摘要
为研究不同地震动强度下液化场地大直径变截面单桩的动力响应规律，基于振动台试验，选取5010波，在地震动强度0.10g~0.45g作用下，研究液化场地砂土孔压比和大直径变截面单桩桩顶水平位移、桩身弯矩、桩身加速度时程响应及桩基损伤等变化规律.试验结果表明：饱和砂土孔压比随着地震动强度的增大上升明显，地震动强度≥0.30g时，饱和砂土孔压比稳定值在0.9附近，此时砂土完全液化；在0.45g地震动强度作用下，桩身加速度、桩顶水平位移及桩身弯矩均达到最大；桩身不同位置处加速度峰值出现时刻均滞后于输入地震波加速度峰值出现时刻，且桩顶及变截面的加速度响应比桩端的响应更弱；不同地震动强度作用下，桩身弯矩最大值均出现在液化土层和非液化土层分界处，且变截面处弯矩小于土层分界面处；地震动强度达到0.30g时，大直径变截面单桩桩身发生损伤.因此，液化场地下大直径变截面桥梁单桩基础抗震设计时，应该重点考虑饱和砂土层分界处、变截面处的抗弯能力，以确保单桩桩身强度满足抗震要求.
公路桥梁等工程领域中，多采用稳定性、承载能力及适应能力等性能良好的桩基础.但地震是一种极具破坏性的自然灾害，液化场地的地震灾害更是会对桥梁结构的整体安全产生影
当前，国内外学者对桩基的动力响应展开了广泛的研究.在理论研究方面，Din
目前，国内外学者研究多集中于液化场地等截面桩基础的动力响应分析，缺乏对不同地震动强度下液化场地大直径变截面单桩动力响应的研究.因此，本文依托厦门第二东通道翔安大桥实际工程，借助振动台试验，对不同地震动强度作用下液化场地砂土孔压比和大直径变截面单桩桩顶水平位移、桩身弯矩、桩身加速度时程响应以及桩基损伤进行分析，为液化场地大直径变截面单桩的抗震设计研究提供借鉴.
1 工程背景
厦门第二东通道翔安大桥H15墩采用大直径变截面钢管混凝土复合桩，桩基础选用C35水下海工耐久混凝土，其抗压强度为48 MPa.土层分布如
图1 土层分布（单位：m）
Fig.1 Soil layer distribution（unit：m）
2 振动台模型试验
2.1 试验设备
本试验借助三向六自由度5 m×5 m地震模拟振动台完成，其有关技术参数见
| 台面尺寸/（m×m） | 频率/Hz | 抗倾覆力矩/（kN·m） | 最大加速度幅值/g | 最大位移幅值/mm |
|---|---|---|---|---|
| 5×5 | 0.5～50 | ≥300 | 1 | 80 |
图2 模型箱
Fig.2 Model box
2.2 相似比设计
本试验选取人工质量模型，考虑到模型箱尺寸、原型尺寸以及工程实际情况等多个影响因素，本试验选用尺寸相似比=1∶50，并在单桩桩顶配置 100 kg人工质量，各物理量相似常数见
| 物理量 | 量纲 | 相似常数 |
|---|---|---|
| 加速度a |
L | 1 |
| 重力加速度g |
L | 1 |
| 弹性模量E |
F | 1/3.5 |
| 线尺寸l | L | 1/50 |
| 密度ρ |
F | 1 |
| 应力σ |
F | 1/3.5 |
| 应变ε | ― | 1 |
2.3 模型桩、土设计及测试元件布设
2.3.1 模型桩设计
根据几何相似条件，模型桩的桩长取90 cm，桩径5.0/4.3 cm.模型桩采用微粒混凝土配置，测得其抗压强度为16.91 MPa.桩身配筋率2.4%，其中主筋材料采用4根直径4 mm的镀锌铁丝，配置抵抗剪切作用的螺旋箍筋，箍筋采用1根直径2.8 mm的镀锌铁丝.模型桩如
图3 模型桩
Fig.3 Model pile
2.3.2 模型土设计
试验根据厦门第二东通道翔安大桥地质勘察资料设置模型土，土层由上到下分别为饱和砂土 （30 cm）、强风化花岗岩（47 cm）、中风化花岗岩 （5 cm）.中风化花岗岩抗压强度为68 MPa，本试验选用微粒混凝土模拟中风化花岗岩，测得其抗压强度为19.40 MPa，如
图4 抗压强度测试值
Fig.4 Compressive strength test value
基岩混凝土浇筑时在桩基础相应位置设置5 cm深、直径8 cm的预留孔，以便模型桩准确就位，预留孔如
图5 预留孔
Fig.5 Reserved holes
试验选用与原状土级配相同的土体模拟饱和砂土层，并通过筛分法控制模型土的颗粒级配与原状土的颗粒级配基本一致.填筑地基土采用分层填筑、人工夯实的方法，按照经验标准控制土的相对密实度和含水量，分层装填碾压并夯实到预期效果.模型土的物理力学指标如
| 土类 | 天然含 水率ω/% | 密度ρ/ （g·c | C/kPa | φ/（°） |
|---|---|---|---|---|
| 砂土 | 25.5 | 1.86 | 25 | 24 |
| 强风化花岗岩 | 11.2 | 2.56 | 22.5 | 43 |
2.3.3 测试传感器布设
测试传感器布设示意图如
图6 模型桩与测试元件布设（单位：cm）
Fig.6 Layout of model piles and test elements（unit：cm）
在模型桩的桩顶、饱和砂土层中部、土层分界面、变截面及基岩面布设加速度传感器，以测量在不同地震动强度作用下桩身加速度变化情况.在装箱过程中，采用橡皮筋将加速度传感器粘贴在桩身，并用胶带加固，如
采用专用橡皮泥将拉线相对式位移传感器固定在桩顶处，以测量不同强度地震动作用下桩顶水平位移响应，从而评估地震对桩基础的影响程度，如
采用电阻式应变片，其布设位置与加速度传感器布设位置相同，并对应变片涂抹环氧树脂进行防水处理，以测量在不同地震动强度作用下桩身应变值，进而计算得出桩身弯矩，如
| （1） |
式中：M为桩身截面弯矩；桩身两侧的应变值；E为单桩弹性模量；圆形截面惯性矩；为应变片到单桩中心距离.
在饱和砂土层5 cm、15 cm、30 cm深度处布设孔隙水压力计，以测量在不同强度地震动作用下土体孔隙水压力，判断所在位置饱和砂土层的液化情况，如
（a） 加速度传感器
（b） 位移传感器
（c） 应变片
（d） 孔隙水压力计
图7 测试元件
Fig.7 Test components
2.4 试验工况
试验工况为0.10g~0.45g 5010波作用，此工况下进行液化场地大直径变截面单桩的动力响应分析.50年超越概率为10%的风险水平，是目前国际上一般建筑物普遍采用的抗震设防标准.故本试验选取5010波，如
图8 5010波
Fig.8 5010 wave
| 桩长/cm | 桩径/cm | 桩数 | 液化层厚度/cm | 地震波 | 地震动强度/g |
|---|---|---|---|---|---|
| 90 | 5.0/4.3 | 1 | 30 | 5010 |
0.10，0.15，0.20，0.25 0.30，0.35，0.40，0.45 |
3 试验结果分析
3.1 孔压比响应
不同地震动强度作用下，饱和砂土层30 cm处的孔压比时程曲线如
图9 30 cm处孔压比
Fig.9 Pore pressure ratio at 30 cm
由
可以看出地震动强度越大，孔压比开始增长的时刻越早，最终达到稳定孔压比的时刻也越早，这是因为地震动强度越大，饱和砂土层中孔隙水压力积聚越快，孔隙水压力增长越明显，砂土层越容易发生液化.另外，随着地震动强度的增加，孔压比最终达到的稳定值逐渐增加，这是因为随着地震动强度增加，孔隙水压力上升值变大，更接近土体的有效应力.这说明地震动强度是影响砂土液化一个关键的外在因素，在桩基础的抗震设计中，应根据当地地震设防烈度对饱和砂土层进行合理化处置.
地震动强度为0.10g~0.25g时，未观测到明显的喷砂冒水现象，但地震动强度≥0.30g时，观测到饱和砂土层出现喷砂冒水现象，如
图10 喷砂冒水
Fig.10 Sand blasting and water emitting
加载过程中孔压比出现小于0的情况，其原因是饱和砂土在振动过程中可能会发生剪胀现象，导致土体体积的扩大，从而降低孔隙水压力，引起孔压比出现负值.
3.2 桩身加速度响应
不同地震动强度作用下，大直径变截面单桩桩身加速度变化规律如
图11 桩身加速度变化规律
Fig.11 Variation law of pile acceleration
图12 桩顶加速度放大系数
Fig.12 Acceleration amplification factor of pile top
由
由
不同地震动强度作用下，桩顶、变截面处、桩端加速度时程响应如
（a） 0.10g
（b） 0.15g
（c） 0.20g
（d） 0.25g
（e） 0.30g
（f） 0.35g
（g） 0.40g
（h） 0.45g
图13 加速度时程响应
Fig.13 Acceleration time history response
由
3.3 桩顶水平位移响应
不同地震动强度作用下，大直径变截面单桩桩顶水平位移响应如
图14 桩顶水平位移时程响应
Fig.14 Time history response of horizontal displacement of pile top
图15 桩顶水平位移最大值
Fig.15 Maximum horizontal displacement of pile top
由
3.4 桩身弯矩响应
不同地震动强度作用下，大直径变截面单桩桩身弯矩变化规律如
图16 桩身弯矩变化规律
Fig.16 Variation law of pile bending moment
图17 桩身弯矩最大值
Fig.17 Maximum bending moment of pile
由
不同地震动强度作用下，大直径变截面单桩桩身弯矩最大值处的弯矩时程响应如
图18 桩身最大弯矩处时程响应
Fig.18 Time history response at the maximum bending moment of pile
由
3.5 桩基损伤
借助地震波处理软件SeismoSignal得出单桩的傅里叶谱图、桩基基频变化规律分别如
（a） 加载前
（b） 0.10g
（c） 0.15g
（d） 0.20g
（e） 0.25g
（f） 0.30g
（g） 0.35g
（h） 0.40g
（i） 0.45g
图19 傅里叶谱图
Fig.19 Fourier spectrum
图20 桩基基频变化规律
Fig.20 Variation law of foundation frequency of pile foundation
由
图21 桩基损伤
Fig.21 Damage of pile foundation
4 结论与建议
通过振动台试验，对不同地震动强度下液化场地大直径变截面单桩动力响应展开研究，得出以下结论：
1）地震动强度≥0.30g时，出现喷砂冒水现象，此时饱和砂土孔压比稳定在0.9，将孔压比0.9作为该工况下判断砂土液化的标准.
2）桩顶加速度放大系数随着地震动强度的增加而减小，且桩身加速度在饱和砂土层位置显著增大.输入地震波加速度峰值出现时刻早于桩身不同位置处，桩底加速度出现最大值的时刻均早于桩顶、变截面处.
3）随着地震动强度增大，桩顶水平位移幅值增大明显.地震动强度≥0.30g时，在地震荷载加载结束之后，桩顶产生了不可恢复的水平位移.地震动强度为0.45g时，桩顶永久水平位移达到了1.0 mm.
4）不同地震动强度下，桩身弯矩从桩顶到桩端先增大后减小.桩身弯矩最大值均出现在液化土层和非液化土层分界处，且桩身抗弯刚度在变截面处突变，在桩基础设计时应考虑土层分界面及变截面处桩基础的抗弯强度设计.
5）饱和砂土层厚度为30 cm，地震动强度达到0.30g时，大直径变截面单桩桩身产生损伤，使桩基础刚度降低，从而影响桩基础的抗震性能，在地震等级较高区域进行大直径变截面单桩设计时，应合理提高混凝土等级.
参考文献
李雨润，陈华斌，强东峰，等. 地震作用下不同厚度饱和砂土中直群桩结构动力响应试验研究［J］.地震工程学报，2019， 41（4）： 834-839， 852. [百度学术]
LI Y R， CHEN H B， QIANG D F， et al. Experimental study on dynamic response of straight group pile structure in saturated sand with different thickness under earthquake ［J］. China Earthquake Engineering Journal， 2019， 41（4）： 834-839， 852.（in Chinese） [百度学术]
FENG Z J， HUO J W， HU H B， et al. Research on corrosion damage and bearing characteristics of bridge pile foundation concrete under a dry-wet-freeze-thaw cycle［J］. Advances in Civil Engineering， 2021， 2021（6）： 1-13. [百度学术]
DONG Y X， FENG Z J，HE J B，et al. Bearing characteristics of large-diameter hollow composite pile［J］. Journal of Physics： Conference Series，2019，1168（2）： 022069. [百度学术]
DONG Y X， FENG Z J， HE J B， et al. Seismic response of a bridge pile foundation during a shaking table test［J］. Shock and Vibration， 2019， 2019（2）： 1-16. [百度学术]
冯忠居，王溪清，李孝雄，等. 强震作用下的砂土液化对桩基力学特性影响［J］.交通运输工程学报，2019，19（1）：71-84. [百度学术]
FENG Z J， WANG X Q， LI X X， et al. Influence of sand liquefaction on mechanical properties of pile foundation under strong earthquake ［J］. Journal of Traffic and Transportation Engineering， 2019，19（1）： 71-84.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居，孟莹莹，董芸秀，等. 强震作用下液化场地桩-土非线性动力相互作用特性［J］.科学技术与工程，2021，21（17）：7299-7307. [百度学术]
FENG Z J， MENG Y Y， DONG Y X， et al. Characteristics of nonlinear dynamic interaction between pile and soil in liquefied site under strong earthquake ［J］. Science Technology and Engineering， 2021， 21（17）： 7299-7307.（in Chinese） [百度学术]
刘星，王睿，张建民. 液化地基中群桩基础地震响应分析［J］.岩土工程学报，2015，37（12）：2326-2331. [百度学术]
LIU X， WANG R， ZHANG J M. Seismic response analysis of pile group foundation in liquefied foundation ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2015， 37 （12）： 2326-2331.（in Chinese） [百度学术]
DING H R. Seismic responses study of pile-groups foundation［C］// Fourth International Conference on Digital Manufacturing & Automation. IEEE， 2013. [百度学术]
LI Y R， LIANG Y， WEI X， et al. Study on lateral dynamic re-sponse of pile foundation in liquefiable soil by using FBG method［J］. Applied Mechanics and Materials，2012，2080（238）： 337-340. [百度学术]
ROVITHIS E，MYLONAKIS G，PITILAKIS K. Dynamic stiffness and kine matic response of single piles in inhomogeneous soil［J］. Bulletin of Earthquake Engineering，2013，11（6）： 1949-1972. [百度学术]
冯忠居，董芸秀，何静斌，等. 强震作用下饱和粉细砂液化振动台试验［J］.哈尔滨工业大学学报，2019，51（9）：186-192. [百度学术]
FENG Z J， DONG Y X， HE J B， et al. Shaking table test of liquefaction of saturated silty sand under strong earthquake ［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2019， 51（9）： 186-192.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居，张聪，何静斌，等. 强震作用下嵌岩单桩时程响应振动台试验［J］.岩土力学，2021，42（12）：3227-3237. [百度学术]
FENG Z J， ZHANG C， HE J B， et al. Shaking table test on time history response of single rock-socketed pile under strong earthquake ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2021， 42（12）： 3227-3237.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居，孟莹莹，张聪，等. 强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线［J］.岩土力学，2022，43（5）：1289-1298. [百度学术]
FENG Z J， MENG Y Y， ZHANG C， et al. Dynamic response and p-y curve of pile group in liquefaction site under strong earthquake ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2022， 43（5）： 1289-1298.（in Chinese） [百度学术]
何静斌，冯忠居，董芸秀，等. 强震区桩-土-断层耦合作用下桩基动力响应［J］.岩土力学，2020，41（7）：2389-2400. [百度学术]
HE J B， FENG Z J， DONG Y X， et al. Dynamic response of pile foundation under coupling action of pile-soil-fault in strong earthquake area ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2020，41（7）： 2389-2400.（in Chinese） [百度学术]
张海平，杨志文. 地震作用下顶部预留孔桩桩基动力响应分析［J］. 工业建筑，2018，48（8）：111-117. [百度学术]
ZHANG H P， YANG Z W. Dynamic response analysis of pile foundation with reserved holes at the top under earthquake ［J］. Industrial Construction， 2018， 48（8）： 111-117.（in Chinese） [百度学术]
张聪，冯忠居，孟莹莹，等. 单桩与群桩基础动力时程响应差异振动台试验［J］.岩土力学，2022，43（5）：1326-1334. [百度学术]
ZHANG C， FENG Z J， MENG Y Y， et al. Shaking table test on the difference of dynamic time-history response between single pile and pile group foundation ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2022， 43（5）： 1326-1334.（in Chinese） [百度学术]
陈文龙， 马建林， 王吉， 等. 地震作用下饱和砂土中斜桩基础动力特性振动台试验研究［J］. 铁道科学与工程学报， 2021， 18（5）： 1131-1142. [百度学术]
CHEN W L， MA J L， WANG J， et al. Shaking table experimental study on dynamic characteristics of inclined pile foundation in saturated sand under carthquake［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2021， 18（5）： 1131-1142.（in Chinese） [百度学术]
张恒源，钱德玲，沈超，等. 水平和竖向地震作用下液化场地群桩基础动力响应试验研究［J］.岩土力学，2020，41（3）： 905-914. [百度学术]
ZHANG H Y， QIAN D L， SHEN C， et al. Experimental investigation on dynamic response of pile group foundation on liquefiable ground subjected to horizontal and vertical earthquake excitations［J］. Rock and Soil Mechanics， 2020， 41（3）： 905-914.（in Chinese） [百度学术]
VESKI R， PALU V， KRUUSEMENT K. Co-liquefaction of kukersite oil shale and pine wood in supercritical water［J］. Oil Shale， 2006： 23（3）： 236-248. [百度学术]
李雨润，闫志晓，张健.液化场地群桩基础地震反应离心机试验及损伤数值模型研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2023， 42（1）：212-223. [百度学术]
LI Y R， YAN Z X， ZHANG J. Study on centrifuge test and damage numerical model of seismic response of pile group foundation in liquefied site ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2023， 42（1）： 212-223.（in Chinese） [百度学术]
孔德森，李纯洁，凌贤长，等. 液化场地群桩-土-结构地震相互作用振动台试验研究［J］.岩土工程学报，2011，33（增刊2）：143-149. [百度学术]
KONG D S， LI C J， LING X C， et al. Shaking table experimental study on pile-soil-structure interaction in liquefied site［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 33（Sup.2）： 143-149.（in Chinese） [百度学术]
SHEN J，WANG Z，LIN W， et al. Shaking table test on the dynamic response of pile group under lateral spreading in liquefied ground［J］. Journal of Natural Disasters， 2018， 27（6）：27-33. [百度学术]
唐亮，凌贤长，徐鹏举，等. 可液化场地桥梁群桩基础地震响应振动台试验研究［J］.岩土工程学报，2010，32（5）：672-680. [百度学术]
TANG L， LING X C， XU P J， et al. Shaking table experimental study on seismic response of bridge pile group foundation in liquefied site ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010， 32（5）： 672-680.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居，王逸然，蔡杰， 等. 桩-震陷土层耦合作用下变截面单桩动力响应［J］.振动工程学报， 2023（3）： 1-11. [百度学术]
FENG Z J，WANG Y R，CAI J， et al. Dynamic response of single pile with variable cross-section under coupling action of pile-seis-mic subsidence soil layer ［J］. Journal of Vibration Engineering，2023（3）： 1-11.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居， 李玉婷， 蔡杰， 等. 地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2023， 50（9）：109-118. [百度学术]
FENG Z J， LI Y T， CAI J， et al. Seismic subsidence characteri-stics of soft soil and dynamic response of pile group with variable cross section［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2023， 50（9）：109-118.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居， 王伟， 张聪， 等. 震陷土层变化下变截面单、群桩动力响应差异［J/OL］.上海交通大学学报：1-21.（2023-02-28）［2023-05-18］.heeps：//kns. [百度学术]
cnki.net/kcms/detail//31.1466.U.20230227.020.html. [百度学术]
FENG Z J， WANG W， ZHANG C， etc. Difference of dynamic r-esponse between single pile group and pile group with variablecross-section under earthquake subsidence soil layer change ［J/OL］.Journal of Shanghai Jiao Tong University： 1-21. （2023-02-28）［2023-05-18］.heeps：//kns.cnki.net/kcms/detail//31.1466.U.20230227.020.html.（in Chinese） [百度学术]
邹佑学，王睿，张建民.可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析［J］.岩土力学，2019，40（6）：2443-2455. [百度学术]
ZOU Y X， WANG R， ZHANG J M. Seismic dynamic response analysis of gravel pile composite foundation in liquefied site ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（6）： 2443-2455.（in Chinese） [百度学术]
冯忠居，王逸然，张俊波，等. 地震作用下液化场地变截面桩与等截面桩的动力响应对比分析［J］.世界地震工程，2022， 38（3）：59-69. [百度学术]
FENG Z J， WANG Y R， ZHANG J B， et al. Comparative analysis of dynamic response of variable section pile and equal section pile in liquefaction site under earthquake ［J］. World Earthquake Engineering， 2022，38（3）： 59-69.（in Chinese） [百度学术]
NAEINI A J ，CHOOBBASTI A J ，SAADATI M . Seismic behaviour of pile in three-layered soil （case study： Babol City Center Project）［J］. Arabian Journal of Geosciences， 2013， 6（11）： 4487-4497. [百度学术]
孔锦秀. 地震动特性对液化场地桥梁桩基础动力反应的影响［D］.哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2016. [百度学术]
KONG J X. Influence of ground motion characteristics on dynamic response of bridge pile foundation in liquefaction site ［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2016.（in Chinese） [百度学术]
苏雷，赵卓，毕建巍，等. 基于FLAC~（3D）液化场地桩基动力反应振动台试验数值分析方法［J］.防灾减灾工程学报，2022， 42（3）： 454-463. [百度学术]
SU L， ZHAO Z， BI J W， et al. Numerical analysis method of shaking table test for dynamic response of pile foundation based on FLAC~（3D） liquefaction site ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2022， 42（3）： 454-463.（in Chinese） [百度学术]
