Field tests on dynamic response of pile foundation under excitating loads
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摘要: 为了研究水平和竖向激振动力荷载作用下单桩和群桩的承载特性，设计了水平和竖向激振荷载下单桩、两桩、三桩和四桩在多层土中的动力试验方案。对现场试验数据采集得到了单桩、两桩、三桩和四桩的桩头位移，分析了桩头位移随着激振频率和桩数的变化规律。基于试验结果，给出了单桩、两桩、三桩和四桩的水平和竖向刚度，分析了桩头刚度随着桩数和激振频率的变化规律。并采用刚度得到了群桩动力效率系数，分析了动力效率系数随着群桩桩数和振动频率的变化规律。试验结果给出了位移、桩头刚度和群桩相互作用系数的变化规律，为简化理论计算方法和验证计算模型提供了宝贵的数据。Abstract: To study the bearing characteristics of single pile and pile groups under horizontally and vertically excitating dynamic loads, a dynamic test plan is designed for single pile, two piles, three piles and four piles in multi-layer soil under horizontally and vertically excitating loads. The pile-head displacements of single pile, two piles, three piles and four piles are obtained from field test data, and the variation laws of the pile-head displacements with excitating frequency and pile number are analyzed. Based on the test results, the horizontal and vertical stiffnesses of single pile, two piles, three piles and four piles are given, and the variation of pile-head stiffness with the number of piles and excitating frequency is analyzed. The dynamic efficiency coefficient of the pile group is obtained through the stiffness, and its variation laws with the number of piles in the pile group and vibration frequency are analyzed. The test results may provide valuable data for simplifying the theoretical methods and verifying the relevant models through changes in displacement, pile-head stiffness and interaction coefficient of pile groups.
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Keywords:
- field test /
- pile foundation /
- dynamic response /
- excitating load /
- group pile stiffness
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0. 引言
桩基础由于承载力高、沉降量小、抗液化和抗拉拔能力强而被广泛应用，桩基作为高层建筑、桥梁和港口的基础，不仅要承受上部结构传递的荷载，还要承受风、地震、机械振动和其他人为活动产生的动力荷载[1]。针对桩基础的动力响应，学者已开展了大量的研究，主要包括理论分析[2-8]、室内模型试验[9]和数值模拟[10]，现场试验的研究相对较少。
目前通过试验方法研究桩基础的动力响应主要以室内模型试验为主[11-13]，系统的现场试验研究未发现。本文通过系统的场地试验研究了多层土中单桩和群桩在水平和竖向荷载下的动力响应，通过位移幅值曲线分析了桩与桩之间的相互作用规律。基于试验结果得到了单桩和群桩的水平刚度和竖向刚度，并研究了刚度和群桩效率系数随着桩数的变化规律。
1. 激振试验加载方案
试验所采用的激振设备为动刚度变频多功能激振器JZQN-30/50，其利用1台变频电动机通过1根刚性轴连接并驱动2台振动器，调整2台振动器的不同组合，实现竖向、水平和扭转振动。设备振动频率为1~50 Hz，竖向、水平激振力为0.09~35.17 kN，激振设备的外形尺寸为1600 mm×380 mm×497 mm。激振设备的振动频率由频率控制器控制，通过频率控制器调节频率的大小来改变离心质量块的转速，以控制激振力的大小，加载系统实物图如图 1所示。
2. 现场试验概况
桩所在的土层从上到下分为三层：第一层为杂填土，重度为1.70 g/cm3，厚度为2.4 m；第二层为粉质黏土，重度为1.86 g/cm3，厚度为8.2 m；第三层为粉质砂，重度为1.60 g/cm3，厚度为5.6 m。桩的下端嵌于粉砂中，距地面的深度为12.8 m，桩头嵌入承台0.2 m。勘测结果显示，土体从上到下分别为杂填土1-1、粉质黏土2-2和粉质砂2-3。土层力学性能指标见表 1。
表 1 土层力学参数Table 1. Mechanical parameters of soil layers层号 含水率w/% 相对质量密度Gs 重度γ /(kN·m-3) 干重度γd/(kN·m-3) 孔隙比e 塑性指数IP 液性指数IL 2-2 42.3 2.73 17.4 12.2 1.20 15.2 1.21 2-3 26.2 2.69 18.5 14.7 1.00 8.0 0.78 试验分组包括单桩、两桩、三桩和四桩，每组试验所选用的桩长、桩径、壁厚和桩身混凝土均相同。试验所采用的试验桩为预应力高强混凝土管桩，高强混凝土管桩型号为PHC-500-A-130-C80-13，即桩长为13 m，桩径和壁厚分别为500 mm和130 mm。桩身采用高强混凝土C80。单桩、两桩、三桩和四桩的现场试验图片如图 2所示，加速度传感器和位移传感器沿竖向布置，桩间距为0.9 m。
3. 试验结果与分析
3.1 试验结果
在激振荷载作用下，提取单桩、两桩、三桩、四桩的位移时程曲线中每个周期中最大的位移，得到水平位移幅值曲线，如图 3所示。从图 3可以发现，任意激振频率对应的单桩的水平位移幅值最大，四桩的水平位移最小，但是单桩与群桩的水平位移幅值曲线并不是倍数关系。这是因为群桩中的桩与桩之间存在相互的作用，且此互相作用受桩间距的影响很大；此外，随着频率的增大，单桩、两桩、三桩、四桩的位移幅值逐渐增大，因激振力幅值Q（Q = meeω2）是频率的二次方，激振力随着频率的增大持续增大，导致桩头位移随着时间的增大而增大。
单桩、两桩、三桩、四桩竖向位移幅值曲线如图 4所示，从图中可以发现，单桩的竖向位移幅值最大，四桩的竖向位移最小，且单桩与群桩的竖向位移幅值曲线并不是倍数关系。这是因为群桩中的桩与桩之间存在相互的作用。
3.2 刚度分析
采用《地基动力特性测试规范》（GB/T 50269—2015）给出的计算方法可求得单桩、两桩、三桩、四桩的水平弯曲刚度和竖向刚度随着频率的变化结果，如图 5和图 6所示。从图 5，6可以发现随着群桩桩数的增多，群桩的水平刚度和竖向刚度得到了提高，群桩作为一个整体随着桩数的增多抵抗变形的能力增大。但是，由于桩与桩之间相互存在影响，导致单桩与群桩的刚度并不是倍数关系。这是因为群桩在水平荷载作用下，后排桩受到的土抗力有限，且群桩中桩与桩之间的相互作用，使群桩的桩头刚度与单桩的桩头刚度不成倍数关系。在0~50 Hz范围内，随着频率的增大，单桩、两桩、三桩和四桩的水平刚度先增大后减小。
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图 5 单桩和群桩的水平刚度随着频率的变化规律Figure 5. Variation of horizontal stiffness of single pile and pile groups with vibration frequency![]()
图 6 单桩和群桩竖向刚度随着频率的变化规律Figure 6. Variation of vertical stiffness of single pile and pile groups with vibration frequency3.3 群桩动力效率系数
动力荷载作用下，群桩中的任意一根桩不仅要受到直接力包括桩周围的土抗力和桩头的荷载，还要受到邻近桩在振动过程中产生的波的影响。将群桩振动过程中对其它桩存在影响的桩称之为主动桩，群桩在振动过程中接受其它振动产生波的影响的桩称之为被动桩。水平动力荷载下群桩中任意一根桩的振动以波的形式对邻近桩产生影响。
通过图 5给出的单桩和群桩的水平刚度，计算得到的水平群桩动力效率系数如图 7所示。从图 7中可以发现，随着频率在10~50 Hz范围内增大，四桩动力效率系数逐渐减小，但是减小的幅值不大，两桩、三桩和四桩的水平群桩动力效率系数基本上保持不变，随着桩数的增多，水平群桩动力效率系数在降低。这是由于随着桩数的增多，群桩中的每根桩均对邻近桩存在影响，随着桩数的增多，这种影响会叠加，使水平群桩动力效率系数降低。
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图 7 水平群桩动力效率系数随着频率的变化规律Figure 7. Variation of horizontal dynamic efficiency coefficient of pile groups with vibration frequency通过图 6给出的单桩和群桩的竖向刚度，计算得到的竖向群桩动力效率系数如图 8所示。随着频率在10~50 Hz范围内增大，两桩、三桩和四桩的竖向群桩动力效率系数基本上保持不变，随着桩数的增多，水平群桩动力效率系数在降低。
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图 8 竖向群桩动力效率系数随着频率的变化规律Figure 8. Variation of vertical dynamic efficiency coefficient of pile groups with vibration frequency对比图 8和图9可以发现，在相同的桩数条件下，竖向群桩动力效率系数大于水平群桩动力效率系数，这说明群桩在动力荷载作用下，水平振动的群桩的桩与桩之间的相互影响更大，这是因为桩与桩之间的相互影响由土传递，水平荷载作用下桩以正应力和剪应力组合的形式传递给土体[8]，而竖向荷载作用下土体仅传递了剪应力[14]。
4. 结论
本研究设计了单桩和群桩的水平和竖向振动现场试验，得到了单桩、两桩、三桩和四桩的水平、竖向的位移幅值曲线。结合《地基动力特性测试规范》（GB/T 50269—2015）给出的计算方法得到了单桩、两桩、三桩和四桩的水平、竖向刚度，并基于刚度得到了群桩动力效率系数。通过分析得到以下结论：
（1）随着频率的增大，单桩、两桩、三桩和四桩的水平位移幅值整体呈现增大的趋势，单桩的水平位移幅值最大，四桩的水平位移最小；群桩的水平位移幅值与单桩的位移幅值不成比例关系，这是因为群桩中的桩与桩之间存在相互的作用，且桩与桩之间的相互作用受桩间距的影响很大。
（2）两桩、三桩和四桩的水平与竖向群桩动力效率系数随着频率在10~50 Hz范围内变化不大；随着桩数的增多，水平群桩动力效率系数在降低。此外，还发现竖向群桩动力效率系数大于水平群桩动力效率系数。
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图 5 单桩和群桩的水平刚度随着频率的变化规律
Figure 5. Variation of horizontal stiffness of single pile and pile groups with vibration frequency
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图 6 单桩和群桩竖向刚度随着频率的变化规律
Figure 6. Variation of vertical stiffness of single pile and pile groups with vibration frequency
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图 7 水平群桩动力效率系数随着频率的变化规律
Figure 7. Variation of horizontal dynamic efficiency coefficient of pile groups with vibration frequency
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图 8 竖向群桩动力效率系数随着频率的变化规律
Figure 8. Variation of vertical dynamic efficiency coefficient of pile groups with vibration frequency
表 1 土层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of soil layers
层号 含水率w/% 相对质量密度Gs 重度γ /(kN·m-3) 干重度γd/(kN·m-3) 孔隙比e 塑性指数IP 液性指数IL 2-2 42.3 2.73 17.4 12.2 1.20 15.2 1.21 2-3 26.2 2.69 18.5 14.7 1.00 8.0 0.78 
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