廖廣超，伍釗源，李彰明，岑海津，林若凱，王建偉，謝志斌

（1、中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州510170；2、廣東工業(yè)大學(xué) 廣州510006）

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，樁基的采用比例越來越高，且多應(yīng)用于高層建筑和橋梁中。由于使用量大，樁基的承載能力和完整性成為檢測的重點。而檢測常用的方法為管樁高應(yīng)變檢測實驗[1]。在采用高應(yīng)變檢測時往往需要土體的力學(xué)參數(shù)，如何選擇土體動力學(xué)參數(shù)來提高檢測水平、檢測效率、節(jié)約成本[2]，成為為佛山地區(qū)亟需解決的問題。

目前，國內(nèi)外已有對循環(huán)荷載作用下土體的動強度、動模量和阻尼比等動力特性的研究主要通過動三軸試驗獲得，主要的研究現(xiàn)狀包括：黃宣維等人[3]研究淤泥質(zhì)砂土抗液化性能的研究，探究砂顆粒粒徑、顆粒級配和淤泥含量對淤泥質(zhì)砂土抗液化性能的影響。同時，劉建民等人[4]研究了飽和重塑黃土液化應(yīng)變發(fā)展，并將應(yīng)變劃分為三個階段。賴夏蕾等人[5]對福州淤泥質(zhì)土進行動力特性室內(nèi)試驗研究，此建立了圍壓、振次與土體動強度的經(jīng)驗關(guān)系。商金華等人[6]采用統(tǒng)計分析濟南市區(qū)土體動剪切模量比和阻尼比，對濟南市區(qū)土體動力學(xué)特性提供時參考依據(jù)。年廷凱等人[7]針對原狀軟黏土開展了不同偏壓固結(jié)比和循環(huán)應(yīng)力比條件下的動三軸試驗，建了軟化-孔壓模型。賀騰飛等人[8]研究地鐵振動荷載作用下土體動剪應(yīng)力變化規(guī)律，并認為隧道拱腰及底部區(qū)域動剪應(yīng)力較大。

通過上面的分析發(fā)現(xiàn)錘擊作用下樁周土體的動力學(xué)特性研究較少。故本文基于管樁高應(yīng)變試驗條件下，樁周粉質(zhì)黏土動力學(xué)特性的研究?？紤]錘擊產(chǎn)生的動荷載對樁周土體的動剪應(yīng)力、阻尼比和動模量的影響。采用動三軸儀得到土體動剪應(yīng)力隨埋深、振動頻率和振動次數(shù)的變化規(guī)律。同時，動模量隨埋深和振動頻率的變化規(guī)律，以及根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到土體阻尼比與埋深的關(guān)系?？蔀楣軜陡邞?yīng)變試驗中參數(shù)的選擇提供參考價值。

1 試驗設(shè)備及試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用美國生產(chǎn)的SPAX-2000靜動真三軸儀，如圖1所示。該測試系統(tǒng)由六大部分組成：①靜動真三軸壓力室，②剛性加載動器，③SCON數(shù)字伺服控制器和采集系統(tǒng)，④圍壓/反壓壓力體積控制器，⑤CATS高級伺服軟件，⑥變體恒壓液壓源。

圖1 SPAX-2000靜動真三軸儀Fig.1 SPAX-2000 Static and Dynamic True Triaxial Apparatus

1.2 試驗方案

試驗用土取自廣東省佛山市禪城區(qū)一定深度的粉質(zhì)黏土，其基本物理參數(shù)如下：天然密度為1.92 g/m3，比重為2.72，含水率為0.294%，孔隙比為0.83，塑性為27.2%，液限為39.1%。

由于在高應(yīng)變試驗過程中，錘擊產(chǎn)生的動荷載對樁周土體存在影響，在考慮圍壓、振動頻率和振動次數(shù)等不同因素的影響，分析動剪應(yīng)力、阻尼比和動模量的變化規(guī)律，其試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案Tab.1 Experimental Scheme

試驗過程如下：

⑴試樣制備

本次試驗土樣取自佛山禪城地區(qū)的原狀粉質(zhì)黏土，試驗之前將土柱土樣平穩(wěn)地放在試驗臺，然后鋼絲鋸緊貼著側(cè)板從上往下平穩(wěn)地切削，制得試樣尺寸為直徑×高度=50 mm×120 mm。

⑵試樣飽和

將試樣放進真空飽和的裝置進行抽真空，時間持續(xù)48 h，為了避免在該過程出現(xiàn)土體變形，造成不必要的擾動，壓力保持-40 kPa；然后再進行反壓飽和，直至孔隙的壓力系數(shù)B≥0.93，方可認為試樣達到飽和。

⑶試驗固結(jié)

試樣在施加設(shè)計圍壓時打開排水閥，待固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥。

⑷壓縮試樣

在保持圍壓不變的基礎(chǔ)上施加豎向壓力，同時按照設(shè)計方案，施加不同的振動頻率和振動次數(shù)，測定應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 動剪應(yīng)力

動強度就是在一定振動循環(huán)次數(shù)下使試樣產(chǎn)生破壞應(yīng)變時的動剪應(yīng)力值。土的破壞應(yīng)變值是隨動應(yīng)力大小而改變的；如果土樣在一組大小不等的動應(yīng)力下產(chǎn)生動變形，則所得到的極限動應(yīng)變值將呈非線性變化。

2.1.1 振動次數(shù)和圍壓對動剪應(yīng)力的影響

為了研究在高應(yīng)變試驗條件下，振源的振動次數(shù)以及不同圍壓（埋深）條件下，樁周粉質(zhì)黏土剪應(yīng)力的影響，得到在循環(huán)荷載下動剪應(yīng)力與振動次數(shù)和圍壓的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 動剪應(yīng)力與振動次數(shù)和圍壓的變化規(guī)律Fig.2 Variation of Dynamic Shear Stress，Vibration Frequency and Confining Pressure

從圖2中可以看出：在振動頻率為1 Hz和10 Hz時，粉質(zhì)黏土動剪應(yīng)力隨振動次數(shù)的變化規(guī)律一致，都隨振動次數(shù)的增加而逐漸減少。振動次數(shù)達到10次后土體的剪應(yīng)力平均下降幅度為31.05%，其中當圍壓為100 kPa時剪應(yīng)力下降幅度高達62.5%。這是由于振動次數(shù)的增加導(dǎo)致土體整體性發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致土體的強度逐漸下降，這也驗證了在長期動荷載作用下，土體抗剪強度會發(fā)生明顯折減[9]；同時在相同振動頻率和振動次數(shù)下，粉質(zhì)黏土動剪應(yīng)力隨著圍壓的增加而逐漸增大，可以認為圍壓越大導(dǎo)致土體壓實作用越明顯，土體顆粒間的間距減少，土中孔隙減少，從而增加了土體的抗剪強度。這表明埋深越淺，土體抵抗能力越小。

2.1.2 振動頻率對動剪應(yīng)力的影響

為模擬在高應(yīng)變試驗中錘擊的振動頻率對樁周土體強度的影響，在室內(nèi)動三軸試驗中通過改變振動頻率，得到粉質(zhì)黏土動剪應(yīng)力與振動頻率之間的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3中可以看出：在同一圍壓和相同振動次數(shù)的條件下土體的抗剪強度與振動頻率呈現(xiàn)正相關(guān)。當圍壓為300 kPa時，在相同振動次數(shù)下振動頻率為10 Hz的動剪應(yīng)力比振動頻率為1 Hz的動剪應(yīng)力高出10.27%～38.23%；當圍壓為400 kPa時，在相同振動次數(shù)下振動頻率為10 Hz的動剪應(yīng)力比振動頻率為1 Hz的動剪應(yīng)力提高10.72%～85.86%；同時隨著振動次數(shù)的增加，土體強度漲幅明顯。這是由于土體受剪過程中，振動頻率越大，使得在加載過程中土體中的裂縫還來不及完全演化，從而土體抗剪強度隨振動頻率的增加而增大。這也表明在管樁高應(yīng)變試驗中錘擊振動頻率越高，土體抵抗能力越大。

圖3 動剪應(yīng)力與振動頻率Fig.3 Dynamic Shear Stress Versus Vibration Frequency

2.2 阻尼比和動模量

阻尼比和動模量是土體的動力特征的重要參數(shù)，為土體動力學(xué)計算、地基液化判別以及管樁高應(yīng)變試驗中不可缺少的重要參數(shù)。土體的阻尼比λd可以通過試驗所得的滯回圈計算得到[10]：

式中：△A為應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈面積，表示加載與卸載的能量損失；A為滯回圈中心點、應(yīng)力應(yīng)變值最大點與應(yīng)變坐標軸連線形成的三角形面積，表示為加載與卸載的應(yīng)變能。

在試驗中，對圓柱土樣在軸向施加循環(huán)壓力，直接測量土樣的應(yīng)力和應(yīng)變值，從而繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，稱滯回曲線，如圖4所示。

圖4 不同圍壓下粉質(zhì)黏土應(yīng)力應(yīng)變滯回圈Fig.4 Stress-strain Hysteresis Loop of Silty Clay under Different Confining Pressures

滯回曲線說明土的粘滯性對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，從圖4中可以看出：在大應(yīng)變情況下，土體呈現(xiàn)非線性的變形特性，隨著圍壓的增加，環(huán)的形狀就愈趨于寬厚，表明土樣粘滯性逐漸變大。同時可以看出隨著圍壓的增加，加載與卸載的能量損失和加載與卸載的應(yīng)變能都隨之增大，并且可以看出應(yīng)變能隨圍壓的增加相對比例更大（見表2）。同時，在對比第1組和第2組中圍壓為300 kPa和400 kPa的能量的變化，可以看出振動頻率越高，能量損失和應(yīng)變能會相應(yīng)的增加。

表2 能量損失與應(yīng)變能Tab.2 Energy Loss and Strain Energy

2.2.1 阻尼比

土體阻尼比又稱為土的等效粘滯阻尼比。λd是阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)的比值，是衡量吸收振動能量的尺度[11]。由于表2中給出了不同圍壓下粉質(zhì)黏土的加載與卸載能量損失和加載與卸載的應(yīng)變能，可以得到在不同圍壓（100～400 kPa）下土體的阻尼比，如圖5所示。

圖5 阻尼比與圍壓Fig.5 Damping Ratio Versus Confining Pressure

由圖5可以看出：土體阻尼比隨圍壓的增加而逐漸減小，并滿足線性關(guān)系，也就是說隨著埋深的增加，土體吸收振動能量的能力越強，通過數(shù)據(jù)擬合得到土體阻尼比與圍壓的擬合公式為：

式中：σ3為土體所受的圍壓值（kPa）。

同時，從圖5中可以看出：在圍壓為300 kPa和400 kPa時，振動頻率為1 Hz和10 Hz下土體的阻尼比基本相同，故振動頻率對土體阻尼比的影響不大。土體阻尼比主要受到圍壓的影響。對于管樁高應(yīng)變試樣，可以認為樁埋深較淺處，土阻尼對于錘擊能量傳遞的消耗較大，埋深5～6 m處阻尼比達約0.25。隨著樁埋深增加，粉質(zhì)黏土的阻尼比會隨著下降，且下降幅度不可忽視。

2.2.2 動模量

土的動力學(xué)主要特征參數(shù)除了阻尼比還包括動模量，本次研究中對于動彈模的研究包括：初始模量、加載平均模量、加載最大模量和卸載模量。其中初始模量為從坐標0點到第一個斜率明顯變化點加載曲線的斜率；加載平均模量為從坐標0點至應(yīng)力峰值點加載曲線的平均斜率；加載最大模量為有明顯上升階段起點至應(yīng)力峰值點加載曲線斜率；卸載模量為卸載階段的平均斜率。

由圖6可見：各種動變形模量隨圍壓增加均有明顯增加，可見樁周土的動態(tài)變形響應(yīng)與其埋深有明顯關(guān)系，深度越大變形模量越大，即抵抗變形能力越強；同時當振動頻率為10 Hz時，各種動模量均大于低振動頻率下的動模量，因此在管樁高應(yīng)變試驗中錘擊頻率對土體模量有影響，并隨著錘擊頻率的增加而增大。這也說明了在高振動頻率下土體動剪應(yīng)力大于低振動頻率下土體動剪應(yīng)力。

圖6 動模量與圍壓Fig.6 Dynamic Modulus Versus Confining Pressure

3 結(jié)論

本文通過動三軸試驗?zāi)M在管樁高應(yīng)變測試中，樁周粉質(zhì)黏土所受錘擊動荷載下，土體的動力學(xué)特性。得到了樁周粉質(zhì)黏土的動力學(xué)特性，其主要的研究成果如下：

⑴在不同圍壓下動剪應(yīng)力均隨振動次數(shù)增加而下降；相同振動頻率下，圍壓越大動剪應(yīng)力越大；較低振動頻率下（1 Hz），隨振動次數(shù)增加，圍壓越大，動剪應(yīng)力下降幅度也越大；較高振動頻率、相同圍壓下，動剪應(yīng)力較大。由此表明：錘擊振動頻率越高，土體抵抗能力越大；埋深越淺，土體抵抗能力越小。

⑵在圍壓100～400 kPa范圍內(nèi)，盡管隨著圍壓增加滯回圈面積越來越大，應(yīng)變能也增加且增加相對比例更大，阻尼比λd由0.251逐漸變小為0.082。這些結(jié)果表明：樁埋深較淺處，土阻尼對于錘擊能量傳遞的消耗較大，埋深5～6 m處阻尼比達約0.25；隨著樁埋深增加，同種土的阻尼比會隨著下降，且下降幅度不可忽視；樁周土的動態(tài)變形響應(yīng)與其埋深有明顯關(guān)系，深度越大變形模量越大，即抵抗變形能力越強。

⑶目前規(guī)范高應(yīng)變測試所涉計算分析對樁持力層的力學(xué)模型假定與實際有明顯偏差。為管樁高應(yīng)變測試提供相應(yīng)的土體動力學(xué)參數(shù)。