地震波类型不同时，震陷土层震陷量有所差异，震陷过程中，震陷土层对于桩基础的约束减小，导致其无法提供足够的桩侧土抗力，桩顶位移增加较快；另一方面，桩顶水平位移受地震波类型的影响，不同类型地震波周期、持时等特性有所不同.

3.4 桩身弯矩动力响应分析

3.4.1 桩身弯矩响应

地震动强度为0.15g时四种类型地震波作用下群桩基础桩身弯矩变化规律如图15所示.

图15 群桩基础桩身弯矩变化规律Fig.15 Variation law of bending moment of pile group foundation

由图15 可知，地震波类型不同时群桩基础桩身弯矩均由桩端至桩顶呈先增大后减小的变化规律，但由于不同类型地震波的频率、波长不同，桩身弯矩值存在一定差异.桩身弯矩最大值均出现在震陷土层和非震陷土层分界处，这是因为在地震作用下软土发生震陷，桩-震陷土发生相对运动，其结构产生破坏，引起桩身弯矩变大.

由图15 可知，不同类型地震波作用下，桩身弯矩最大值存在差异，5010 波、1004 波、Kobe 波、El-Centro波作用下，桩身弯矩最大值分别为32.33 kN·m、30.31 kN·m、42.68 kN·m、35.57 kN·m，相比而言，Kobe波作用下桩身弯矩最大值较大.

3.4.2 桩身弯矩动力时程响应分析

地震动强度为0.15g时四种类型地震波（5010波、1004 波、Kobe 波、El-Centro 波）作用下群桩基础桩身最大弯矩处时程响应如图16所示.

图16 桩身最大弯矩处时程响应变化规律Fig.16 Variation law of time history response at maximum bending moment of pile body

由图16 可知，桩基础弯矩在0～30 s 范围内振幅较大，整个地震历程中桩身产生大弯矩的持时较长.振动初期，桩周土承载力较高，侧向稳定性较强，故其对桩身影响较小，表现为变形和弯矩均较小；随着振动时长逐渐增加，桩身弯矩大幅增加且出现峰值，这是因为软土层发生震陷，产生的侧向抗力减小，致使作用在桩身上的荷载较大；振动后期，桩身弯矩显著减小，并最终趋于零.这说明桩基础在地震停止后，桩身未产生永久弯矩.

在四种地震波作用下，桩身弯矩均在不同时刻达到峰值.在5010 波、1004 波、Kobe 波和El-Centro波作用下，桩身弯矩达到峰值的时刻分别为10.63 s、9.82 s、10.92 s、4.72 s.

4 结论及工程建议

结合翔安大桥工程实际情况及振动台试验结果，得出以下结论：

1）地震作用下，软土层抗剪强度降低，土体模量减小，土体“软化”；受地震惯性力效应影响，剪应力增大，产生塑性变形；长期荷载作用下，产生再固结变形，导致软土层发生震陷，震陷量为0.16～0.22 cm，其值与输入地震波的频谱特性有关.

2）四种类型地震波作用下，群桩基础的桩顶、变截面处、桩端加速度时程响应规律均与输入地震波形状大致相同，但桩端加速度时程响应曲线更为“密集”；软土对加速度产生放大效果，且输入地震波加速度峰值出现时刻均早于桩身；桩身加速度分别在1004波和Kobe波作用下达到最大、最小值.

3）Kobe 波作用时桩顶水平位移最大，其次为El-Centro 波、5010 波和1004 波；在5010 波和1004 波作用下，桩顶产生永久侧向位移.

4）四种类型地震波作用下，桩身弯矩变化规律基本相同，均由桩端到桩顶呈先增大后减小的变化规律；Kobe 波作用下，桩身弯矩峰值最大，且弯矩峰值出现时刻最晚.

针对振动台试验研究结果，提出以下工程建议：

1）软土场地条件下进行桥梁桩基抗震设计时，应着重考虑震陷土层与非震陷土层分界处、变截面附近处的抗弯能力，以满足桥梁工程抗震设防烈度要求.

2）大直径变截面群桩基础进行抗震设计时，针对不同桩基特性可选用不同地震波类型进行抗震设计验算，其中，加速度时程响应可选1004 波验算，桩顶相对位移及桩身弯矩时程响应可选取Kobe 波进行验算分析.