金丹丹, 趙 俁, 王炳輝, 李曉文

(1. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

樁基礎(chǔ)是一種常用的深基礎(chǔ)形式,被廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中．它具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降值小等特點(diǎn)．樁通常依賴樁周土體發(fā)揮作用,因此樁-土動(dòng)力相互作用問題已成為巖土工程研究的重要課題之一．目前已開展較多的樁基礎(chǔ)抗震性能研究，地震荷載作用下樁體破壞機(jī)制分析就是基于樁土相互作用體系開展的[1]．另外,工程中較為常見的強(qiáng)夯等沖擊荷載對(duì)樁基產(chǎn)生的振動(dòng)問題同樣屬于樁-土動(dòng)力相互作用問題的范疇[2]．樁基礎(chǔ)在動(dòng)荷載作用時(shí)受到荷載形式和大小、樁身自重和幾何尺寸以及樁周土體特性等多方面因素的影響．因此,開展樁土相互作用體系中樁體的動(dòng)力響應(yīng)研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值．目前研究樁基動(dòng)力相互作用問題的方法主要有數(shù)值法和試驗(yàn)法．許四法等[3]為研究樁基埋深對(duì)樁身變形的影響,利用室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元軟件對(duì)此進(jìn)行分析,結(jié)果表明樁基埋深對(duì)樁身變形有較大影響,樁基埋深較淺時(shí)表現(xiàn)出剛性樁特性,增加埋深可減小樁身變形．李丹陽(yáng)等[4]采用ABAQUS有限元計(jì)算程序,建立軌道結(jié)構(gòu)-路基-地基相互作用三維有限元模型,探討列車移動(dòng)荷載作用下樁身直徑等參數(shù)對(duì)樁基振動(dòng)的影響,研究發(fā)現(xiàn)樁體振動(dòng)主頻隨樁長(zhǎng)和樁身直徑的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)．唐亮等[5]研究樁模量和樁徑等對(duì)樁基地震響應(yīng)的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明:樁的側(cè)向位移隨著樁基模量和樁底連接剛度增加而減小;當(dāng)保持樁的抗彎剛度不變時(shí),樁的彎矩和位移隨著樁徑的增大而顯著增加．劉涉川等[6]研究了可液化地基中勁芯復(fù)合樁的地震響應(yīng),通過參數(shù)分析探究了樁徑、樁長(zhǎng)和剪切模量等因素對(duì)可液化土-復(fù)合樁-上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響規(guī)律,并提出復(fù)合樁的抗震性能隨樁徑和樁長(zhǎng)的增大而增大的結(jié)論．柳飛等[7]通過對(duì)比不同長(zhǎng)徑比條件下單樁豎向承載力和樁端阻力粒徑效應(yīng)的不同,研究側(cè)摩阻力對(duì)樁基承載力離心模型試驗(yàn)中粒徑效應(yīng)的影響,研究表明單樁豎向承載力的粒徑效應(yīng)比樁端阻力的粒徑效應(yīng)顯著．

目前現(xiàn)階段大部分文獻(xiàn)多從樁體本身屬性出發(fā),或考慮改變土的性質(zhì)來(lái)研究樁體動(dòng)力響應(yīng)[8-14],而考慮樁體尺寸與砂土粒徑的比值對(duì)樁體動(dòng)力響應(yīng)影響的研究尚鮮見報(bào)道．為此,筆者擬設(shè)計(jì)沖擊荷載作用下樁-土動(dòng)力相互作用的模型試驗(yàn),模擬在沖擊荷載作用下樁-土動(dòng)力相互作用響應(yīng),分析沖擊荷載作用下砂土粒徑對(duì)樁體動(dòng)力響應(yīng)的影響．試驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要針對(duì)不同樁徑、砂土粒徑及不同沖擊荷載作用下的工況進(jìn)行分析．

1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)中采用自行研制的小型沖擊樁-土相互作用試驗(yàn)測(cè)試裝置,該測(cè)試裝置主要由沖擊系統(tǒng)、箱軌系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖1所示．

圖1 小型沖擊樁-土相互作用試驗(yàn)裝置模型圖

箱軌系統(tǒng)包括模型土箱、模型樁、鋁制限位裝置、鋁制導(dǎo)軌、緩震膠墊和法蘭滑塊．沖擊系統(tǒng)包括鐵球、固定支座和鐵球軌道．有機(jī)玻璃材質(zhì)模型土箱內(nèi)部尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為600 mm×350 mm×500 mm,壁厚為20 mm．模型土箱最大承重為300 kg．承臺(tái)板材料為亞克力,臺(tái)面尺寸(長(zhǎng)×寬)為800 mm×600 mm,作為模型土箱的承臺(tái)底板．鐵球直徑為140 mm,質(zhì)量為11 kg．將樁底固定在模型土箱底部,用以反映在真實(shí)場(chǎng)地中樁底嵌入巖層的情況．試驗(yàn)所用不銹鋼材質(zhì)模型樁基本參數(shù)如下:樁體直徑分別為5、10、15和20 mm,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7.85 g·cm-3,高度為800 mm．

1.2 沖擊荷載試驗(yàn)原理

沖擊荷載試驗(yàn)原理是基于機(jī)械能守恒定律．鐵球下落過程中與軌道間存在摩擦力,同時(shí)受鐵球與箱體沖擊發(fā)生變形的影響,鐵球從軌道上部下落的重力勢(shì)能只有部分轉(zhuǎn)化為模型土箱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能．機(jī)械能守恒定律表達(dá)式為

kmgh=Mv2/2,

(1)

式中:m為鐵球質(zhì)量,取11 kg;g為重力加速度,取值10 m·s-2;h為鐵球下落高度,m;M為模型土箱和箱中所盛土的總質(zhì)量,kg;v為模型土箱運(yùn)動(dòng)速度,m·s-1;k為勢(shì)能轉(zhuǎn)換系數(shù),取經(jīng)驗(yàn)值0.9．這是由于鐵球自由下落過程中,其重力勢(shì)能有所損耗,其中損耗能包括摩擦損耗、熱量損耗和撞擊損耗等．該處勢(shì)能轉(zhuǎn)換為模型土箱動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率取經(jīng)驗(yàn)值為90%,即運(yùn)動(dòng)過程中有10%能量損耗.

1.3 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)中選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂作為模型土,測(cè)得砂土基本物理參數(shù)如下:顆粒密度ρ=2.69 g·cm-3,最大孔隙比emax=1.063,最小孔隙比emin=0.520,相對(duì)密實(shí)度Dr=50%．本試驗(yàn)中各粒徑范圍砂的照片如圖2所示．

圖2 各粒徑范圍砂的照片

模型地基土分6次填入模型土箱中,按照相對(duì)密實(shí)度為50%將模型地基土壓實(shí),試樣干密度為

(2)

式中:ρd為試樣干密度,g·cm-3;ρd max和ρd min分別為試樣最大和最小干密度,g·cm-3．

根據(jù)式(2)計(jì)算出相對(duì)密實(shí)度為50%時(shí),各粒徑范圍砂的干密度和用量如表1所示．表1中,總質(zhì)量指的是模型土箱中高度為300 mm砂土的質(zhì)量,而每次填入的砂土質(zhì)量稱為每次質(zhì)量．

表1 不同粒徑范圍砂的干密度和用量

筆者針對(duì)不同砂土粒徑范圍(粒徑范圍分別為0.10～0.25、0.25～0.50、0.50～1.00和1.00～2.00 mm)和樁徑(樁徑分別為5、10、15和20 mm)下的樁-土相互作用沖擊試驗(yàn)．限于本文篇幅,筆者僅對(duì)埋深為300 mm的樁體試驗(yàn)工況進(jìn)行了分析說明．

試驗(yàn)量測(cè)的數(shù)據(jù)為模型樁樁頂?shù)募铀俣取⒛Ｐ蜆兜膽?yīng)變和土體加速度．傳感器分別為壓電式加速度傳感器(YD-182M型)和電阻應(yīng)變片(BX120-3AA應(yīng)變計(jì))．由于傳感器外形小巧,靈敏高,因而對(duì)整體模型結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)影響．在埋置土層中的模型樁上,從樁底部向上每隔75 mm粘貼一對(duì)應(yīng)變片,以觀測(cè)模型樁在沖擊振動(dòng)過程中的應(yīng)變變化情況．在模型樁的樁頂及不同深度位置的土層中布置了加速度傳感器,用以分析在沖擊振動(dòng)過程中樁頂?shù)募铀俣茸兓筒煌恢猛翆拥募铀俣软憫?yīng)．加速度傳感器和應(yīng)變片的布置示意圖如圖3所示．圖3中,等距離布置在模型土箱底部的各個(gè)模型樁之間的距離為70 mm．

圖3 傳感器布置示意圖(單位: mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 徑徑比值取值方法

本研究中的徑徑比值d樁/d砂定義為模型樁的樁徑d樁與砂土顆粒平均粒徑d砂的比值．不同粒徑范圍下徑徑比值隨模型樁的樁徑變化曲線如圖4所示.

圖4 不同粒徑范圍下徑徑比值隨樁徑變化曲線

2.2 樁頂加速度時(shí)域分析

圖5為模型土箱不裝土?xí)r樁徑為20 mm樁體的樁頂加速度時(shí)程圖，施加的沖擊荷載與裝土?xí)r相同．圖6和圖7為不同砂土粒徑范圍下樁徑分別為20 mm和15 mm樁體的樁頂加速度時(shí)程圖．限于篇幅,只給出了樁徑分別為15 mm和20 mm的時(shí)程圖,其余樁徑時(shí)程圖與其變化規(guī)律基本一致．由圖5和圖6a可知,裝土?xí)r樁體加速度幅值較未裝土?xí)r明顯減小,減小約50%．

圖5 樁徑為20 mm時(shí)樁頂加速度時(shí)程圖(未裝土)

圖6 不同粒徑下樁徑為20 mm時(shí)樁頂加速度時(shí)程圖

圖7 不同粒徑下樁徑為15 mm時(shí)樁頂加速度時(shí)程圖

由圖6、7可知:在沖擊荷載作用前期,樁頂加速度達(dá)到峰值,隨后加速度幅值隨時(shí)間增大而逐漸衰減;隨著砂土粒徑增大,樁體振動(dòng)各階段加速度幅值明顯減小,加速度衰減時(shí)間有小幅減小,其中砂土粒徑為0.10～0.25 mm時(shí),樁頂加速度衰減時(shí)間為1.2 s,由開始振動(dòng)至靜止經(jīng)歷的衰減時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)．其中衰減時(shí)長(zhǎng)定義為從樁體產(chǎn)生加速度開始至加速度衰減至0的時(shí)間取值．各樁的樁頂加速度呈現(xiàn)出相似規(guī)律．這是因?yàn)殡S著砂土粒徑范圍的增大,樁與土的接觸面積增大,樁體抵抗變形的能力增強(qiáng),樁在粒徑較大土體中加速度較?。?/p>

表2為大粒徑(1.00～2.00 mm)下不同徑徑比值時(shí)樁頂加速度的衰減時(shí)間及加速度峰值匯總．圖8為不同粒徑范圍下樁頂?shù)募铀俣确逯惦S徑徑比值變化的曲線．

表2 大粒徑下不同徑徑比值時(shí)樁頂加速度衰減時(shí)間及加速度峰值匯總

圖8 樁頂加速度峰值變化曲線

由表2和圖8可知:不同的粒徑范圍下樁頂加速度的峰值均隨徑徑比值的增大而增大;大粒徑范圍(1.00～2.00 mm)下(圖8中最左側(cè)趨勢(shì)線)較其他粒徑范圍(圖8中右側(cè)3條趨勢(shì)線)情形而言，加速度峰值隨徑徑比值增大的變化趨勢(shì)線具有更大的斜率，即大粒徑范圍下，樁頂加速度對(duì)徑徑比值的變化更為敏感.

2.3 樁頂加速度頻域分析

圖9和圖10為不同粒徑范圍下樁徑分別為15 mm和20 mm樁體的樁頂振動(dòng)加速度響應(yīng)頻域曲線．

圖9 樁徑為15 mm時(shí)不同粒徑范圍下樁頂振動(dòng)加速度響應(yīng)頻域曲線

圖10 樁徑為20 mm時(shí)不同粒徑范圍下樁頂振動(dòng)加速度響應(yīng)頻域曲線

由圖9、10可知:不同粒徑范圍下,樁頂加速度的低頻響應(yīng)豐富,樁徑為15、20 mm時(shí)的頻率分布形式基本相同,加速度傅里葉譜幅值在頻率為10～20 Hz達(dá)到了峰值;在相同的樁徑下,隨著砂土平均粒徑增大,加速度傅里葉譜幅值隨著粒徑的增大而增大,粒徑范圍最大(1.00～2.00 mm)時(shí),加速度傅里葉譜幅值達(dá)到最大值;同一頻率區(qū)間內(nèi),隨著砂土平均粒徑的增大,加速度頻譜的譜寬逐漸變窄．

2.4 樁身應(yīng)變反應(yīng)分析

試驗(yàn)測(cè)量樁身應(yīng)變的位置在距樁底15 cm處,該位置處于樁的中心位置,能夠較好地反映樁身的彎曲應(yīng)變規(guī)律．圖11和圖12為樁徑分別為15、20 mm時(shí)不同粒徑范圍的樁身彎曲應(yīng)變時(shí)程圖,其余樁徑的樁身應(yīng)變時(shí)程圖與其變化規(guī)律基本一致．由圖12可知:在不同粒徑范圍的樁身彎曲應(yīng)變時(shí)程曲線形狀大致相同,即受到?jīng)_擊荷載后樁身彎曲應(yīng)變迅速達(dá)到峰值,而后樁身彎曲應(yīng)變反而逐漸衰減．

比較圖11、12可知,樁徑不變時(shí),樁身彎曲應(yīng)變隨著砂土粒徑增大而減小,樁身彎曲應(yīng)變衰減變快．可見,在粒徑為0.10～0.25 mm時(shí),樁身變形最大,振動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)．

圖13為不同粒徑范圍下樁身應(yīng)變峰值隨徑徑比值變化的曲線．由圖13可知:樁身應(yīng)變峰值隨徑徑比值增大而減小;樁體在細(xì)砂(0.10～0.25 mm)中的變形明顯大于其他粒徑范圍,即同一徑徑比值下的應(yīng)變峰值隨粒徑增大而減?。梢?可通過改變砂土粒徑(徑徑比值)來(lái)控制樁體應(yīng)變．

圖12 距樁底15 cm處,樁徑為20 mm的樁身應(yīng)變時(shí)程圖

圖13 不同粒徑范圍下應(yīng)變峰值隨徑徑比值變化的曲線

3 結(jié) 論

1) 隨著砂土粒徑的增大,樁頂加速度幅值明顯減小,樁體振動(dòng)衰減時(shí)間有小幅變短．較其他粒徑范圍情形而言，大粒徑范圍(1.00～2.00 mm)下加速度峰值隨徑徑比值增大的變化趨勢(shì)線具有更大的斜率，即大粒徑范圍下，樁頂加速度對(duì)徑徑比值的變化更為敏感.

2) 在加速度頻域范圍內(nèi),同一樁徑下,不同粒徑范圍的低頻響應(yīng)較豐富,隨著砂土平均粒徑的變化,傅里葉譜峰值也有不同程度的變化,但譜峰對(duì)應(yīng)的頻率變化不大．

3) 同一樁徑下,隨著砂土粒徑的增大,樁身彎曲應(yīng)變減小,樁身應(yīng)變衰減變快,砂土粒徑為0.10～0.25 mm時(shí)樁體恢復(fù)原始狀態(tài)所需的時(shí)間最長(zhǎng)．因此,砂土粒徑是影響樁身應(yīng)變的重要因素．