砂土層中鋼管樁高頻振動貫入效率模型試驗

趙一錦，謝建斌，2，時林豐，孫孝海，劉思楠，王卓蕾

(1. 云南大學 建筑與規(guī)劃學院，云南 昆明 650500; 2. 昆明軍龍巖土工程有限公司，云南 昆明 650021)

0 引言

高頻液壓振動沉樁施工工藝，適用于大部分鋼管樁、鋼板樁和支護筒等，具有噪聲低、對周邊環(huán)境影響小、沉樁效率高、地層適應性強，以及能滿足不同地質(zhì)層中沉樁的要求等優(yōu)點[1-2]。

國內(nèi)外學者從模型試驗和數(shù)值模擬兩方面對高頻振動沉樁進行了研究。文獻[3]通過樁土模型試驗，給出振動沉樁過程中樁側(cè)動摩阻力、水平應力和沉樁位移所形成的關系。文獻[4]通過對鋼管樁沉樁過程試驗分析，發(fā)現(xiàn)土塞效應導致土體壓縮承載力增加、樁端阻力增加，并從徑向土體應力應變方面分析了鋼管樁內(nèi)土塞效應。文獻[5-7]通過樁模型試驗和ABAQUS有限元軟件模擬振動沉樁全過程中孔隙水壓力變化、徑向樁土應力變化、土塞效應和沉樁效率，得出貫入深度、超孔隙水壓和水平應力的變化規(guī)律，分析了孔隙比、激振頻率和套管直徑對沉樁效率的影響。文獻[8]采用ABAQUS有限元軟件模擬沉樁過程對周邊環(huán)境的影響，分析了激振頻率、激振力和樁徑對周邊環(huán)境的影響程度。文獻[9]運用PFC3D軟件，采用顆粒離散元法，分析得出振動沉樁過程中砂土速度場和樁土接觸應力對樁側(cè)摩阻力的影響，以及激振力、靜載力和孔隙率對沉樁效率的影響。文獻[10-11]運用高頻振動三軸儀，研究了振動頻率對標準砂和飽和密砂動力特性的影響。文獻[12]通過設計室內(nèi)小模型試驗，研究了可液化砂土在不同橫向地震波作用下樁周應力、應變和超孔隙水壓力的變化。文獻[13]基于灰色關聯(lián)度理論，對鋼管支護樁高頻振動沉樁在湖相沉積層中沉樁位移因素敏感性進行了分析。文獻[14]采用ABAQUS有限元法，分析了高頻振動沉樁中的單打樁、雙打樁、群樁、不同打樁順序所產(chǎn)生的擠土效應和不同頻率沉樁效率。

云南等地區(qū)土層地質(zhì)成分較為復雜，一些地區(qū)土層地質(zhì)主要為湖相沉積，土層組成主要以泥炭質(zhì)土和砂土為主。由于地質(zhì)較為特殊，國內(nèi)外對砂土層中高頻液壓振動沉樁研究較少。本文取樣昆明滇池施工現(xiàn)場砂，對濕砂和干砂采用室內(nèi)小結(jié)構(gòu)模型試驗，分析了在不同激振頻率、電壓峰值、相對密實度、飽和度下高頻液壓振動沉樁效率和可打入性。

1 試驗設備

查閱相關文獻[14-15]可知:沉樁過程中徑向主要影響范圍為6倍樁徑，依據(jù)幾何相似原理和振動沉樁體系來設計小結(jié)構(gòu)模型試驗。沉樁系統(tǒng)主要由3部分組成，分別為振動加載部分、沉樁模擬部分和信號采集部分。模型試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模型試驗系統(tǒng)

振動加載部分由電動式激振器、掃頻信號發(fā)生器和功率放大器組成。電動式激振器最大激振力為100 N，激振頻率為10～4 000 Hz。掃頻信號發(fā)生器可提供多種類型的信號，為電動式激振器提供所需的正弦函數(shù)振動頻率的激振力。由于掃頻信號發(fā)生器輸出功率有限，不能直接推動電動式激振器工作。功率放大器用于彌補掃頻信號發(fā)生器功率的不足，確保電動式激振器正常運行。試驗所選沉樁激振頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz和80 Hz。

信號采集部分主要由壓電式力傳感器、電荷放大器、動態(tài)信號測試分析器和服務器組成。動態(tài)信號測試分析器主要用于采集壓電式力傳感器在振動沉樁過程中打樁力的變化信號。

沉樁模擬部分主要為自行設計的鋼框架結(jié)構(gòu)，并安裝圓柱形鋼導軌。樁為鋼管樁，長27 cm,直徑為1.5 cm。

2 試驗內(nèi)容

對鋼管樁的樁頂施加1 min激振力，研究鋼管樁在干砂和濕砂中振動沉樁過程。

打樁力選取不同正弦函數(shù)振動頻率，統(tǒng)一電壓峰值情況下，監(jiān)測在相對密實度Dr為30%和50%的干砂土樣中，以及在飽和度Sr為50%和70%的濕砂土樣中，25 s的振動沉樁位移。

打樁力選取不同正弦函數(shù)振動頻率，監(jiān)測當電壓峰值Upp分別為1.500Vpp(Vpp為電壓幅值)和2.000Vpp時，在干砂及濕砂試樣中25 s的振動沉樁位移。

在相同相對密實度與相同電壓峰值，或相同飽和度與相同電壓峰值情況下，監(jiān)測激振頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz和80 Hz時，25 s的振動沉樁位移。

圖2 試驗干砂的顆粒級配曲線

2.1 干砂土樣制備

本次試驗所用干砂取自昆明滇池國際會展中心4號地施工現(xiàn)場砂土。

依照《土工試驗方法標準》規(guī)定，采用篩分法，根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)繪制干砂的顆粒級配曲線，如圖2所示。

制備相對密實度Dr為30%和50%的干砂試樣，用2 mm篩將烘干的砂土篩選出并放入干燥器內(nèi)密封保存。本試驗盛土容器為直徑15 cm、高27 cm的圓柱形鋼筒，土樣高度為26 cm。兩種相對密實度土樣所需干砂質(zhì)量ms可按式(1)和式(2)計算。

e=(1-Dr)emax+Dremin；

(1)

(2)

其中：e為天然孔隙比；emax為最大孔隙比,emax=0.926；emin為最小孔隙比，emin=0.358；ds為土粒相對密度，本次砂土取ds=2.65；V為土樣體積，cm3。由式(1)和式(2)可得：ms(30%)=6 931.8 g，ms(50%)=7 411.4 g。以制備Dr=30%的干砂土樣為例，過程為： 稱取6 931.8 g烘干土樣，攪拌均勻并平均分成4份；將其中1份倒入盛土容器中，用擊實錘將倒入土樣擊實到厚度為6.5 cm時，停止錘擊；另外3份重復上述試驗步驟，依次擊實到厚度為13.0 cm、19.5 cm和26.0 cm時，停止錘擊。達到設定相對密實度。

2.2 濕砂土樣制備

本次試驗的濕砂土樣，仍采自昆明滇池國際會展中心4號地塊施工現(xiàn)場砂土。

為了研究砂土飽和度與鋼管樁沉樁位移之間的相關性，本次試驗首先設定砂土的相對密實度Dr為50%，飽和度Sr分別為50%和70%。制備兩種不同飽和度的砂土土樣，水的質(zhì)量可按下式計算：

(3)

其中：mw為水的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g·cm-3；Vw為水的體積，cm3。

以制備飽和度Sr=50%的濕砂土樣為例，過程為：稱取7 411.44 g烘干砂土，再稱取897.75 g水，將稱好的干砂和水充分攪拌均勻，然后將其平均分成4份；先倒入1份在盛土容器中，用擊實錘將倒入土樣壓實到厚度為6.5 cm，停止錘擊；再依次按照上述步驟倒入另外3份，依次擊實，厚度分別為13.0 cm、19.5 cm和26.0 cm時，停止錘擊。達到設定飽和度。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 干砂試驗結(jié)果分析

3.1.1 干砂試驗現(xiàn)象

圖3為單次室內(nèi)干砂沉樁模型試驗前后對比圖。由圖3可知：由于高頻振動沉樁的作用，樁周砂土產(chǎn)生振密現(xiàn)象，振動沉樁結(jié)束后土體表面相比于振動沉樁前產(chǎn)生了較大沉降位移，且隨土體與鋼管樁徑向距離的增大，位移逐漸減小。

(a) 沉樁前

(b) 沉樁后

圖3 單次室內(nèi)干砂沉樁模型試驗前后對比圖

3.1.2 鋼管樁在干砂土樣中沉樁過程模擬

動態(tài)信號測試分析器連接樁頂壓電式力傳感器，對鋼管樁樁頂?shù)拇驑读?即激振力)進行實時監(jiān)測，干砂樁頂打樁力時程曲線如圖4所示。

由現(xiàn)場試驗測量數(shù)據(jù)并結(jié)合圖3和圖4可知：鋼管樁在沉樁前期樁頂打樁力和沉樁位移增加迅速；沉樁中期，樁頂打樁力和沉樁位移增加放緩；沉樁后期，樁頂打樁力趨于平穩(wěn)，沉樁達到最大位移，為12.8 cm。振動沉樁過程中，樁頂打樁力隨時間按照正弦函數(shù)逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，隨振動沉樁位移的不斷增加，樁側(cè)摩阻力、樁端阻力以及鋼管樁內(nèi)產(chǎn)生的土塞效應逐漸增大，樁頂打樁力隨之增大。停止沉樁時，樁側(cè)摩阻力、樁端阻力、土塞程度和打樁力達到最大值并趨于平穩(wěn)。

圖4 干砂樁頂打樁力時程曲線

3.1.3 相對密實度對沉樁位移的影響

為了研究相對密實度對振動沉樁位移的影響，選取4種不同工況下振動沉樁位移結(jié)果。由試驗數(shù)據(jù)繪制干砂相對密實度與沉樁位移的關系圖，如圖5所示。

由圖5a可知：在控制電壓峰值Upp為1.500Vpp時，相對密實度Dr小的沉樁位移相對較大，3種不同激振頻率(20 Hz、30 Hz、40 Hz)作用下，Dr為50%的砂土土樣中沉樁位移分別是Dr為30%砂土土樣的95.0%、73.4%和57.1%。由圖5b可知： 在Upp為2.000Vpp時，Dr為50%的砂土土樣中沉樁位移分別是Dr為30%砂土土樣的91.2%、55.5%和57.4%。分析得出：在激振頻率較低時，兩種相對密實度的沉樁位移相差很小；激振頻率較高時，沉樁位移變化較為明顯；隨著相對密實度的不斷增大，沉樁位移減小。

(a) Upp=1.500Vpp

(b) Upp=2.000Vpp

圖5 干砂相對密實度與沉樁位移的關系

3.1.4 激振力對沉樁位移的影響

由試驗數(shù)據(jù)可以得到干砂中電壓峰值與沉樁位移的關系，如圖6所示。Dr為30%干砂土樣在電壓峰值為1.500Vpp時的沉樁位移，與電壓峰值為2.000Vpp時的沉樁位移對比可知：電壓峰值越大，沉樁位移越大，如圖6a所示。圖6b與圖6a呈現(xiàn)一致的規(guī)律。由于所采用的電動式激振器施加的樁頂激振力與電壓成正比，可得出樁頂激振力越大，沉樁位移越大。

(a) Dr=30%

(b) Dr=50%

圖6 干砂中電壓峰值與沉樁位移的關系

圖7 干砂中激振頻率與沉樁位移的關系

3.1.5 激振頻率對沉樁位移的影響

振動錘激振頻率分類：f≤15 Hz為低頻振動；15 Hz60 Hz為超高頻振動。

通過試驗數(shù)據(jù)可得出Upp=2.000Vpp時，干砂中不同激振頻率與沉樁位移的關系，如圖7所示。由圖7可知：當激振頻率f=40 Hz時，Dr為30%和50%兩種干砂的沉樁位移達到最小值，向兩側(cè)逐漸升高；當激振頻率達到超高頻值時，沉樁位移超出中頻段沉樁位移。在實際干砂土層中應避開高頻段，優(yōu)先選擇中低頻和超高頻段。

3.2 濕砂試驗結(jié)果分析

3.2.1 濕砂試驗現(xiàn)象

圖8為單次室內(nèi)濕砂沉樁模型試驗前后對比圖。由圖8可知：在濕砂土層中，鋼管樁在高頻振動沉樁作用下，樁周砂土并未產(chǎn)生振密現(xiàn)象，振動沉樁過程中鋼管樁對周邊土體擾動較小，無明顯樁周表面沉降，且鋼管樁沉樁位移得到大幅提升。

(a) 沉樁前

(b) 沉樁后

圖8 單次室內(nèi)濕砂沉樁模型試驗前后對比圖

圖9 濕砂樁頂打樁力時程曲線

3.2.2 鋼管樁在濕砂土樣中沉樁過程模擬

動態(tài)信號測試分析器連接樁頂壓電式力傳感器，對鋼管樁樁頂?shù)拇驑读?即激振力)進行實時監(jiān)測，濕砂樁頂打樁力時程曲線如圖9所示。

由圖9可知：濕砂中，鋼管樁樁頂打樁力迅速增加，隨后趨于平穩(wěn)，鋼管樁停止下沉，最大沉樁位移為16.5 cm。相比于干砂，樁頂打樁力大幅減小，振動沉樁位移明顯高于干砂土樣中的沉樁位移。由此可以看出：鋼管樁沉樁位移與砂土含水量有密切關系。

3.2.3 飽和度對沉樁位移的影響

為研究飽和度對振動沉樁位移的影響，選取其中4種不同工況下振動沉樁位移結(jié)果。由試驗結(jié)果繪制出濕砂飽和度與沉樁位移的關系圖，如圖10所示。

由圖10a可知：在Upp=1.500Vpp時，鋼管樁沉樁位移隨濕砂土飽和度的增大而增大，在3種不同激振頻率(20 Hz、30 Hz、40 Hz)作用下，濕砂土飽和度為50%時所對應的沉樁位移，分別是相同沉樁條件下Dr為50%干砂沉樁位移的133.0%、256.9%和378.1%；濕砂土飽和度為70%時所對應的沉樁位移，分別是相同沉樁條件下Dr為70%干砂沉樁位移的144.3%、265.5%和443.8%。由圖10b可知：當Upp=2.000Vpp時，在3種不同激振頻率(20 Hz、30 Hz、40 Hz)作用下，濕砂土飽和度為50%時所對應的沉樁位移，分別是相同沉樁條件下Dr為50%干砂沉樁位移的137.6%、218.3%和232.3%；濕砂土飽和度為70%時所對應的沉樁位移，分別是相同沉樁條件下Dr為70%干砂沉樁位移的148.8%、225.4%和246.8%。兩種飽和度下沉樁位移均大于干砂中沉樁位移，最大沉樁位移相差3～4倍，由此可知，砂土水分含量對沉樁位移有很大影響，而兩種飽和度下沉樁位移相差不大；濕砂相比于干砂，激振頻率越大，沉樁位移百分比越大，說明砂土中孔隙水壓力上升速度加快，更有利于沉樁，沉樁位移大幅增加。

(a) Upp=1.500Vpp

(b) Upp=2.000Vpp

圖10 濕砂飽和度與沉樁位移的關系

3.2.4 激振力對沉樁位移的影響

由試驗數(shù)據(jù)可得濕砂中電壓峰值與鋼管樁沉樁位移的關系，如圖11所示。由圖11a可知：在Sr為50%時，電壓峰值小的沉樁位移小，增大激振力有利于增大沉樁位移。圖11b在兩種飽和度下呈現(xiàn)出與圖11a一致的規(guī)律。

(a) Sr=50%

(b) Sr=70%

圖11 濕砂中電壓峰值與沉樁位移的關系

圖12 濕砂中激振頻率與沉樁位移的關系

3.2.5 激振頻率對沉樁位移的影響

當電壓峰值Upp=2.000Vpp時，由試驗數(shù)據(jù)可得濕砂中不同激振頻率與鋼管樁沉樁位移之間的關系，如圖12所示。

由圖12可知：當激振頻率f=50 Hz時，在飽和度為50%和70%兩種濕砂土樣中振動，沉樁位移均達到最小值。當激振頻率達到超高頻時，沉樁位移與中頻段沉樁位移基本持平。

4 結(jié)論

(1)鋼管樁在干砂中振動沉樁對周圍環(huán)境的影響比在濕砂中大；在干砂中容易出現(xiàn)振密現(xiàn)象，濕砂相對于干砂樁頂打樁力前期增速較快，隨后趨于平穩(wěn)，所需打樁力相對較小。

(2)控制其他條件不變的情況下，砂土的相對密實度越低、飽和度越高，鋼管樁可打入性越強。

(3)控制其他條件不變的情況下，激振力越大，沉樁位移越大。

(4)在干砂土樣中，當激振力頻率f=40 Hz時，沉樁位移達到最小值；在濕砂土樣中，當激振頻率f=50 Hz時，沉樁位移達到最小值。當激振頻率小于沉樁位移最小值所對應的頻率時，在一定范圍內(nèi)隨激振頻率的增大，沉樁位移逐漸減少；當激振頻率大于沉樁位移最小值所對應的頻率時，在一定范圍內(nèi)，沉樁位移隨著激振頻率的增加而逐漸增加。在干砂土樣中，當激振頻率達到超高頻時，沉樁位移與中頻段沉樁位移基本持平。