邸同宇,吳文兵,張?jiān)迄i,劉 浩
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 浙江研究院,杭州 311305)
樁基縱向振動(dòng)理論是進(jìn)行樁基動(dòng)力設(shè)計(jì)和低應(yīng)變檢測的重要理論基礎(chǔ),目前國內(nèi)外學(xué)者在樁基縱向振動(dòng)領(lǐng)域取得了眾多研究成果。Winker地基模型[1]是目前在工程實(shí)踐中被最為廣泛應(yīng)用的一種樁土相互作用模型,該模型通過將樁土相互作用簡化為彈簧和阻尼元件實(shí)現(xiàn)了樁土相互作用問題的快速求解。但是該模型參數(shù)選取依賴于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn),且該離散化的土體模型無法有效反映波在土體中的傳播規(guī)律。Novak等[2-3]提出了平面應(yīng)變模型,模型中土體被簡化為縱向無主應(yīng)力差的無限薄層,從而忽略了土體位移在豎直方向的變化,因此該模型只能夠反映土體中剪切波的徑向傳播。通過改進(jìn)平面應(yīng)變模型,Nogami等[4]提出了豎向波動(dòng)模型,解決了土體中縱波沿豎向傳播問題。平面應(yīng)變模型和豎向波動(dòng)模型由于具備良好的可延展性,因此被廣泛應(yīng)用于樁土相互作用模型推導(dǎo)[5-6]。Wu等[7]和Zheng等[8]先后建立了適用于實(shí)心樁和管樁的考慮土體徑向位移的真三維波動(dòng)模型,并用其分析了半正弦脈沖下樁頂?shù)乃俣葧r(shí)域響應(yīng)問題。但是,土體材料通常是一種復(fù)雜的多相介質(zhì),上述理論都假定土體為單相連續(xù)介質(zhì),忽略了孔隙流體的作用,與真實(shí)的樁-土相互作用仍有差距。Biot[9]提出的飽和介質(zhì)動(dòng)力固結(jié)理論較好地解決了飽和多孔介質(zhì)的振動(dòng)問題,且在線彈性范圍內(nèi)可得到嚴(yán)格的解析解,因而被廣泛利用。
在樁體振動(dòng)理論方面,一維桿件模型被廣泛用作低應(yīng)變檢測理論的基礎(chǔ),其考慮了應(yīng)力波在樁身內(nèi)的縱向傳播,對(duì)于一般尺寸的樁基測試信號(hào)具有較好的解譯結(jié)果[10-12]。但是,隨著大直徑樁基的推廣應(yīng)用,應(yīng)力波在樁身內(nèi)傳播的三維效應(yīng)已經(jīng)成為影響低應(yīng)變測試解譯結(jié)果的不可忽略的因素[13]。Chow等[14]利用現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元方法,發(fā)現(xiàn)在對(duì)一定直徑的樁基進(jìn)行低應(yīng)變檢測時(shí),檢測信號(hào)會(huì)受到嚴(yán)重的高頻干擾,且在反射信號(hào)后會(huì)出現(xiàn)顯著的負(fù)向脈沖。為了模擬大直徑樁基低應(yīng)變檢測時(shí)的三維效應(yīng),丁選明等[15-16]、劉浩等[17]、孟坤等[18]、Liu等[19-20]用三維連續(xù)介質(zhì)理論模擬樁身材料,再通過樁土應(yīng)力邊界的連續(xù)條件實(shí)現(xiàn)樁土微分方程的耦合求解,建立了真三維耦合的樁土低應(yīng)變測試?yán)碚摚l(fā)現(xiàn)應(yīng)力波在樁身內(nèi)的橫向傳播和不斷發(fā)生的界面反射以及局部荷載作用導(dǎo)致的彎曲振動(dòng)模態(tài)是造成高頻干擾的主要原因。基于三維連續(xù)理論的樁-土耦合低應(yīng)變理論,其數(shù)學(xué)求解過于復(fù)雜,常常涉及到復(fù)平面上超越方程的數(shù)值求解問題,尤其在成層地基問題中計(jì)算效率較低。不僅如此,三維效應(yīng)導(dǎo)致的橫波干擾已經(jīng)有了較好的消除方式,對(duì)于徑向橫波可以通過在樁芯和樁壁分別布置的傳感器進(jìn)行雙速度疊加進(jìn)行消除,而對(duì)于切向傳播的橫波則可以通過將激振和接收器布置呈90°來消除[21]。張敬一等[22-23]在樁基低應(yīng)變檢測中采用小波變換法,有效減少了干擾信號(hào)的影響,提高了樁底及缺陷段反射信號(hào)的拾取精度。因此,現(xiàn)在耗費(fèi)大量的計(jì)算能力以模擬真三維效應(yīng)已經(jīng)不是低應(yīng)變檢測的主要需求,相反由于橫向慣性效應(yīng)導(dǎo)致的反射波震蕩問題逐漸成為阻礙精確化缺陷識(shí)別的又一問題。為了能在有限的計(jì)算量下模擬樁土系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力波的傳播并真實(shí)地模擬橫向慣性效應(yīng),Li等[24]和吳文兵等[25]從能量法的角度修正了一維桿件理論,提出了適用于樁基低應(yīng)變測試的Rayleigh-Love桿件模型,該模型建模簡單,且有嚴(yán)格的完全解析解,具有較好的可編程性。
隨著工程建設(shè)對(duì)樁基承載能力的要求不斷提高,大直徑現(xiàn)澆混凝土管樁開始得到學(xué)者們的重視[26]。與實(shí)心樁不同,大直徑現(xiàn)澆混凝土管樁在成樁的過程中,管樁內(nèi)會(huì)形成一定高度的樁芯土(亦稱“土塞”),樁芯土的存在使得管樁的承載能力和動(dòng)力學(xué)復(fù)剛度得到提升,但也使得其振動(dòng)情況變得復(fù)雜,理論求解的難度也進(jìn)一步增大[27]。鄭長杰等[28]基于分布式Voigt模型模擬樁芯土與管樁內(nèi)壁相互作用關(guān)系,進(jìn)一步研究了管樁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)解析解;吳文兵等[29]提出了土塞附加質(zhì)量模型,并在此基礎(chǔ)上給出了樁側(cè)土-管樁-樁芯土的縱向耦合振動(dòng)解析解;劉林超等[30]將樁芯土和管樁內(nèi)壁之間的相互作用簡化成動(dòng)摩擦作用,并且給出了樁土縱向耦合振動(dòng)解析解。以上模型中均將樁芯土視為單相介質(zhì),而忽略了真實(shí)的飽和土體中的土水相互作用,不能反映飽和土體中的真實(shí)樁基檢測結(jié)果。
本文基于軸對(duì)稱下Biot三維飽和多孔介質(zhì)理論和Rayleigh-Love桿件模型,建立了三維飽和土中考慮管樁橫波效應(yīng)的樁周土-管樁-樁芯土縱向耦合振動(dòng)模型,并以此為基礎(chǔ)對(duì)飽和土中大直徑管樁低應(yīng)變測試時(shí)的橫向振動(dòng)導(dǎo)致的反射波震蕩進(jìn)行了研究。
本文研究對(duì)象為三維飽和土中的大直徑管樁,樁土間相互作用模型如圖1所示。管樁高度為H,內(nèi)外半徑分別為r1和r2,樁周土和樁芯土均為單層飽和土,模型中樁周土與樁芯土高度和管樁一致。根據(jù)連續(xù)模型的基本思想,將樁芯土和樁周土與管樁內(nèi)外壁之間的相互作用簡化為動(dòng)摩擦力。假設(shè)管樁為端承樁,樁頂無位移,同時(shí)在樁頂施加激振力p(t)。
(1) 樁側(cè)土與樁芯土為均勻各向同性的三維飽和線彈性體,樁周土體沿徑向無限延伸,土體表面均為自由表面,表面上既無正應(yīng)力也無剪應(yīng)力。
圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational models
(2) 管樁簡化為具有均勻環(huán)形截面的黏彈性Rayleigh-Love桿件,其徑向位移大小通過能量法和泊松效應(yīng)進(jìn)行換算。
(3) 在振動(dòng)過程中,管樁外壁和內(nèi)壁分別與樁周土和樁芯土保持完全接觸,即樁土界面在整個(gè)振動(dòng)過程中始終保持應(yīng)力和變形連續(xù),樁土界面無滑移。
(4) 在振動(dòng)過程中,樁土系統(tǒng)發(fā)生的變形滿足幾何方程的小變形假設(shè)。
(5) 系統(tǒng)在初始時(shí)刻無任何速度和加速度,樁頂施加的縱向激振是樁土系統(tǒng)發(fā)生動(dòng)力響應(yīng)的唯一因素。
1.3.1 控制方程
(1) 飽和土體振動(dòng)方程
基于Biot理論建立的飽和土體振動(dòng)方程如下
(1)
(2)
(3)
(4)
式中:u和w分別表示飽和土體中固相位移和液相相對(duì)于固相的位移;r和z分別表示圓柱坐標(biāo)系中徑向方向和縱向方向;λ和μ為土骨架的Lame常數(shù);ρ、ρf和ρs分別表示土體密度、流體密度和土顆粒密度;m=ρf/n,n為飽和土孔隙率,b=η/k,表征流體對(duì)土骨架變形的滲透力的系數(shù),η和k分別為流體黏滯系數(shù)和流體滲透系數(shù);a和M為表征土體顆粒以及流體壓縮性的常數(shù),定義如下
Kd=Ks[1+n(Ks/Kf-1)]
式中,Ks、Kf及Kb分別為土顆粒、流體及土骨架的體積壓縮模量。后續(xù)標(biāo)有上標(biāo)s的方程和變量對(duì)應(yīng)樁芯土,未攜帶上標(biāo)的方程和變量對(duì)應(yīng)樁周土。
(2) 管樁豎向振動(dòng)方程
考慮管樁橫向效應(yīng)后,管樁的縱向振動(dòng)平衡方程如下
(5)
1.3.2 邊界條件
(1) 土體邊界條件:
土體無窮遠(yuǎn)處與中心的徑向、縱向位移均為0
(6)
土體表面均為自由界面,縱向應(yīng)力為0
因此,應(yīng)對(duì)完善本科高?,F(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì),同時(shí)增加雙素質(zhì)教師培養(yǎng),如成立實(shí)踐指導(dǎo)小組,由《中級(jí)財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)》專業(yè)授課教師和企事業(yè)單位的會(huì)計(jì)人員共同組成指導(dǎo)小組,共同負(fù)責(zé)、監(jiān)督實(shí)踐教學(xué)實(shí)施。
(7)
樁周土與樁芯土底面邊界條件如下
(8)
飽和土孔壓邊界條件
(9)
(2) 樁土接觸界面連續(xù)性條件:
(10)
(11)
(3) 管樁樁頂和樁端邊界條件:
(12)
(13)
(4) 飽和土與管樁初始條件:
(14)
(15)
為了耦合固相和液相,引入勢函數(shù)如下
(16)
(17)
(18)
(19)
將勢函數(shù)代入上述方程,再對(duì)時(shí)間進(jìn)行拉普拉斯變換得到以下方程
(20)
(21)
(22)
(23)
將上式表示成矩陣形式
(24)
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
(34)
(35)
將勢函數(shù)代入式(16)~(19),得到以下結(jié)果:
K0(g21r)(C2g22eg22z-D2g22e-g22z)-
(36)
K1(g21r)g21(C2eg22z+D2e-g22z)-
h11K1(h11r)(C5h12eh12z-D5h12e-h12z)
(37)
K0(g21r)(C4g22eg22z-D4g22e-g22z)-
(38)
K1(g21r)g21(C4eg22z+D4e-g22z)-
h11K1(h11r)(C6h12eh12z-D6h12e-h12z)
(39)
結(jié)合飽和土邊界條件式(7)以及K0(g11r)、K0(g21r)、K0(h11r)之間非線性關(guān)系,可以得到如下關(guān)系
C1+D1=C2+D2=C5-D5=0
(40)
由土體底面邊界條件(8),可以得到g12,g22,h12同時(shí)滿足如下方程
(41)
再結(jié)合樁土接觸界面孔壓邊界條件(9),可以得到如下方程
λ1g1nC1nK1(g1nr1)+λ2g2nC2nK1(g2nr1)+
λ5h1nhnC5nK1(h1nr1)=0
(42)
通過式(42),C5n可用C1n、C2n表示如下
(43)
代入上述待定系數(shù)后,樁土接觸界面處樁周土縱向表達(dá)式可表示為
(44)
其中,
樁土接觸面處樁周土剪應(yīng)力為
(45)
樁土接觸面處樁周土水平位移
(46)
由連續(xù)模型可知,樁芯土振動(dòng)方程與樁周土一致,采用相同的求解步驟,可以得到樁芯土的縱向及徑向位移表達(dá)式如下
I0(g41r)(E2g42eg22z-F2g42e-g42z)-
(47)
I1(g41r)g41(E2eg42z+F2e-g42z)+
h11I1(h21r)(E5h22eh22z-F5h22e-h22z)]
(48)
I0(g41r)(E4g42eg42z-F4g42e-g42z)-
(49)
I1(g41r)g41(E4eg42z+F4e-g42z)+
h11I1(h21r)(E6h22eh22z-F6h22e-h22z)]
(50)
式中,E1、E2、E3、E4、E5、E6為待定系數(shù)。
結(jié)合樁芯土的邊界條件,樁土接觸界面處樁芯土縱向位移、剪應(yīng)力及徑向位移為
(51)
(52)
(53)
由式(10)和式(11)可以得到樁周土與樁芯土位移表達(dá)式的系數(shù)之間具有如下關(guān)系
E1n=m1C1n+n1C2n
(54)
E2n=m2C1n+n2C2n
(55)
結(jié)合初始條件式(15),對(duì)管樁縱向振動(dòng)方程進(jìn)行Laplace變換
(56)
式中,Up為up拉普拉斯變換,式(56)的通解為
Up=αeκz+βe-κz+
(57)
由管樁邊界條件(12)、(13)容易求得α、β
(58)
(59)
由樁土邊界連續(xù)條件(10)、(11)以及函數(shù)sinh的正交性,求C1n和C2n
(60)
(61)
最后得C1n、C2n:
(62)
(63)
樁頂?shù)奈灰谱杩购瘮?shù)為
(64)
樁頂界面處的速度傳遞函數(shù)為
(65)
在式(65)中令s=iω,則得到樁頂速度頻域響應(yīng)函數(shù)Hv。當(dāng)樁頂作用瞬態(tài)半正弦脈沖荷載p(t)=Qmaxsin(ω0t)(0≤t≤π/ω0),可得到樁頂速度時(shí)域響應(yīng)半解析解
(66)
本文解采用的管樁模型為Rayleigh-Love桿件,當(dāng)Rayleigh-Love桿件的泊松比取值為0時(shí),本文解退化為一維桿件模型。當(dāng)管樁內(nèi)部樁芯土的彈性模量取值為0時(shí),本文解退化為忽略樁芯土的樁周土-管樁縱向耦合振動(dòng)模型。
討論中采用的樁土參數(shù)為:飽和土密度2 200 kg/m3,土體剪切波速為120 m/s,Ks=36 GPa,Kf=2 GPa,孔隙率n=0.4,泊松比v=0.35,常數(shù)α=0.97;管樁密度為2 500 kg/m3,樁身縱波波速為4 000 m/s,泊松比vp=0.3,管樁高度為15 m,內(nèi)外半徑分別為1.0 m、0.8 m;激振荷載ω0=4 000 rad/s。下文的參數(shù)分析未作說明時(shí)均采用上述參數(shù)。
從圖2中可以看出,本文解與一維桿件解的曲線趨勢大致保持一致。本文解的樁尖反射信號(hào)幅值較一維桿件理論有所下降,并且時(shí)間上具有一定的滯后性。反射信號(hào)幅值的下降是由于在本文解中部分應(yīng)力波能量發(fā)生在了橫向變形上,導(dǎo)致本文解的幅值相比于只考慮縱向變形的一維桿件模型發(fā)生下降。同時(shí),相對(duì)于一維解,本文解較好地考慮了樁底反射波到達(dá)樁頂后沿徑向散射導(dǎo)致的震蕩效應(yīng)。
圖2 本文解與一維桿件解對(duì)比Fig.2 Comparison between the paper’s solution and one- dimensional solution
管樁由于存在樁芯土,其縱向振動(dòng)情況會(huì)變得更加復(fù)雜。本文假設(shè)樁芯土高度與管樁相同,從圖3中可以看出,忽略樁芯土模型的樁頂速度時(shí)域曲線比考慮樁芯土的模型具有更強(qiáng)的振蕩現(xiàn)象,并且樁尖反射信號(hào)的幅值更高。此外,樁芯土的存在會(huì)導(dǎo)致模型樁的樁頂速度時(shí)域曲線在振蕩效應(yīng)結(jié)束后具有更高的幅值。綜上所述,大直徑管樁的縱向振動(dòng)過程必須要考慮樁芯土對(duì)結(jié)果的影響。
圖3 樁芯土的影響Fig.3 Influences of the presence of pile core soil
本文建立的模型考慮了樁身橫波干擾效應(yīng),因此下面詳細(xì)討論管樁泊松比變化對(duì)管樁縱向振動(dòng)特性的影響。分別設(shè)置管樁泊松比為0,0.1,0.2,0.3。從圖4中可以看出,不同管樁泊松比下,管樁的樁頂速度時(shí)域響應(yīng)曲線在樁尖反射信號(hào)處具有較大的差異性。隨著管樁泊松比的增大,第一次樁尖反射信號(hào)會(huì)逐漸延遲,并且樁尖反射信號(hào)的幅值也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。隨著管樁泊松比的增大,第一次樁尖反射信號(hào)后的曲線振蕩程度逐漸增強(qiáng)。應(yīng)力波在經(jīng)過樁尖反射回到樁頂后會(huì)產(chǎn)生大量的橫波,橫波沿徑向傳播產(chǎn)生了振蕩效應(yīng)。當(dāng)管樁泊松比越大時(shí),橫波的影響越大,樁頂接收到信號(hào)振蕩效應(yīng)越明顯。
圖4 泊松比對(duì)樁頂速度響應(yīng)的影響Fig.4 Influences of Poisson’s ratio on the velocity responseat pipe top
本文采用的管樁模型為Rayleigh-Love桿件,該模型在分析大直徑樁的振動(dòng)方面具有較好的適用性,因此該部分主要分析管樁壁厚對(duì)樁頂縱向振動(dòng)的影響。分別改變內(nèi)半徑為0.9 m,0.8 m,0.7 m,0.6 m,管樁壁厚分別為0.1 m,0.2 m,0.3 m,0.4 m,得到的樁頂速度時(shí)域曲線如圖5所示。
圖5 壁厚對(duì)樁頂速度響應(yīng)的影響Fig.5 Influences of width of pile shaft on the velocity response at pipe top
從圖中可以看到,管樁壁厚對(duì)樁尖信號(hào)反射前的速度時(shí)域曲線影響程度很小,但是對(duì)樁尖反射信號(hào)的幅值影響較大。隨著管樁壁厚增大,樁尖反射信號(hào)幅值逐漸提高。這說明在進(jìn)行樁基低應(yīng)變檢測中,在相同條件下,壁厚較大的管樁更容易接收到樁尖反射信號(hào)。
圖6為管樁長細(xì)比對(duì)樁頂速度時(shí)域曲線的影響,討論中保持管樁高度,壁厚不變,分別改變管樁外半徑。從圖中可以看到,隨著管樁長細(xì)比的增大,第一次樁尖反射信號(hào)沒有發(fā)生明顯的改變,反射信號(hào)的寬度稍微減小。隨著管樁長細(xì)比增大,第一次反射信號(hào)后的曲線振蕩現(xiàn)象提前。
圖6 管樁長細(xì)比對(duì)樁頂速度響應(yīng)的影響Fig.6 Influences of slenderness on the velocity response at pipe top
樁芯土的性質(zhì)一直是樁土系統(tǒng)之間相互作用的重要參數(shù)。本文中的樁周土與樁芯土均為飽和土體,為了區(qū)別樁芯土與樁周土作用的不同,單獨(dú)改變樁芯土的剪切模量,分析其對(duì)樁頂縱向振動(dòng)的影響。
圖7為Eb/μ分別為500,1 000,1 500時(shí)的樁頂速度時(shí)域曲線。從圖中可以看到,隨著樁芯土剪切模量的降低,曲線振蕩幅度在逐漸減小,高頻干擾的現(xiàn)象也在逐漸減弱。樁芯剪切模量的改變對(duì)第一次反射信號(hào)的影響較小,但會(huì)導(dǎo)致反射信號(hào)之后的曲線產(chǎn)生明顯的幅度差。
圖7 樁土模量比對(duì)樁頂速度響應(yīng)的影響Fig.7 Influences of pile-soil modulus ratio on the velocity response at pipe top
表征飽和土滲透能力的系數(shù)b分別取0,105,1010時(shí),樁頂速度時(shí)域曲線如圖8所示。從圖8中可以看出,當(dāng)b=0與b=105N·s/m4,兩者的樁頂速度時(shí)域曲線很相近,當(dāng)b=1010N·s/m4時(shí),第一次樁尖反射信號(hào)較前者的反射信號(hào)幅值有一定程度的下降。
圖8 滲透力對(duì)樁頂速度響應(yīng)的影響Fig.8 Influences of osmotic force on the velocity responseat pipe top
本文推導(dǎo)得到了考慮橫波干擾的飽和土下大直徑管樁的縱向振動(dòng)解析解。土體由Biot多孔介質(zhì)連續(xù)方程控制,為了考慮大直徑樁的樁底反射信號(hào)受到橫向振動(dòng)發(fā)生的振蕩效應(yīng),Rayleigh-Love桿模型在本文中用于管樁振動(dòng)的模擬。通過與經(jīng)典理論解的對(duì)比,本文解的正確性得到了驗(yàn)證,并通過與忽略樁芯土的模型對(duì)比,證明了樁土模型考慮樁芯土的必要性。主要結(jié)論如下:
(1) 隨著管樁泊松比增大,管樁橫向慣性效應(yīng)增強(qiáng),樁尖反射信號(hào)幅值逐漸降低,反射信號(hào)寬度逐漸增大,并且在時(shí)間上具有延遲的趨勢。
(2) 隨著管樁壁厚增大,樁尖反射信號(hào)幅值增大,反射信號(hào)寬度增大,反射信號(hào)后的曲線振蕩幅值逐漸增大,但隨著時(shí)間推移,管樁壁厚增大帶來的振蕩增強(qiáng)現(xiàn)象會(huì)逐漸減弱。
(3) 管樁長細(xì)比變化對(duì)樁頂速度時(shí)域曲線影響相對(duì)較小,隨著管樁長細(xì)比的減小,樁尖反射信號(hào)逐漸延遲,隨著時(shí)間的推移,樁尖反射信號(hào)后的延遲現(xiàn)象逐漸明顯。
(4) 當(dāng)樁芯土滲透系數(shù)逐漸增大時(shí),在b=0和b=105N·s/m4,樁頂速度時(shí)域曲線并未發(fā)生存在明顯變化,當(dāng)b取值1010N·s/m4時(shí),即樁芯土幾乎失去滲透性時(shí),樁頂速度時(shí)域曲線的反射信號(hào)幅值比之前情況有所下降,這種現(xiàn)象在反射信號(hào)之后的振蕩曲線中逐漸增強(qiáng)。
(5) 當(dāng)管樁與樁芯土模量比值增大時(shí),樁尖反射信號(hào)幅值呈現(xiàn)微弱的下降趨勢,速度時(shí)域曲線振蕩減弱。