马成龙，曾国红，郭昭胜，白晓红
（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原030024）
[摘要]桩基承受水平地震作用时，桩与承台处的弯矩和剪力值都为最大，为避免连接处过早发生破坏，需要对连接处构造进行加强。通过制作普通双桩基础和增设连接墙双桩基础两种形式的缩尺模型，进行低周往复加载对比试验，对两种试件在各级荷载下的荷载一位移曲线和桩身弯矩分布进行比较，得出增设连接墙的双桩基础水平承载力、耗能能力及抗弯刚度都
较普通双桩基础有大幅度提高，且连接墙的存在使桩身弯矩峰值所在位置发生改变。
[关键词]双桩基础；连接墙；承载力；桩身弯矩 [中图分类号] TU473. 1+1
0 引言
桩基是一种常见的深基础形式，具有沉降值小、稳定性好、承载力大、适应性强等特点，因此在高层建筑、工业厂房、桥梁码头等工程中应用广泛。从国内外大量的桩基震害案例中分析发现，在地震作用下桩基会承受巨大的水平荷载，最容易产生破坏的是桩与承台的节点及桩头附近，这是因为在水平地震力作用下，传给桩基很大的弯矩和剪力，桩头部位、承台下部的弯矩和剪力值都为最大，所以最易发生破坏。针对以上情形，国内外学者对于水平地
震作用下桩与承台连接节点构造形式进行了相关研究，我国建筑桩基技术规范对桩的配筋率、桩嵌入承台深度及钢筋锚固长度等都有详细的规定；日本提出地下设附带支撑、地下设附带墙体以及桩头加固三种措施来提高桩基础的抗震能力；宣怀珍、贺武斌等通过对预应力混凝土填芯管桩在其与承台结合部位设置加强环，并采用拟静力试验的研究方法，对管桩在试验过程中的破坏机理、延性和刚度退化等抗震性能进行分析，得出加强环的设置使填芯管桩在承载力、截面延性系数上都有较大程度提高；朱海堂、丁自强的研究表明，桩帽混凝土强
度、管桩埋入桩帽内的长度和管桩外径是连接节点受弯承载力的主要影响因素，桩帽钢筋笼环向箍筋和管桩周围环向箍筋对连接节点受弯承载力也有一定程度的影响；戎贤、蔺颇等对四个不同改造措施的PHC管桩承台试件进行低周往复加载试验，得出桩身混凝土掺入钢纤维可显著提高PHC管桩抗震性能，而桩身缠绕碳纤维布和桩身加非预应力筋的改进方式对其抗震性能影响不大；王晓伟、赫中营等进行了平面布置2x3钢筋混凝土高桩承台基础模型试件在砂土中的往复荷载拟静力试验，得出边桩最先屈服，边桩桩顶截面最先达到极限曲率，
对抗震设计起控制作用。综上可知，以研究桩基础抗震行为为主要目的的试验中，针对桩土作用下双桩基础连接节点加固的研究相对缺乏，而双桩基础在桥梁工程中应用非常广泛。本试验通过对承台下双桩与承台下双桩增设连接墙两种形式下的缩尺模型进行低周往复水平加载，研究两种形式下桩基的荷载一位移曲线、桩身弯矩随荷载的变化，为进一步研究桩与承台连接节点的抗震性能提供一定理论依据。
1试验概况
1.1 试件设计
1.1.1 土工槽及砂土参数
本试验采用普通与增设连接墙两种形式下双桩与承台的缩尺模型，在土工槽中进行试验，土工槽尺寸为1200'mm×1200mm×1190mm，如图1所示。
桩土之间作用与土的特性密切相关，本试验采用均质砂土，试验前用2mm筛子对砂土进行过筛，风干后测得不均匀系数Cu=4. 962 <5，砂土均匀性较好；砂土压实后，密实度实测得1. 689g/cm3，内摩擦角200。
1.1.2基桩和承台参数
基桩采用高强混凝土灌浆料预制而成，同条件养护三组试块28d测得强度平均值为62. 2MPa，桩长900mm，直径D=45mm;纵筋和箍筋均采用镀锌铁丝，桩身纵筋配筋率1. 85%，纵向主筋锚固长度90mm，不弯折，箍筋形式采用螺旋式，螺距平均为20mm，基桩具体配筋如图2所示。
承台采用同种高强混凝土灌浆料浇筑，实测强度为48. 8MPa，承台尺寸为315mm x135mm×135mm，钢筋笼采用镀锌铁丝制成，其中纵筋上下两排各7根，保护层厚度为10mm。连接墙与桩一起预制而成，并用镀锌铁丝进行配筋，墙厚22. 5mm；桩嵌入承台深度为45mm，两桩间距180mm。试验所用镀锌铁丝抗拉强度设计值测得f y=346MPa。普通和连接墙形式双桩承台具体配筋如图3所示。
1.2 测点布置和试件加载
1.2.1 测点布置
位移计水平布置2个，1号位移计距离承台顶面100mm，用以测量承台顶部水平位移，2号位移计布置在加载点，用以测量加载点水平位移；每根桩平行于加载方向通长均匀设置应变片，用以测量桩身应变并计算桩身弯矩，桩身应变测点布置如图4所示；连接墙主要受剪，故在其上设置应变片测量其应变。所有数据通过IMP数据采集系统同步进行采集。
1.2.2试验加载
本次试验未对桩基施加竖向荷载，用一圆钢管作为上部结构，圆管通过底部焊接钢板用预埋螺栓固定在承台上，并通过一钢套管固定在电液伺服液压作动器上，由作动器产生推拉操作，对桩基产生弯矩与剪力，加载点距离承台顶面540mm，具体试验加载装置如图1所示。
参考《建筑基桩检测技术规范》试验加载方式和水平位移测量的有关规定，试验加载方法采用双向多循环加载，并采用位移加载法，分级位移值取2mm，每级荷载首先在西侧施加，施加后持荷1min后测读各类测点值，然后卸载至0，停1min测读残余各类测点值，至此完成第一个单向（西侧）加卸载循环；然后在东侧按相同要求施加荷载与测试，此时一个完整的双向加卸载循环结束。如此循环3次，完成一级荷载的位移观测。本次试验共进行10级加载，最大位移加至20mm。
2 试验结果分析
2.1 荷载·位移滞回曲线分析
滞回曲线反应试件在整个低周往复荷载作用下的耗能能力和变形，是描述试件抗震性能的重要指标。通过在上部结构布置的水平位移计和对应荷载值绘制普通双桩与连接墙双桩荷载一位移滞回曲线，如图5所示。从图中可知，普通形式和连接墙形式在水平位移达到20mm时承载力均没有出现明显下降趋势，荷载随着位移的增加大致成线性变化，说明试件仍处在弹性阶段；当水平位移达到20mm时，普通形式和连接墙形式所受荷载分别为1.64kN和2. 28kN，对应承台顶部弯矩分别为0.8856kN.m和1.2312kN .m，连接墙使双桩基础水平承载力提高约40%；连接墙形式滞回曲线包围面积更大并且相对更加饱满，经过计算，普通与增设连接墙双桩基础等效粘滞阻尼系数分别为0.15和0.18，说明增设连接墙双桩基础的变形和耗能能力更好，抗震性能得到改善。
2.2桩身弯矩随荷载的变化分析
桩身弯矩可以通过测得桩身每一断面测点处的
由于试验采用低周往复加载，所以取西侧加载时桩身弯矩进行比较，此时规定西侧桩为后桩，东侧桩为前桩，加载简图如图6。图7和图8分别为西侧各级荷载下普通双桩基础与增设连接墙双桩基础桩身弯矩图，由于从第7级荷载开始，桩身出现裂缝导致部分应变片破坏，所以取前6级荷载进行比较，图中位移为各级荷载下承台顶部实测位移，各级荷载下承台顶部对应位移见表1。从图中可以看出：两类模型下双桩的桩身弯矩都主要集中在桩上部0. 18m(4D)以上，0.09m( 2D)以下桩身弯矩迅速减小，到桩底附近弯矩最小，且弯矩值随着水平位移的增加而逐渐增大；每根桩最大弯矩值点的位置基本不发生变化。另外，比较图7(a)与图7(b)可知，对于普通双桩而言，后桩最大弯矩发生在桩与承台连接处，而前桩最大弯矩发生在连接处下0. 09m( 2D)处左右，且每级荷载下后桩桩身最大弯矩均大于前桩桩身最大弯矩，以承台顶部水平位移5. 93 mm时进行比较，后桩桩身最大弯矩比前桩桩身最大弯矩大10%左右。这是由于西侧加载时两桩受力情况不同，后桩处于压弯状态，而前桩处于拉弯状态。由图8(a)与图8(b)可知，由于连接墙的存在，两桩的整体性加强，弯矩分布情况类似，且桩与承台连接处弯矩都变得很小，最大弯矩均出现在连接处以下0. 09m(2D)处左右即连接墙的下部变截面处，后桩桩身弯矩峰值位置与普通形式相比明显下移。图9为两种形式下桩1 -1处即墙身底部桩身弯矩的比较。从图中可以看出连接墙形式下两桩1 -1处在各级荷载下弯矩明显增大，后桩平均增幅24%，前桩平均增幅达到47%。这是由于连接墙的存在提高了双桩基础的抗弯刚度，同样变形下，增设连接墙的桩身内力更大。连接墙上的应变较小，在第10级荷载下观测最大只能达到85με，且墙身未见任何开裂，而桩身应变在第10级荷载下最大已达到1874με，连接墙与桩身的抗弯刚度之比为7.6，说明连接墙可以视作刚体。
3 结语
在未施加竖向荷载的情况下，通过对两种形式双桩基础的缩尺模型进行低周往复加载试验并进行相应受力性能分析，可以得出以下结论：
1)增设连接墙对双桩基础承载力提高较大，变形和耗能能力更好。
2)普通双桩基础进行西侧加载时，后桩桩身最大弯矩发生在桩与承台连接处，前桩桩身最大弯矩发生在连接处以下0. 09m(2D)处左右。
3)当施加西侧荷载时，增设连接墙双桩基础后桩桩身最大弯矩位置较普通双桩基础下移，发生在连接墙下部即桩的变截面处，桩与承台连接位置处弯矩值变得很小。
4)增设连接墙提高了双桩基础的抗弯刚度，相同位移变形下桩身弯矩变大。
5)连接墙加强了双桩的整体性，墙上应变较小，可以视为刚体。
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