高幸¹, 贾金青¹, 王维玉², 张丽华¹
1. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024;
2. 河北省建筑科学研究院, 河北 石家庄 050021
收稿日期：2020-11-03
基金项目：国家重点研发计划项目(2018YFC1505302)；国家自然科学基金资助项目(51678112)。
作者简介：高幸(1992-), 男, 河北秦皇岛人, 大连理工大学博士研究生;
贾金青(1962-), 男, 河北沧州人, 大连理工大学教授, 博士生导师。

摘要：地震中, 桩基础常常因抗弯能力不足或位移过大而发生破坏.为改善桩基的抗震性能, 研发了一种上部为橡胶混凝土、下部为常规混凝土的组合桩.为分析组合桩的抗震性能, 在施工现场采用落锤激振模拟震源, 对组合桩进行现场足尺试验研究.研究表明：桩顶荷载产生侧向约束, 可增强桩基抗震性能.试验中, 橡胶混凝土桩段与桩身长度比小于1/6时, 荷载约束影响深度为橡胶混凝土桩段长度, 橡胶混凝土桩段与桩身长度比大于1/6时, 荷载约束影响深度恒为1/6桩长.桩位临近震源, 橡胶混凝土桩段减震作用明显, 随着桩位远离震源, 橡胶混凝土桩段减震性能降低, 且不再全长发挥作用.减震效率和橡胶混凝土桩段与桩身长度比值的拟合曲线呈S形, 抗震设计时, 不可采用持续增加橡胶混凝土桩段长度的方式提高桩的抗震性能.
关键词：桩足尺试验橡胶混凝土抗震性能减震效率
Study on Seismic Performance of Rubber Concrete and Conventional Concrete Composite Pile
GAO Xing¹, JIA Jin-qing¹, WANG Wei-yu², ZHANG Li-hua¹
1. The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
2. Research Institute of Architecture Science of Hebei, Shijiazhuang 050021, China
Corresponding author: JIA Jin-qing, E-mail: jiajq@dlut.edu.cn.

Abstract: In earthquake, the pile foundation is often damaged due to the insufficient bending moment resistance and excessive displacement. In order to improve the seismic performance of the pile foundation, a composite pile with rubber concrete at the top and conventional concrete at the bottom was developed. In order to analyze the seismic performance of composite piles, a drop hammer was used to simulate the earthquake source, and a full-scale field test was conducted on the composite piles. The results show that load on the pile top can enhance the seismic performance of the pile foundation. In the test, when the ratio of the rubber concrete pile length to the total pile length is less than 1/6, the depth of the load constraint effect is equal to the rubber concrete pile length. When the ratio of the rubber concrete pile length to the total pile length is more than 1/6, the depth of the load constraint effect is a constant of 1/6 of pile length. The damping effect of the rubber concrete pile is significant if the pile is close to the earthquake source, while it decreases with the increase of the distance from the seismic source, and the rubber concrete section of the pile no longer plays a role in the whole length. The fitting curve of the damping efficiency and the ratio of the rubber concrete pile length to the total pile length is S-shaped. During the seismic design, it is not suitable to continuously increase the length of the rubber concrete pile to improve the seismic performance of the pile.
Key words: pilefull-scale testrubber concreteseismic performancedamping efficiency
地震是全球最严重的自然灾害之一, 根据联合国统计, 全世界每年地震次数高达550万次.我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间, 是一个地震多发国家, 几乎所有省、直辖市、自治区都发生过6级及以上的破坏性地震.频发的地震灾害不仅危及人类生命财产安全, 而且造成交通设施及建筑物的严重破环.
震害中, 桩基础常常因为抗弯矩能力不足或产生过大位移, 于桩头位置发生破坏^[1].为此, 国内外专家深入研究桩基抗震的方法, Love等^[2]提出用调谐液体阻尼器(TLD)来控制基础隔震的措施；Han等^[3]研发了一种包括两个同心管和NiTi记忆型合金的动态阻尼器；van der Eijk等^[4]充分考虑温度的影响, 开发了一种可兼顾不同温度的NiTi记忆型合金阻尼器；De Domenico等^[5-6]对传统TMD阻尼器做出改进, 提出一种用于基础隔震的新型TMDI阻尼器, 展现出卓越的隔震性能, 特别适用于非线性基础隔震结构；Ismail等^[7]提出了一种基于滚动隔震支座的改进型RNC支座, 数值评估结果表明, 该装置可有效减弱不同地震动下的地震反应；Wang等^[8]依托振动台试验系统分析了FPS、DCPF和TFPS三种滑动隔震装置的隔震性能, 发现DCPF和TFPS支座隔震效果优于FPS支座；Callisto等^[9]将桩与沉箱间的砾石层视为耗散层, 研究发现强震下可激活砾石层, 起到有效的隔震作用；薛江炜等^[10-11]研发了桩伴侣耗能构件, 可避免或延迟桩头破坏.但橡胶混凝土在建筑结构抗震领域的应用却鲜见报道.
随着国际制造业的高速发展, 全球橡胶消耗量逐年激增, 橡胶废料作为无法自然降解的"黑色"垃圾困扰着诸多国家^[12].为解决橡胶废料的污染问题, 可将其制备成橡胶混凝土用作建筑材料, 研究发现, 橡胶混凝土的延性、韧性均得到增强^[13-15], 其抗冲击能力、耗能性能与抗裂能力显著提高^[16].本文将橡胶混凝土应用于桩基抗震领域, 对不同橡胶混凝土桩段长度的动力响应进行研究, 分析了桩顶荷载、橡胶混凝土桩段长度等因素对组合桩抗震性能的影响, 给出了减震效率与橡胶混凝土桩段长度的拟合函数.
1 试验概况1.1 场地概况试验场地位于河北省邢台市宁晋县, 根据地质勘察波速测试, 该范围内土层等效剪切波速为140~250 m/s, 该场地土为中软场地土, 场地覆盖厚度大于50 m, 依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)判定建筑场地类别为Ⅲ类, 基本地震动加速度反应谱特征周期0.55 s^[17].试验区域场地抗震设防烈度为7度, 设计地震基本加速度值0.15 g, 所属设计地震分组为第一组.场地土层物理力学指标如表 1所示.
表 1(Table 1)

表 1 土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers 土层名称 土层厚度/m γ/(kN·m-3) C/kPa Ф/(°) 桩的侧阻力标准值qsik/kPa 桩的端阻力标准值qpk/kPa 承载力特征值 压缩模量 kPa MPa ①层素填土 1.5 18.0* 10.0* 10.0* 20 — — — ??②层粉土 3.5 19.3 18.3 27.4 42 — 120 7.09 ?②1层细砂 0.5 18.0* 0.0* 20.0* 25 — 130 7.0* ③层粉质黏土 4.2 19.3 30.6 18.0 53 500 130 7.31 ?③1层细砂 0.8 19.0* 0.0* 20.0* 25 — 140 8.0* ??④层粉土 4.2 19.6 23.7 29.3 62 800 150 8.87 ??⑤层粉砂 2.0 19.0* 0.0* 20.0* 46 1 700 160 10.0* ??⑥层粉土 3.2 19.4 28.9 25.0 62 1 400 170 7.05 注：带"﹡"者为经验值.

表 1 土层物理力学指标 Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

1.2 试验桩设计为研究橡胶混凝土桩段对桩基抗震性能影响, 本试验设计了4类试验桩.4类试验桩的橡胶混凝土桩段长度为0, 0.3, 0.5, 1.0 m.试验桩桩径为0.5 m, 桩长为6 m, 钢筋笼主筋选用6根C16的HRB400E抗震钢筋, 箍筋选用A8@200的HPB300热轧光圆钢筋, 具体布筋形式如图 1所示.桩身常规混凝土桩段采用C30混凝土, 桩身橡胶混凝土桩段以C40混凝土为基准混凝土, 掺加质量分数为1.31 % 的3~5 mm的橡胶颗粒制备而成^[18], 其适配强度与C30混凝土相同.基准混凝土配比如表 2所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 桩身配筋图Fig.1 Reinforcement of the pile

表 2(Table 2)

表 2 基准混凝土配比Table 2 Basic concrete proportioning 材料 水泥 砂子 石子 水 外加剂 矿渣粉 粉煤灰 用量/(kg·m-3) 272 729 1 049 168 10 91 91 质量配合比 0.6 1.61 2.31 0.37 0.022 0.2 0.2

表 2 基准混凝土配比 Table 2 Basic concrete proportioning

1.3 试验方案试验采用落锤激振模拟震源, 重锤质量为300 kg, 距夯击点位置9 m, 地上3 m, 地下6 m.为研究荷载对橡胶混凝土桩段动力响应的影响, 于桩顶部位设置堆载反力梁装置, 配重总质量为12 t, 堆载装置如图 2所示, 本试验中桩顶采用空载及90 kN加载.距离震源相等位置处, 4种桩型由近及远, 分别设置3根同种桩, 桩方位及距离如图 3所示.为分析橡胶混凝土桩段的减震性能, 于橡胶混凝土桩段顶端、橡胶混凝土桩段底端、常规混凝土桩段顶端等位置安装加速度传感器, 收集相关数据.本次试验选用TST126磁电式加速度传感器, 频率为0.25~100 Hz, 所测加速度最大量程为20 m/s², 分辨率为3×10^-6 m/s², 信号采集选用G01USB32型数据采集系统, 采样频率可达400 kHz, 加速度传感器安装位置如图 4所示.现场试验如图 5所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 堆载反力梁装置Fig.2 Counter-force surcharge beam

图 3(Fig. 3)

图 3 桩位分布图Fig.3 Pile location distribution

图 4(Fig. 4)

图 4 加速度传感器监测点位置Fig.4 Locations of the acceleration sensor monitoring points

图 5(Fig. 5)

图 5 加速度传感器监测试验Fig.5 Monitoring test of the acceleration sensors

2 试验结果分析2.1 桩顶荷载对组合桩抗震性能影响分析根据试验过程中采集的桩顶空载及90 kN加载的桩身加速度, 绘制如图 6所示的水平峰值加速度曲线图, 加速度是结构抗震性能的综合表现之一.
图 6(Fig. 6)

图 6 桩顶不同荷载下桩身水平峰值加速度曲线图Fig.6 The peak horizontal acceleration curves of pile top under different loads

从图 6中可以看出, 桩顶荷载变化会对桩的横向激振响应产生较大的影响.当桩顶空载时, 激振响应下的桩顶水平峰值加速度相对较大, 当桩顶加载至90 kN, 桩顶水平峰值加速度明显减小.分析其原因：空载时, 桩顶为自由端, 但桩顶施加90 kN荷载后, 由于桩顶表面粗糙, 势必会产生摩擦力, 形成侧向约束, 桩顶侧向约束使得桩身水平承载能力增强, 减小桩身水平峰值加速度.
桩顶荷载的侧向约束作用在一定深度内对激振响应下水平峰值加速度存在影响.从图 6中可以看出, 桩顶空载和90 kN加载下桩身水平峰值加速度的差异沿桩身深度逐渐减小, 最后消失.橡胶混凝土桩段与桩身长度之比为0~1/6时, 桩顶侧向约束作用沿桩身传递至橡胶混凝土桩段与常规混凝土桩段的交界面处, 无法沿桩身进一步向下传递.分析原因：桩身材料的突变致使约束作用沿桩身传递受阻.当橡胶混凝土桩段长度与桩身长度比值超过1/6时, 桩顶荷载的约束作用在距桩顶位置1/6桩长处, 不再显现.由上述分析可知：90 kN荷载下, 橡胶混凝土桩段长度小于桩身长度1/6时, 橡胶混凝土桩段与常规混凝土桩段的接触面深度可作为荷载约束作用对激振响应下水平峰值加速度的影响深度；当橡胶混凝土桩段与桩身长度之比大于1/6时, 桩身长度作为影响侧向约束作用传递的主要因素.
2.2 震源距离对组合桩抗震性能影响分析首先明确桩位与震源的距离, 4#, 10# 桩距离震源8.32 m, 5#, 11#桩距离震源13.15 m, 6#, 12#桩距离震源19.50 m.如图 7所示, 当桩位距离震源较近时, 无橡胶混凝土桩的10#桩顶水平峰值加速度为1.158 6 m/s², 1.0 m橡胶混凝土桩段的4#桩顶部加速度为0.666 0 m/s², 相差0.492 6 m/s², 橡胶混凝土桩段减震作用明显.随着桩位远离震源, 无橡胶混凝土桩的12#桩的桩顶加速度为0.149 7 m/s², 1.0 m橡胶混凝土桩段的6#桩的桩顶加速度为0.089 3 m/s², 两者仅相差0.060 4 m/s², 桩顶减震作用不再明显.其原因是当桩位远离震源时, 激振响应下桩顶水平峰值加速度较小, 橡胶混凝土桩段的抗震性能无法发挥, 此时橡胶混凝土桩段减震优势无法显现.
图 7(Fig. 7)

图 7 不同位置处桩身水平峰值加速度曲线图Fig.7 The horizontal peak acceleration curves of pile at different positions

纵向对比桩身水平峰值加速度变化情况, 当桩位距离震源较近时, 4#, 10#桩在距离桩顶位置1/6桩长处, 峰值加速度基本相同.随着桩位远离震源, 5#与11#桩, 6#与12#桩在距桩顶位置1/10桩长处, 峰值加速度基本一致, 可见此激振响应下, 桩身长度1/6的橡胶混凝土桩段的减震作用并非完全发挥.本试验中, 4#桩橡胶混凝土桩段可全长发挥减震作用, 5#桩、6#桩只有3/5的橡胶混凝土桩段起到减震作用.由此可知, 橡胶混凝土桩段长度并非越长越好, 要兼顾抗震烈度的要求, 过长的橡胶混凝土桩段无法完全发挥减震性能.
2.3 橡胶混凝土桩段对常规混凝土桩段的影响分析为分析橡胶混凝土桩段对常规混凝土桩段的影响, 分别在橡胶混凝土桩段与常规混凝土桩段交界位置以下0.1 m处设置加速度传感器, 拾取相关加速度数据.从图 8、图 9可以明显看出受橡胶混凝土桩段影响, 常规混凝土桩段顶部的水平峰值加速度明显减小.以0.5 m橡胶混凝土桩段为例, 当桩位距震源8.32 m时, 0.5 m橡胶混凝土桩段(3#桩)的-0.6 m位置处的水平峰值加速度为0.331 6 m/s², 无橡胶混凝土桩段(10#桩)的-0.6 m位置处的水平峰值加速度为0.547 2 m/s², 水平峰值加速度减小大约40 %, 减震效果明显.
图 8(Fig. 8)

图 8 0.3 m与0 m橡胶混凝土桩段-0.4 m处加速度监测值Fig.8 The acceleration monitoring values of the 0.3 m and 0 m rubber concrete piles at-0.4 m

图 9(Fig. 9)

图 9 0.5 m与0 m橡胶混凝土桩段-0.6 m处加速度监测值Fig.9 The acceleration monitoring value of the 0.5 m and 0 m rubber concrete pile at-0.6 m

从图 8和图 9中可以看出, 当桩位距震源13.15 m时, 无论有无橡胶混凝土桩段, 两桩段交界位置以下0.1 m处水平峰值加速度基本相同, 橡胶混凝土桩段对常规混凝土桩段的减震作用不再存在, 可见随着桩位远离震源位置, 常规混凝土桩段所受减震作用逐渐消失.图 10所示为1.0 m橡胶混凝土桩段(4#~6#桩)与无橡胶混凝土桩段(10#~12#桩)-1.1 m位置处的水平峰值加速度曲线, 由图中发现, 当距震源8.32 m时, 1.0 m橡胶混凝土桩段相对于无橡胶混凝土桩段交界位置以下0.1 m处的水平峰值加速度减少7.5 %, 相差甚微, 说明橡胶混凝土桩段超过桩长1/6时, 常规混凝土桩段不再受橡胶混凝土桩段影响.
图 10(Fig. 10)

图 10 1.0 m与0 m橡胶混凝土桩段-1.1 m处加速度监测值Fig.10 The acceleration monitoring value of the 1.0 m and 0 m rubber concrete pile at-1.1 m

图 11为桩位距震源8.32 m时, 不同橡胶混凝土桩段长度下常规混凝土桩段减震效率，其随橡胶混凝土桩段的长度先增加再减小, 当橡胶混凝土桩段达到某一长度时(本试验中为桩长1/6), 常规混凝土桩段不再受其影响.研究发现, 橡胶混凝土桩段不仅自身起到减震作用, 对与其配合的常规混凝土桩段也起到了减震作用, 但随着橡胶混凝土桩段长度从0逐渐增大, 对常规混凝土桩段的减震作用先增大后减小直至消失.
图 11(Fig. 11)

图 11 常规混凝土桩段减震效率随橡胶混凝土桩段与桩身长度比变化曲线Fig.11 The variation of damping efficiency of the conventional concrete pile section with the ratio of the rubber concrete pile length to the total pile length

2.4 橡胶混凝土桩段长度对减震效率的影响分析定义减震效率：
其中：η为减震效率, 取值范围0~100 %; a为无橡胶混凝土桩段的桩顶水平峰值加速度; a₁为有橡胶混凝土桩段的桩顶水平峰值加速度.
分析橡胶混凝土桩段长度对减震性能影响, 拟合不同橡胶混凝土桩段长度的减震效率, 拟合函数如式(1)所示：

(1)

其中：y为减震效率; x为橡胶混凝土桩段与桩身长度比; K, a, b为任意常数.
图 12中可以看出, 拟合曲线呈S形, 橡胶混凝土桩段长度较小时, 其长度远远小于C30常规混凝土桩段长度, 其减震作用发挥甚微.橡胶混凝土桩段长度逐渐增加, 减震性能逐渐显现且趋于明显, 当增加到一定长度时, 减震效率的增长速率逐渐缓慢, 最终不再随橡胶混凝土桩段长度的增加而增大.由此可知, 橡胶混凝土桩段可有效提高桩的减震性能, 但减震效率并非随橡胶混凝土桩段长度线性提高.桩基抗震设计时, 要明确橡胶混凝土桩段的有效长度, 考虑减震效率随橡胶混凝土桩段长度的增长趋势, 不可盲目增加橡胶混凝土桩段长度.
图 12(Fig. 12)

图 12 减震效率随橡胶混凝土桩段与桩身长度比变化拟合曲线Fig.12 Fitting curve of the damping efficiency vs. the ratio of the rubber concrete pile length to the total pile length

3 结论1) 桩顶施加荷载后, 顶部摩擦产生侧向约束, 增强桩身水平承载能力, 可提高桩身抗震性能.
2) 本试验中, 桩顶加载90 kN时, 橡胶混凝土桩段长度决定荷载侧向约束的影响深度, 当橡胶混凝土桩段长度小于1/6桩长时, 影响深度为橡胶混凝土桩段长度；当橡胶混凝土桩段长度大于1/6桩长时, 影响深度恒为1/6桩长.
3) 桩位距离震源较近时, 橡胶混凝土桩段减震作用明显, 随着桩位远离震源, 橡胶混凝土桩段减震性能降低, 且不再全长发挥作用.
4) 橡胶混凝土桩段对常规混凝土桩段存在减震作用, 桩位与震源距离、橡胶混凝土桩段长度皆为影响其减震作用的重要因素.
5) 减震效率与橡胶混凝土桩段长度关系拟合曲线呈S形, 增加橡胶混凝土桩段长度可提高其减震效率, 但并非呈线性提高, 抗震设计时, 不可采用持续增加橡胶混凝土桩段长度的方式提高桩的抗震性能.
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