焦 涛1，李梁慧，刘德辉

(1.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064； 2.河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004)

1 概述

随着人类活动的需要以及社会城市化的发展，大多数天然地基已不能完全满足工程的要求，所以刚性桩复合地基应运而生。刚性桩复合地基主要通过具有较大刚度的桩(混凝土桩以及具有较高强度等级的CFG桩等)对强度或变形不能符合要求的地基进行加强而形成的一种非均质人工地基[1]。此类地基造价低并且具有较强的承载能力，因而在土木工程中得到广泛应用[2]。

刚性桩复合地基主要通过砂石褥垫层调节桩-土的荷载分担比，改善地基承载力以及沉降的问题。而在地震作用下，复合地基中刚性桩的受力机理也因砂石褥垫层的加入而变得更加复杂，因此刚性桩的动力响应是确定复合地基的抗震能力的关键。若对刚性桩复合地基的抗震性能不进行深入研究，将会在一定程度上影响刚性桩复合地基的使用[3]。

由于现场试验对于研究复合地基的抗震性能来说较为困难，因此本文依据相似理论，采用相似比为1∶10的刚性桩地基复合模型进行模型试验，并保证复合地基的模型试验环境与实际环境相似。通过一套自创的试验系统，采用拟动力试验来研究此类地基的抗震性能[4～6]。试验选取了4组代表性地震波，并按照相关规范，对地震波的加速度峰值和上部施加荷载的数值进行调整，以此获得不同工况下桩身响应的试验结果。通过对试验结果的分析与归纳，可为刚性桩复合地基的理论研究提供试验依据，并可为此类复合地基的抗震设计提供理论支撑。

2 试验概况

根据相似性理论，并综合考虑拟动力试验系统、模型自身性质等因素，刚性桩复合地基的试验模型选取长度相似比为1∶10，材料弹性模量相似比为1∶1，加速度相似比为1∶1，质量密度相似比为1∶1，应力与应变相似比为1∶1[7-11]。

试验装置主要由10 mm厚钢板加工制作而成的砂箱(直径为1.3 m，高为1.8 m)、砂土以及3×3的群桩模型组成。将砂土装入砂箱模拟地基，并且每隔20 cm进行夯实，再埋入3×3的群桩模型到合适位置，最后用0.9～4 mm的小碎石平铺30 mm的褥垫层即可。

试验中采用的材料是河南地区的砂土，含水率为5.7%。模型桩的内径为18 mm，外径为25 mm，桩长900 mm，其材料为三型聚丙烯管材(PP-R)，高强且取材方便。桩头与三型聚丙烯管材加工成的堵头进行热焊接。相关参数通过拉伸、压缩试验测定：模型桩的弹性模量为1.27×103MPa，模型桩泊松比为0.36。

在结构实验室通过大型电液伺服加载系统模拟地震作用，由竖向接长杆传递竖向压力，模拟施加在地基上的上部荷载，由连接作动器的水平接长杆与钢筒连接模拟水平地震作用力。其中竖向接长杆上下焊接了 20 mm 厚的钢板，板的尺寸为50 cm×50 cm ，保证竖向压力可以均匀施加在群桩模型上。

在模型桩身上粘贴5 mm×3 mm电阻应变片观察桩身的应变响应，在距离桩顶3 mm处设置1号测点，并间隔12 mm，沿桩身自上而下依次设置测点，每根桩共设置8个测点。具体如图2所示。

图1 刚性桩复合地基模型拟动力试验Figure 1 Rigid pile composite foundation model under quasi-dynamic test

1、竖向接长杆 2、承台板 3、垫层中埋设的应变片 4、水平向土压力传感器 5、竖向土压力传感器 6、砂箱 7、桩身上粘贴的应变片 8、模型桩图2 拟动力试验监控点布置图(单位：mm)Figure 2 Sketch of monitoring points for pseudo dynamic test(Unit:mm)

3 桩身应变时程曲线

试验中模型桩布置如图3所示。

1、水平接长杆 2、砂箱与水平接长杆的连接构件 3、模型桩 4、砂箱图3 桩位布置示意图(单位:mm)Figure 3 Sketch of pile position(Unit:mm)

本文以11号桩在El Centro波作用下的结果为例，绘制桩身各测点应变时程曲线。其中El Centro波的加速度峰值为35 cm/s2，上部荷载为18 kN。分别提取桩上1、2、4、6号测点的试验结果，并将应变片测量值减去初始值获得应变时程曲线，绘制时只考虑水平荷载作用下的应变情况，忽略上部荷载产生应变的影响。具体结果如图4所示(未列出其余桩身应变时程曲线)。

图4 桩身应变时程曲线Figure 4 Strain time history curve of pile at different measuring points

由此可得：11号桩的4号测点应变最大，为190 με，最大应变对应的时间点为3 s；1号2号测点分别于3 s、1 s时产生最大应变，分别为79和115 με，6号测点在10.5 s时应变最大为100 με。

观察在El Centro波的加速度峰值为35 cm/s2，上部荷载为18 kN的条件下，其余各个桩的桩身应变时程曲线的结果，分析可得：

a.各桩最大应变基本发生在离桩顶39 cm的位置，即4号测点的应变值最大，且沿桩身自上而下，应变值呈先增大后减小的趋势变化。

b.各测点发生最大应变的时间不同，即同一时刻下，各测点不会全部达到最大应变。

c.观察全部应变时程曲线，可见：在3×3的群桩模型中，中心处桩的最大应变值最小，其次是边部中桩，而角部桩产生的应变最大。

3 内力绝对值包络图(见图5～图11)

工况一：上海人工波(7度多遇，上部施加荷载18 kN)

图5 内力包络图(上海人工波，7度多遇，上部施加荷载18 kN)Figure 5 Peak moments and peak shear forces for piles in Shanghai artificial wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工况二：Taft波(7度多遇，上部施加荷载18 kN)

图6 内力包络图(Taft波，7度多遇，上部施加荷载18 kN)Figure 6 Peak moments and peak shear forces for piles in Taft wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工况三：宁河波(7度多遇、上部施加荷载18 kN)

图7 内力包络图(宁河波，7度多遇，上部施加荷载18 kN)Figure 7 Peak moments and peak shear forces for piles in Ninghe wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工况四：El Centro波(7度多遇、上部施加荷载18 kN)

图8 内力包络图(El Centro波，7度多遇，上部施加荷载18 kN)Figure 8 Peak moments and peak shear forces for piles in EI Centro wave(earthquake action:7degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工况五：El Centro波(8度多遇，上部施加荷载18 kN)

图9 内力包络图(El Centro波，8度多遇，上部施加荷载18 kN)Figure 9 Peak moments and peak shear forces for piles in EI Centro wave(earthquake action:8degree frequent occured earthquake，vertical load:18 kN)

工况六：El Centro波(8度多遇，上部施加荷载28 kN)

图10 内力包络图(ElCentro波，8度多遇，上部施加荷载28 kN)Figure 10 Peak moments and peak shear forces for piles in EI Centro wave(earthquake action:8degree frequent occured earthquake，vertical load:28 kN)

工况七：宁河波(8度多遇，上部施加荷载28 kN)

图11 内力包络图(宁河波，8度多遇，上部施加荷载28 kN)Figure 11 Peak moments and peak shear forces for piles in Ninghewave(earthquake action:8degree frequent occured earthquake，vertical load:28 kN)

对上述所有不同工况下的内力包络图分析可得到以下结果：

a.群桩中每一根桩，桩顶处的剪力最大，这是由于褥垫层与桩的材料不同导致的，而末端剪力在大多数情况下仅次于桩顶，并且剪力在Z/L在0.3到0.43的区间内产生最小值。

b.不同位置桩的桩身剪力响应有一定规律性，即角部位置的桩身剪力值均比其余边部、中心处的桩身剪力值大。由此可见中心桩处周围的土体承担的剪力最大，桩-土协同工作的能力较边界处强。

c.群桩中每一根桩，其最大弯矩值均发生在Z/L从0.3～0.43的区间内，与剪力包络图的结果保持一致。

d.不同位置桩的桩身弯矩响应有一定规律性，即中心处的桩弯矩最小，边中桩较大，角部位置的桩弯矩最大，且各测点的弯矩均比其余桩大。

e.由7度多遇和8度多遇的El Centro波作用下的响应结果可得：上部荷载不变时，剪力与弯矩均随加速度的增大而增大，相应的内力包络图也会发生变化。

f.保持加速度峰值为7度多遇，对比上部荷载分别为18、28 kN的El Centro波作用下的响应结果，可得：加速度峰值不变，剪力与弯矩均会随着上部荷载的增大而增大，相应的内力包络图也会发生变化。且相比加速度改变时的增涨幅度，增加上部荷载，桩身的内力响应的增幅更大。即上部荷载对复合地基的抗震能力影响比地震波本身加速度变化所产生的影响要大。这主要是由于增加上部荷载会增强桩与褥垫层的结合，更好地发挥了桩、土协同工作的性能。

g.对比7度多遇、上部荷载18 kN的宁河波以及El Centro波；8度多遇、上部荷载28 kN的宁河波以及El Centro波的响应结果，可得：剪力与弯矩响应会随着加速度峰值以及上部荷载的增大而增大。

h.对于相同加速度和上部荷载的不同波型地震波，对比它们作用下的响应结果，可知：上海人工波以及宁河波作用下的桩剪力和桩弯矩值最小，El Centro波作用时，桩的地震响应相对较大，而在Taft波作用时桩的反应最大。

4 结论

通过对刚性桩复合地基模型拟动力试验研究，可归纳出以下结论：

a.本文在相似理论的基础上，采用相似比为1∶10的刚性桩复合地基模型进行拟动力试验，通过施加地震波加速度时程以及上部荷载，成功获得模型桩身各测点的应变时程，顺利完成试验。说明本文试验方法可行，并可以推广应用到其他复合地基抗震性能的研究上。

b.由试验结果可知，距桩顶下27～39 cm的长度范围内(即Z/L=0.3～0.43区间)桩身产生最大应变，此范围为桩身薄弱区，但桩身整体的应变仍较小。

c.由试验数据得到的内力包络图可知：①对于每一个桩，桩顶为最大剪力发生处；②对比不同位置的桩，角部位置的桩身剪力响应值最大；③对比不同位置的桩，各角桩的桩身弯矩响应大于边中桩，而边中桩又大于中心桩；④保持施加上部荷载一致，增大地震波加速度，相应的剪力和弯矩响应也会增大；⑤保持地震波的加速度峰值不变，增大施加的上部荷载，剪力和弯矩响应会有比改变加速度更大的增涨幅度。