对“考虑土–桩–结构相互作用的PHC管桩抗震性能试验研究”的讨论
1 问 题
贵刊 2013 年第 2 期刊登了题为“考虑土–桩–结构相互作用的PHC管桩抗震性能试验研究[1]”的文章(以下简称“原文”)。该文以某热电厂“2×350 MW 供热机组工程”项目为背景，开展振动台试验。在考虑土–桩–结构相互作用的前提下，研究 PHC 管桩(包括单桩、群桩)在地震作用下的动力特性和动力响应，以及在地震作用下的受力特点，应力–应变、弯矩的分布规律，研究结论初步确定PHC管桩在高烈度地区的应用是可行的。但是笔者觉得原文存在以下 2 个问题，影响到结论的可靠性：
（1）原文工程场地土类型为中软土，说明原状土的性质比较差，模型采用长度相似比CL=15，若满足相似的充分必要条件，模型土的工程性质应当更差，模型试验才能真实反映原型的实际状况，这也是很多学者致力于模型“土”材料研究的重要原因。但是，原文介绍试验“为模拟管桩与土体接触面土体挤密的状态，采用分层填土并夯实的装填方法”。文章仅描述了地基土从下向上分别为黏土、粉土、砂土、黏土，共分 4 层，及其相应的厚度，但纵观全文没有模型土的工程性质的描述，由此可以猜测模型试验土采用了与原状土相同性质的土，甚至有可能模型试验土的工程性质优于原状土，这样的缩尺模型试验仅可用于定性的研究，而无法得出定量的结论。
（2）根据常规的工程经验，中软土天然地基承载力标准值的取值可以大于80kp（例如上海软土有“老八吨”的说法，而天然地基承载力取为“八吨”主要是为了限制后期沉降，实测的承载力值往往超过80kp）。原文中，单桩模型承台尺寸为200 mm×200mm×130 mm(长×宽×高)；3桩模型为正三角形布置，桩距220mm，承台尺寸为420 mm×420mm×200mm(长×宽×高)；6桩模型为2×3矩形布置，双向桩距均为220 mm，承台尺寸为560 mm×360mm×200 mm(长×宽×高)，上部结构简化为1500mm的实心钢柱，立于承台上，原型厂房荷载，单桩、三桩、六桩模型钢柱质量分别为 45，135，270 kg，由此可计算得到当没有桩时，单桩、三桩、六桩承台下的基底附加应力分别为11.0kp、7.5kp、13.1kp，远远小于实际的（包括模型土）的承载能力。在工程中，只有当天然地基承载力不满足要求或者为了控制沉降才考虑地基加固，包括设置竖向增强体（打桩）的方法，由原文模型给定的条件，是不需要打桩的，原文模型即使没有任何竖向增强体（包括模拟PHC桩的有机玻璃管），也完全能够承担简化为上部结构的实心钢柱。更直接地说，原文模型中桩的设置没必要属于多余，而原型中PHC管桩的设置从承担竖向荷载的角度来说显然十分必要，从逻辑的角度来说模型与原型的相似性也相距甚远，可能会得出与客观实际截然相反的结论。
2 改进建议
原文缺乏桩土应力比或桩土荷载分担比的试验数据，但根据上文的分析，模型的桩土应力比值很小，模型桩顶应力与桩间土的应力几乎相等，桩土应力接近于1，而原型的桩土应力比或桩土荷载分担比可能远大于1，甚至由于管桩施工的挤土效应，导致负摩阻力出现，桩间土的应力为零，桩土应力比趋向于无穷大。由此笔者认为原文仅仅是验证了上部结构荷载作用于基底的附加应力仅为10kp左右时天然地基在大震荷载作用下的承载能力。
若满足相似的充分必要条件，原型与模型无量纲物理量的比值应为1:1。在各种设置竖向增强体的应用和研究中，首先应当满足的无量纲物理量的相似条件应当是竖向荷载作用下的桩土应力比，若要满足模型的桩土应力比接近与原型的桩土应力比，或者说原型与模型桩土应力比的相似比为1，可从两个方面改进模型试验：
(1)劣化模型土的工程性质，使模型土的承载能力接近于模型尺寸的长度相似比；
(2)强化模型桩的工程性质，即提高模型桩的承载能力，使桩身粗糙增大桩侧摩擦力，桩端额外增加支撑增大端阻。
但强化模型桩的工程性质，使原型桩由摩擦桩转变为端承摩擦桩甚至端承桩，有可能使模型失真，总的来说，劣化模型土的工程性质模拟原型的可信度更高。
原文还提出了多桩模型的抗震性能远胜于少桩模型的观点，通常，桩的数量由所承担的竖向荷载决定，而地震等水平的验算通常都能得到通过，也就是说桩的数量是由竖向承载决定的。如果满足竖向荷载只需要单桩，是否还有必要增加用桩数量？是否有必要改变桩的长度、尺寸或后处理方式，降低单桩的竖向承载力，从而采用多桩方案？是否可采用桩伴侣[1]-[3]的构造措施，在桩头增加一个抗震耗能构件和安全储备？再进一步地，竖向承载与水平承载合理可靠度的优化，即当钢筋混凝土等总的资源用量一定的情况下，桩是该更短粗以提高水平荷载力还是应该更细长以获得更高的竖向承载力？如何在两者之间找到平衡？桩伴侣如何参与？
相比于基桩竖向承载的研究，基桩水平承载的研究刚刚起步，地震荷载作用下桩-土之间的相互作用和反作用关系还有很多未知，基于性能的桩基设计[4]提出了基桩抗震分级的思路，也可以理解为基桩抗震安全系数或可靠度分级，由此再次警示我们：岩土工程中不存在绝对的安全或者危险。
2 结 论
在岩土工程的缩尺模型试验中，如果不能满足全部相似的充分必要条件，所得到的结论应当认定为是定性，而不可轻率得出定量结论。
注意到模型与原型无量纲物理量的相似比始终为1，建议在“土–桩–结构相互作用”的模型试验研究中，劣化模型土的性质，使模型满足桩土应力比或荷载分担比与原型相似。
参考文献(References)：
[1] 薛江炜. 桩伴侣（变刚度桩）对直接基础与间接基础的优化研究(博士学位论文)[D]. 太原: 太原理工大学, 2013. (XUEJiang-wei. Pile Partner (Variable Rigidity Pile) Optimized Research on Directand Indirect Foundations [D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2013.(in Chinese))
[2] 薛江炜,葛忻声,杨勇,蔡景珞.水平静力荷载作用下桩伴侣工作性状有限元模拟以及与无伴侣构造形式的比较分析[J]. 岩石力学与工程学报,2013(S2)4073-4081.(XUE Jiang-wei, GE Xin-sheng, CAI Jingluo, YANG Yong. FINITE ELEMENT ANALYSISOF COMPARATIVE PERFORMANCE OF LATERALLY LOADED PILE WITH OR WITHOUT PARTNER.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013(S2)4073-4081. (inChinese)).
[3] 薛江炜,葛忻声,蔡景珞,杨勇.桩伴侣与基桩抗震的概念设计[J].工程抗震与加固改造.2013(4)87-92. (Xue Jiangwei,Ge Xinsheng,Cai Jingluo,YangYong. Pile Partner and the Conceptual Earthquake-Resistant Design of FoundationPile[J] Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting.2013(4)87-92 (inChinese))
[4] 张季超,杨永康,王可怡,马旭.基于性能的桩基设计概念探讨[J]岩土工程学报.2011,33(S2):54-57.(ZHANG Jichao,YANG Yong-kang,WANGKe-yi,MA Xu.Conception of performance-based pile foundation design[J]ChineseJournal of Geotechnical Engineering.2011,33(S2):54-57.(in Chinese))
