趙一錦，謝建斌，宋桂麗，陸子豪，高陽，許坤

(1 云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500；2 中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350000；3 昆明軍龍巖土工程有限公司，云南 昆明 650021；4 云南華凌建筑設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650216)

鋼管樁具有可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況和施工要求選擇樁長(zhǎng)、較高的地層適應(yīng)性、施工機(jī)動(dòng)靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，但是大量工程實(shí)踐表明，在鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中周邊土體往往會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，而使樁周地面產(chǎn)生過大的豎向位移、局部土體壓力，如果處理不當(dāng)可能造成樁周附近地下管道畸形，甚至破裂、周邊建筑物產(chǎn)生不均勻沉降、過高的超孔隙水壓力變化會(huì)影響樁的貫入等嚴(yán)重危害，從而在一定程度上制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。鑒于此種狀況，研究鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁施工過程中周邊土體超孔隙水壓力變化具有重要意義[1-2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)管樁靜壓法貫入過程中土壓力和超孔隙水壓力變化研究較早，而對(duì)于管樁高頻振動(dòng)貫入過程中超孔隙水壓力變化較少[3]。相比于靜壓管樁的貫入，鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的力學(xué)過程，管壁對(duì)土體產(chǎn)生反復(fù)運(yùn)動(dòng)的剪切和摩擦，樁端土體和樁側(cè)土體受力會(huì)產(chǎn)生擠土應(yīng)力而發(fā)生位移和超孔隙水壓力變化，在一定范圍內(nèi)可能使臨近樁體側(cè)移、上浮等對(duì)周邊設(shè)施造成破壞[4-5]；在地下水存在的情況下，管樁振動(dòng)貫入引起的超孔隙水壓變化直接影響貫入深度，隨超孔隙水壓力的增大，樁貫入深度大幅增加[6]。HWANG Jin H等[7]采用錘擊法獲得現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了超孔隙水壓力峰值和上層土體有效應(yīng)力比值與徑向距離的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明錘擊法沉樁過程中超孔隙水壓力隨徑向距離基本呈對(duì)數(shù)型衰減；O’NEILL M W等[8]通過實(shí)驗(yàn)室研究樁的可打入性和承載力中發(fā)現(xiàn)超孔隙水壓力的產(chǎn)生，影響振動(dòng)沉樁效率；肖勇杰等[9]運(yùn)用任意拉格朗日-歐拉(ALE)方法研究了開口樁振動(dòng)貫入過程中發(fā)生的擠土位移、擠土應(yīng)力、樁側(cè)阻力和土塞效應(yīng)。在高頻振動(dòng)沉樁過程中，不同參數(shù)條件下對(duì)樁周邊土體的樁側(cè)摩阻力和超孔隙水壓力有較大影響。因此，研究不同參數(shù)條件下振動(dòng)沉樁過程中樁土之間動(dòng)力分析及超孔隙水壓力變化具有意義[10-11]。

鑒于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中超孔隙水壓力變化研究尚不充分完全，鋼管樁直徑大，振動(dòng)貫入過程中樁土接觸較復(fù)雜，對(duì)樁周土壓力和超孔隙水壓力有重要影響[12-13]，因此，本文采用室內(nèi)小結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法來分析鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中超孔隙水壓力變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 設(shè)備

本文試驗(yàn)所采用的盛土容器為圓柱形，直徑為16 cm,高度為28 cm,所采用鋼管樁長(zhǎng)25 cm,直徑為1.4 cm。如圖1所示，為減少盛土容器磨損和銹蝕，模型桶內(nèi)外涂刷防銹漆，模型桶底部中心開小孔，并鋪設(shè)1 cm透水小石子和土工布，用于排出振動(dòng)沉樁過程中產(chǎn)生的水。

圖1 高頻振動(dòng)沉樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)

高頻振動(dòng)沉樁系統(tǒng)主要由電動(dòng)式激振器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器，鋼管樁組成，電動(dòng)式激振器的最大振動(dòng)頻率為4 kHz，最大激振力為100 N，通過掃頻信號(hào)發(fā)生器可以輸出沉樁所需電壓幅值(激振力)和正弦激振頻率，試驗(yàn)頻率分別取20、30、40、50 Hz，電壓幅值有1.5 V和2.0 V兩種情況。

信號(hào)采集系統(tǒng)主要有動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析器、電腦、超孔隙水壓力計(jì)，用于采集振動(dòng)沉樁過程中引起的超孔隙水壓力變化。

1.2 試驗(yàn)用砂

采用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)砂，取300 g粒徑不大于2 mm砂土，通過按次序疊好的細(xì)篩(0.075、0.1、0.25、0.5、1.0 mm)在振篩機(jī)上振動(dòng)10～15 min記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 土顆粒級(jí)配曲線

1.3 測(cè)試方法

由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型的試驗(yàn)桶較小，所以不宜設(shè)置過多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，只設(shè)置A、B、C三點(diǎn)進(jìn)行超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)，具體放置位置如圖3所示;為了避免過多監(jiān)測(cè)儀器在試樣桶中所測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定，所以每次只取同一相對(duì)位置的點(diǎn)進(jìn)行超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)。

圖3 土樣內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)比分析圖4a、c中B、C兩點(diǎn)在相同頻率下沿距離樁管壁不同徑向距離處超孔隙水壓力的變化曲線可知：

(1)沿徑向距離，超孔隙水壓力最大幅值隨距鋼管樁管壁徑向距離的增大呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)；高頻振動(dòng)貫入過程中超孔隙水壓力由樁周向四周擴(kuò)散并且增大。

(2)隨距鋼管樁管壁徑向距離的增大超孔隙水壓力逐漸衰減，這一規(guī)律與肖勇杰等[2]試驗(yàn)研究的大直徑套管高頻振動(dòng)貫入過程中，超孔隙水壓力沿徑向主要影響范圍為6D結(jié)論基本吻合。

(3)在實(shí)際工程應(yīng)用中需要根據(jù)周邊重要設(shè)施和建筑物的安全等級(jí)來判斷高頻振動(dòng)沉樁需要設(shè)定的安全距離。

對(duì)比分析圖4a、d中B點(diǎn)在相同頻率下不同電壓峰值下超孔隙水壓力變化曲線可知：

(1)不同電壓峰值下超孔隙水壓力變化相對(duì)不是太明顯。這主要是由于在飽和砂土中相同頻率下增大少許壓電峰值沉樁效率只得到部分提升，超孔隙水壓力幅值積累變化不明顯。

(2)高頻振動(dòng)沉樁過程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨電壓峰值的增大而增大。這主要是由于增大壓電峰值(即激振力)能加速樁貫入速率，造成相同頻率下樁周土體產(chǎn)生的超孔隙水壓力積累速度快，消散速度不變，從而產(chǎn)生的超孔隙水壓力稍有增大。

對(duì)比分析圖4中A、B、C三點(diǎn)在不同頻率下鋼管樁高頻振動(dòng)貫入的超孔隙水壓力的變化曲線，由圖4可知：

圖4 A、B、C、三點(diǎn)超孔隙水壓力變化曲線

(1)在相同深度、相同電壓峰值、不同貫入頻率作用下，超孔隙水壓力隨頻率變化較明顯。鋼管樁高頻振動(dòng)貫入產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨頻率的增大而減小，這一結(jié)果與肖勇杰等[15]數(shù)值模擬中超孔隙水壓力變化的規(guī)律相同。

(2)當(dāng)鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中貫入頻率較低時(shí)，位于管樁下部的土體在較短時(shí)間內(nèi)超孔隙水壓力達(dá)到較大值，上部土體超孔隙水壓力可能迅速消散，周邊和底部土體強(qiáng)度降低，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生土體破壞。

(3)鋼管樁在較高頻率沉樁過程中，超孔隙水壓力積累相對(duì)較為緩慢，在積累過程中超孔隙水壓力會(huì)逐漸消散和降低，此時(shí)對(duì)周邊土體強(qiáng)度影響稍小。

(4)上述結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程中高頻振動(dòng)沉樁和保護(hù)施工過程中周邊有地下管道、地下設(shè)施時(shí)選擇適當(dāng)?shù)某翗额l率具有重要意義。

綜上所述，對(duì)比分析4種不同參數(shù)下超孔隙水壓力曲線(圖4)可知：

(1)鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中打樁頻率對(duì)樁周土體超孔隙水壓力變化影響較為明顯，其次為沿管樁不同深度處、沿管樁徑向不同距離處和不同電壓峰值下。

(2)在不影響鋼管樁貫入效率的情況下，要減小振動(dòng)沉樁對(duì)地下空間設(shè)施和周邊設(shè)施的影響，可適當(dāng)增大樁貫入頻率。

2 鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁的數(shù)值模擬

根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容建立二維有限元鋼管樁高頻振動(dòng)貫入模型，對(duì)比分析試驗(yàn)所得超孔隙水壓力變化規(guī)律與數(shù)值模擬中變化規(guī)律是否具有相似性,并通過兩種方法相互驗(yàn)證規(guī)律的準(zhǔn)確性與相似性。

2.1 幾何模型

本文采用ABAQUS/Stand建立鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁模型。由于砂土透水性強(qiáng)，在短時(shí)間內(nèi)鋼管樁周邊土體超孔隙水壓力消散完畢，因此超孔隙水壓力變化主要集中在樁端和樁側(cè)。有限元分析時(shí)主要分析區(qū)域?yàn)闃抖撕蜆秱?cè)附近一定半徑范圍內(nèi)土體超孔隙水壓力變化。假設(shè)鋼管樁和周邊土體均為各向同性，所施加約束條件、幾何形狀和荷載作用力均為軸對(duì)稱作用，沉樁過程中所有位移、應(yīng)力和應(yīng)變與θ方向無關(guān)，只為r和z的函數(shù)，這在王勖成有限元法中被視為典型軸對(duì)稱應(yīng)力問題[14]。

本文高頻振動(dòng)沉樁模型采用位移函數(shù)法[15]，把鋼管樁預(yù)埋入一定深度，采用位移函數(shù)公式U=-U+Ucsc(2πft)施加鋼管樁不同時(shí)刻沉樁位移來模擬振動(dòng)沉樁過程。如圖5所示，鋼管樁長(zhǎng)18 m,半徑為0.5 m,振動(dòng)頻率分別為20、30、40、50 Hz(振動(dòng)周期T=0.04 s),位移初始值U0為2 mm。沿鋼管樁徑向18 m范圍內(nèi)采用有限元，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)采用無限遠(yuǎn)，采用Coulomb摩擦型接觸面來定義鋼管樁與樁端土體、鋼管樁管內(nèi)壁與土體、管外壁與土體接觸[16]。

圖5 超孔隙水壓力分析幾何模型

2.2 土體本構(gòu)模型

有限元模型為軸對(duì)稱且采用位移法來進(jìn)行沉樁，對(duì)樁設(shè)置比較小的位移幅值，鋼管樁所受應(yīng)力范圍不會(huì)超過鋼材屈服應(yīng)力，因此鋼管樁采用線彈性模型，土體采用在巖土分析中易于取值的摩爾庫(kù)倫模型。

2.3 邊界和分析步時(shí)間設(shè)置

有限元底部設(shè)置水平方向和垂直方向的位移邊界約束，左側(cè)施加水平方向位移邊界約束，頂部為排水邊界,右側(cè)為無限遠(yuǎn)，不必設(shè)置邊界條件。

飽和砂土中鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁速度快，短時(shí)間內(nèi)完成沉樁。模型中設(shè)置沉樁時(shí)間為1 s,隨后停止高頻振動(dòng)沉樁，且模型中不考慮超孔隙水壓力消散時(shí)間。

2.4 計(jì)算參數(shù)

鋼管樁彈性模量E=210 GPa,泊松比ν=0.28。模型主要考慮高頻振動(dòng)沉樁過程中飽和砂土中超孔隙水壓力變化，砂土模型參數(shù)為：重度18 kN/m3,楊氏模量19 MPa,粘聚力0.3 kPa,泊松比0.29,內(nèi)摩擦角30°,孔隙比1.2,滲透系數(shù)5×10-5m/s。

2.5 結(jié)果與分析

圖6為鋼管樁高頻振動(dòng)貫入過程中超孔隙水壓力云圖。由圖6可知：

圖6 高頻振動(dòng)貫入過程中超孔隙水壓力云圖

(1)鋼管樁高頻振動(dòng)貫入開始1 T時(shí)，樁端擠壓端部土體，土體由于被擠壓快速產(chǎn)生正值超孔隙水壓力，樁端外側(cè)土體在摩擦力和振動(dòng)波的作用下產(chǎn)生擾動(dòng)，在右側(cè)產(chǎn)生負(fù)超孔隙水壓力，管樁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生正值超孔隙水壓力。

(2)鋼管樁高頻振動(dòng)貫入7 T和10 T時(shí)，隨鋼管樁的不斷貫入，樁端下部“半圓”范圍內(nèi)超孔隙水壓力影響范圍先逐漸增大，產(chǎn)生正值超孔隙水壓力，之后樁端下部土體出現(xiàn)超孔隙水壓力影響范圍不斷衰減，超孔隙水壓力幅值增大。

(3)鋼管樁高頻振動(dòng)貫入25 T時(shí)，鋼管樁高頻振動(dòng)貫入結(jié)束樁端開始出現(xiàn)負(fù)值超孔隙水壓力，鋼管樁內(nèi)壁土體由于振動(dòng)停止出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象呈現(xiàn)負(fù)值超孔隙水壓力。

(4)超孔隙水壓力變化主要集中在鋼管樁內(nèi)，樁外側(cè)超孔隙水壓力變化較小。砂土層中超孔隙水壓力變化主要是由于樁端擠壓土體和管壁對(duì)下部土體反復(fù)剪切、沉樁過程中樁側(cè)摩阻力作用下帶動(dòng)周邊部分土體產(chǎn)生擠壓力；另外，振動(dòng)沉樁過程中產(chǎn)生應(yīng)力波對(duì)周邊土體反復(fù)剪切作用，且振動(dòng)過程中波的剪切也是重要因素。

選取圖6a中A、B、C三點(diǎn)分析鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中超孔隙水壓力變化曲線。圖7a為鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中樁尖A點(diǎn)處超孔隙水壓力隨振動(dòng)沉樁時(shí)間變化曲線。由圖7a可知：

(1)振動(dòng)沉樁初始階段，極短時(shí)間內(nèi)迅速增大到峰值超孔隙水壓力。

(2)隨振動(dòng)沉樁時(shí)間的不斷進(jìn)行，在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)超孔隙水壓力幅值基本保持穩(wěn)定，而正值超孔隙水壓力呈現(xiàn)逐步衰減，負(fù)值超孔隙水壓力逐漸向負(fù)值方向增大。并且呈現(xiàn)上邊波動(dòng)變化。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：樁身所受諧和振動(dòng)荷載作用振動(dòng)沉樁。

圖7為A、B、C三點(diǎn)處高頻振動(dòng)沉樁時(shí)超孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線。由圖7可知：

圖7 A、B、C點(diǎn)超孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線

(1)樁端A點(diǎn)超孔隙水壓力幅值變化規(guī)律和B、C兩點(diǎn)超孔隙水壓力幅值隨時(shí)間變化幅值變化略有不同。

(2)在振動(dòng)沉樁中期和后期，B、C兩點(diǎn)處超孔隙水壓力幅值變化趨于穩(wěn)定并逐漸增大。

(3)隨距離樁端處徑向和豎向距離的不斷增大，最大超孔隙水壓力幅值呈逐漸減小趨勢(shì)。

圖8是不同頻率下鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中樁端A點(diǎn)處樁周土體超孔隙水壓力變化曲線。由圖8可知：

圖8 不同頻率下超孔隙水壓力幅值變化曲線

(1)隨鋼管樁振動(dòng)沉樁頻率增大，超孔隙水壓力幅值逐漸減小。這與鋼管樁振動(dòng)沉樁過程中不同頻率下樁貫入速率和振動(dòng)波有關(guān)，一定范圍內(nèi)，頻率低貫入速度快，超孔隙水壓力產(chǎn)生速度大于消散速度；振動(dòng)頻率增大，樁體產(chǎn)生的振動(dòng)波能量越小，對(duì)樁周土體擾動(dòng)越小，超孔隙水壓力幅值變化越小。

(2)超孔隙水壓力變化曲線與試驗(yàn)埋置超孔隙水壓計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

(3)在高頻振動(dòng)沉樁工程項(xiàng)目施工過程中，對(duì)于臨近地下空間有工程管道和線路時(shí)，適當(dāng)增大振動(dòng)沉樁頻率，可以減小樁側(cè)超孔隙水壓力的峰值。從而，減小對(duì)地下空間設(shè)施的施工破壞。

(4)高頻振動(dòng)沉樁前期，在極短時(shí)間內(nèi)超孔隙水壓力增長(zhǎng)迅速，并達(dá)到最大幅值，隨后最大幅值逐漸衰減，中期和后期減緩速度趨于平穩(wěn)，但仍保持在一定小范圍的減少。分析其原由，鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中樁端土體在樁頂打樁力的作用下被擠壓，樁側(cè)土體受摩阻力作用產(chǎn)生豎向應(yīng)力，從而使振動(dòng)沉樁前期極短時(shí)間周期內(nèi)超孔隙水壓力迅速增大。

(5)隨沉樁過程的不斷進(jìn)行，在樁端部A點(diǎn)處超孔隙水壓力開始消散，后續(xù)振動(dòng)沉樁也繼續(xù)產(chǎn)生超孔隙水壓力；新產(chǎn)生的超孔隙水壓力小于消散過程損耗，產(chǎn)生與消散相互抵消后A點(diǎn)處超孔隙水壓力仍呈現(xiàn)逐漸衰減趨勢(shì)，且減小幅度更加趨為平緩。

結(jié)合圖8和圖7a對(duì)比分析可知：

(1)在樁端附近一定距離處B、C兩點(diǎn)超孔隙水壓力幅值隨貫入時(shí)間增加呈現(xiàn)正值平穩(wěn)緩慢增大。

(2)在鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中，樁端處超孔隙水壓力幅值在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，隨后平緩衰減。

(3)樁端周邊土體一定距離內(nèi)超孔隙水壓力繼續(xù)逐漸積累增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是樁端處受向下力作用迅速貫入，下部土體中超孔隙水壓力被擠壓著向外快速消散，而樁端附近一定距離內(nèi)超孔隙水壓力消散小于產(chǎn)生值，從而出現(xiàn)像B、C兩點(diǎn)超孔隙水壓力不斷增大。A點(diǎn)處超孔隙水壓力變化規(guī)律只針對(duì)樁端處，B、C兩點(diǎn)規(guī)律更適合于樁端附近土體超孔隙水壓力變化。

綜合上述兩種方法可知，模型試驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果基本吻合，即鋼管樁高頻振動(dòng)過程中超孔隙水壓力變化規(guī)律基本一致。

3 結(jié)論

(1)工程施工中在不影響施工進(jìn)度的情況下，適當(dāng)減小樁貫入的激振力、增大沉樁頻率能有效減小超孔隙水壓力最大幅值，從而減小樁施工對(duì)臨近地下空間造成的影響。

(2)在鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁施工中，打樁深度和距樁徑向距離是影響周邊土體超孔隙水壓力幅值變化的重要因素。

(3)鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中，超孔隙水壓力呈正負(fù)波動(dòng)變化；在高頻振動(dòng)沉樁前期樁端處超孔隙水壓力幅值迅速增大，中期和后期幅值緩慢波動(dòng)衰減；在距離樁端一定距離處，前期超孔隙水壓力迅速增大，中期和后期幅值緩慢波動(dòng)增大。