樁基振動(dòng)對(duì)粉質(zhì)土基坑土釘支護(hù)的影響

摘 要：打樁引起的地面振動(dòng)會(huì)影響鄰近基坑的安全。本文研究了樁基振動(dòng)對(duì)土體強(qiáng)度和土釘-土界面強(qiáng)度的影響，分析了振動(dòng)下土釘軸向力和位移的變化。同時(shí)采用激振器和拔釘模型箱研究不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)土體強(qiáng)度和釘土界面強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，激振力越大、頻率越高，土壤強(qiáng)度和釘土界面強(qiáng)度的衰減越大。相反，在振動(dòng)作用下，土壤內(nèi)摩擦角的變化并不明顯。振動(dòng)結(jié)束后，釘土界面強(qiáng)度恢復(fù)。c和τp減少導(dǎo)致土釘工作長(zhǎng)度的增加、軸向力的重新分配以及土釘位移的增加。

關(guān)鍵詞：樁基振動(dòng)；粉質(zhì)土；基坑；土釘支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 753 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

土釘是放置在土壤中的細(xì)長(zhǎng)金屬棒，用于穩(wěn)定土體，例如路塹和填方邊坡、深基坑和隧道。自土釘問(wèn)世以來(lái)，由于其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此越來(lái)越多地應(yīng)用于各領(lǐng)域。城市高層建筑數(shù)量大幅增加。在基坑施工過(guò)程中，打樁振動(dòng)對(duì)基坑的土釘支護(hù)產(chǎn)生了重大影響，影響基坑的穩(wěn)定性和安全性。在城市中，打樁振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲、干擾環(huán)境并破壞鄰近的建筑物。許多研究表明，打樁振動(dòng)往往會(huì)直接或間接地導(dǎo)致鄰近結(jié)構(gòu)的破壞[1]，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤沉降。郭慧玨[2]討論了樁的類(lèi)型和土壤條件，并研究打樁振動(dòng)對(duì)錘擊系統(tǒng)、樁和土壤性能的負(fù)面影響。而目前關(guān)于打樁引起的地面振動(dòng)及其對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)和基坑影響的研究很少[3]。大多數(shù)論文都建立有限元模型來(lái)模擬打樁過(guò)程。李繼光等[4]使用三維有限元方法評(píng)估打樁對(duì)相鄰建筑物的影響，并比較了靜態(tài)打樁和振動(dòng)打樁對(duì)周?chē)寥赖挠绊憽蔷Ь5]利用有限元法分析了打樁對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)的主要影響因素。

以往關(guān)于振動(dòng)荷載對(duì)土釘影響的研究主要集中在土釘?shù)膭?dòng)態(tài)響應(yīng)和永久變形，而沒(méi)有考慮振動(dòng)荷載對(duì)土強(qiáng)度和土釘與土界面相互作用的影響。然而，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)打樁的振動(dòng)荷載會(huì)對(duì)這2個(gè)方面產(chǎn)生影響?；诖?，本文利用模型試驗(yàn)分析了不同振動(dòng)條件下打樁振動(dòng)對(duì)土體行為和土釘-土界面強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料和模型設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

土壤的基本物理力學(xué)性質(zhì)：試驗(yàn)中使用的土壤來(lái)自某城市東部1個(gè)基坑的淤泥。根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[6]，通過(guò)篩分和使用密度計(jì)測(cè)定顆粒尺寸分布。未擾動(dòng)土壤的干密度為1.65g/cm3，最大干密度為1.87g/cm3，土體密實(shí)度為0.88g/cm3，含水量為13%。同時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行快速剪切試驗(yàn)；黏聚力c為27.6kPa，內(nèi)摩擦角φ為27.8°。

1.2 土釘模型

由于試驗(yàn)條件和其他因素限制，因此大多數(shù)與基坑土釘拔出有關(guān)的模型試驗(yàn)都是在小規(guī)模模型箱中進(jìn)行。這些條件無(wú)法充分描述土壤與土釘界面的剪切行為。在實(shí)際工程中，土釘鉆孔直徑約為100mm，通常使用直徑為18mm～25mm的HRB400鋼筋，并通過(guò)水灰比為0.5的水泥漿灌漿形成。因此，土釘?shù)膹椥阅Ａ考s為20GPa。基于模量等效性和試驗(yàn)的實(shí)用性，本試驗(yàn)使用空心鋁管作為土釘材料。鋁管長(zhǎng)度為600mm，外徑為100mm，厚度為8mm。土釘與土壤的接觸長(zhǎng)度設(shè)定為400mm。

1.3 測(cè)試設(shè)備

1.3.1 振動(dòng)激振器和參數(shù)設(shè)置

樁基打樁振動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，振動(dòng)在樁周?chē)耐寥乐挟a(chǎn)生壓縮波、剪切波和表面波。表面波是瑞利波。瑞利波占垂直振動(dòng)源總能量的2/3，是位于地面或地面附近的結(jié)構(gòu)或基坑振動(dòng)中的主要波型[7]。由于試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，本文簡(jiǎn)化了打樁振動(dòng)荷載，只考慮了瑞利波對(duì)土釘拔出力的影響。因此，使用TROMINO振動(dòng)采集儀采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。選擇振動(dòng)激振器來(lái)模擬打樁振動(dòng)。激振器類(lèi)型為380V異步振動(dòng)電機(jī)。激振力由電機(jī)中的偏心振動(dòng)器繞中心軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，引起地面振動(dòng)，并傳播到模型箱內(nèi)的土壤中。通過(guò)調(diào)節(jié)2個(gè)轉(zhuǎn)子之間的角度來(lái)改變激振力的大小，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。本文使用公式（1），根據(jù)轉(zhuǎn)子的角度計(jì)算激振力。

（1）

式中：F為激振力；m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；f為振動(dòng)頻率；rmax 為0°時(shí)轉(zhuǎn)子重心與圓心的距離；θ為轉(zhuǎn)子中心線(xiàn)之間的夾角。

設(shè)定環(huán)境振動(dòng)的主頻為5Hz～40Hz，峰值頻率約為10Hz，加速度振幅小于0.1g。公式（1）表明激振力與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。激振力的大小也會(huì)影響振動(dòng)加速度的大小。激振力加速度之間呈線(xiàn)性相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得的振動(dòng)頻率和加速度以及試驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)室收集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，將最大激振力設(shè)定為8kN，最大振動(dòng)頻率設(shè)定為10Hz。

1.3.2 模型試驗(yàn)箱

由于箱體具有邊界效應(yīng)，土釘拔出試驗(yàn)的影響范圍未知，因此設(shè)定影響范圍設(shè)定為樁徑的6倍，高度為850mm，寬度為 600mm。土的體積不宜過(guò)大，以確保箱內(nèi)土的振動(dòng)一致，土在激振下達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)加速度振幅；因此，箱的長(zhǎng)度為400mm。箱體內(nèi)部尺寸為400mm×600 mm×850 mm（長(zhǎng)×寬×高），箱體無(wú)底，如圖1所示。箱壁由厚度為6mm的高強(qiáng)度鋼板組成，箱體兩側(cè)鉆有120mm的圓孔，用于安裝土釘。在試驗(yàn)過(guò)程中，使用橡膠密封圈密封鉆孔和土釘之間的縫隙。箱壁襯有塑料薄膜，以減少箱壁與土壤之間的摩擦。箱內(nèi)焊有鋼尺，用于測(cè)量土壤密實(shí)度、土壤沉降和振動(dòng)引起的位移。2個(gè)帶有壓力補(bǔ)償裝置的液壓千斤頂被放置在支承板和反力架之間，以提供垂直荷載。垂直應(yīng)力由放置在土釘兩側(cè)的土壓力傳感器測(cè)量。水平力由千斤頂提供，千斤頂用螺母與螺旋桿連接。螺旋桿穿過(guò)土釘，并用墊圈和螺母固定在土釘上。

2 結(jié)果與討論

2.1 振動(dòng)對(duì)界面強(qiáng)度的影響

在覆土壓力OP=80kPa、OP=160kPa、OP=240kPa 和OP=

14kPa的覆土荷載下進(jìn)行4組拔釘試驗(yàn)。拔出力、剪應(yīng)力和位移之間的關(guān)系如圖2所示。

如圖2所示，隨著覆土壓力（OP）增加，土釘極限拔出力也隨之增加，主要因?yàn)橛倌噘|(zhì)土與界面之間的相互作用力增加，界面剪切強(qiáng)度顯著提高。在初始階段，隨著拔出力增加，位移呈線(xiàn)性增加，進(jìn)一步表明土壤被壓實(shí)并具有彈性特性。當(dāng)土釘與土壤之間的相對(duì)位移達(dá)到一定值時(shí)，剪應(yīng)力保持不變，且土釘表現(xiàn)出均勻位移，土壤出現(xiàn)剪切破壞。當(dāng)OP值較低時(shí)，剪應(yīng)力很快達(dá)到峰值。隨著OP值增加，峰值剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的拔出位移逐漸增加。如圖2所示，在80kPa 的覆土壓力下，對(duì)土釘末端施加相應(yīng)的預(yù)拉拔力，并研究不同激振力下最大拉拔力的變化。圖3（a）和圖3（b）顯示了不同激振力下振動(dòng)拉拔期間和拉拔后變化趨勢(shì)。

如圖3（a）和圖2（b）所示，隨著振動(dòng)時(shí)間增加，土釘端部受到的拉拔力逐漸減少，表明土釘與土壤的界面強(qiáng)度降低。激振力越大，下降率也越大（其中圖3（a）和圖3（b）中的2kN/4kN/6kN/8 kN力根據(jù)公式（1）計(jì)算的激振力）。激振力越大，振幅越大，且釘土界面的強(qiáng)度衰減也越大[8]。根據(jù)圖3（a）和圖3（b），拔出力并沒(méi)有隨著振動(dòng)時(shí)間增加而穩(wěn)定下降，而是逐漸趨于穩(wěn)定，這表明在激振力或振動(dòng)加速度的作用下，土釘-土壤界面強(qiáng)度下降并達(dá)到平衡狀態(tài)。土釘在振動(dòng)后的拔出力比振動(dòng)過(guò)程中的拔出力大，說(shuō)明土釘?shù)某休d能力在振動(dòng)后得到恢復(fù)。

2.2 拉拔力損失率

拉拔期間與拉拔后比值變化及拉拔力損失比如圖4所示。從圖4可以看出，振動(dòng)過(guò)程中土釘拉拔力的損失高于振動(dòng)后。振動(dòng)過(guò)程中土釘拉拔力的損失由2個(gè)部分組成。第一部分，振動(dòng)加速，導(dǎo)致土釘界面的土壤暫時(shí)“失重”，減少了土釘上的壓力，造成土釘-土壤界面強(qiáng)度損失。第二部分，振動(dòng)導(dǎo)致土釘與土壤界面松動(dòng)，破壞了土釘與土壤界面，同時(shí)降低了土釘與土壤界面的粗糙度，導(dǎo)致土釘與土壤界面強(qiáng)度下降。同時(shí)拉拔期間隨激振力增加，拉拔力損失率呈線(xiàn)性增加，最大損失率為51%、最小損失率為14%。拉拔后，最大拉拔力損失率為28%、最小拉拔力損失率為9%。同時(shí)振動(dòng)后土釘拔出力的減少驗(yàn)證了這一反應(yīng)。振動(dòng)后土釘?shù)陌纬隽χ饕芡玲?土壤界面結(jié)構(gòu)破壞的影響。振動(dòng)后拔出力與振動(dòng)時(shí)拔出力的比值表明，無(wú)論激振力大小，振動(dòng)后土釘拔出力的損失都占振動(dòng)時(shí)土釘拔出力損失的50%以上。由于振動(dòng)后的損失主要是由釘土界面的結(jié)構(gòu)破壞造成的，因此可以得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)破壞造成的損失大于加速度造成的損失，在振動(dòng)過(guò)程中土釘拉拔力的損失大于振動(dòng)后的損失。此外，由于振動(dòng)時(shí)土釘-土壤界面的強(qiáng)度損失受加速度影響，加速度隨激振力的增加而增加。因此，振動(dòng)時(shí)激振力對(duì)土釘-土壤界面強(qiáng)度的影響比振動(dòng)后更大。振動(dòng)后釘土界面的強(qiáng)度損失主要受釘土界面結(jié)構(gòu)破壞的影響。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)中分析不同振動(dòng)條件的土體強(qiáng)度和釘土界面強(qiáng)度，得出的主要結(jié)論如下：1）受振動(dòng)的影響，土壤強(qiáng)度降低。激振力越大、頻率越高，土壤強(qiáng)度的衰減越大。振動(dòng)對(duì)土壤的影響主要表現(xiàn)為土壤的破壞、土壤截距內(nèi)聚力c的顯著降低以及內(nèi)摩擦角φ的微小變化。2）振動(dòng)降低了釘土界面強(qiáng)度。激振力越強(qiáng)、頻率越高，釘土界面強(qiáng)度的衰減越大。覆土壓力OP越大，土釘-土壤界面強(qiáng)度衰減越小。

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