郭院成,呼延安娣,彭 飛,吳 昊,李永輝

(1. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2. 機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引言

土釘(土釘墻和復(fù)合土釘支護(hù))廣泛應(yīng)用于基坑工程之中,當(dāng)基坑周邊存在振動(dòng)作用時(shí),如打樁施工,對(duì)土釘承載性能將產(chǎn)生不利影響[1],引起基坑變形增加,甚至發(fā)生基坑邊坡失穩(wěn)破壞。

關(guān)于振動(dòng)對(duì)土釘支護(hù)體系的影響問(wèn)題,目前學(xué)者大多集中于動(dòng)力穩(wěn)定性、變形和動(dòng)力響應(yīng)特性分析等方面。李英俊等[2]研究了地震作用下土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題;張明聚等[3-4]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和動(dòng)力響應(yīng)特征及規(guī)律;唐文彪[5]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究表明在強(qiáng)振動(dòng)作用下,土釘支護(hù)的面板位移顯著增大;祝方才等[6]分析了循環(huán)荷載作用下土釘軸力、面板位移和加速度以及地表沉降的累積效應(yīng)。

土釘承載性能由土釘與土體界面(釘-土界面)剪切性狀決定,靜力條件下土釘拉拔試驗(yàn)及釘-土界面剪切試驗(yàn)研究較為成熟[7-8]。而振動(dòng)對(duì)土釘與土體相互作用影響的研究較為缺乏,吳昊[9]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了不同振動(dòng)條件對(duì)釘-土界面強(qiáng)度的影響,本文在此基礎(chǔ)上,控制上覆壓力和粉土含水量等影響因素,進(jìn)一步開(kāi)展振動(dòng)作用下土釘界面剪切受力模擬試驗(yàn),探究不同土層應(yīng)力及含水狀態(tài)下釘土界面剪切作用的振動(dòng)影響規(guī)律,以期為振動(dòng)作用下土釘承載力量化計(jì)算及土釘類(lèi)基坑支護(hù)安全分析與控制提供支撐。

1 模擬試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)土樣來(lái)自河南鄭州市東部某基坑工程,土樣的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1,顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。配置含水量為10%、13%和16%的三組粉土,通過(guò)直剪試驗(yàn),得到三種含水率下粉土的黏聚力及內(nèi)摩擦角,見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property index of test soil samples

表2 不同含水量粉土c和φ值Table 2 c、φ of silt with different water content

圖1 土樣顆粒級(jí)配累計(jì)曲線Fig. 1 Particles size distribution of the silty soil

1.2 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

此次模擬試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示,包含模型箱、加載反力架、加載系統(tǒng)及振動(dòng)作用模擬設(shè)備等組成。其中:模型箱尺寸為400 mm×600 mm×850 mm(長(zhǎng)×寬×高),箱體四壁為6 mm厚的高強(qiáng)度鋼板,左右兩側(cè)預(yù)留直徑140 mm的圓孔放置土釘,土釘與側(cè)壁圓孔間采用橡膠密封環(huán)密封,避免加載過(guò)程中土體擠出,箱體內(nèi)壁貼聚乙烯薄膜以減小箱壁摩擦力和剛性邊界對(duì)波的反射作用[10]。豎向加載由加載板與反力架間的自帶壓力補(bǔ)償?shù)那Ы镯斕峁?水平拉拔荷載由夾持在貫穿土釘模擬構(gòu)件(鋁管)的絲桿的穿心千斤頂施加。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 2 Test platform

采用YZU系列三相380V異步振動(dòng)電機(jī)作為激振器模擬施工振動(dòng),如圖3所示。激振器設(shè)置于地面,距離模型箱約1m,激振力大小由兩轉(zhuǎn)子間夾角決定,振動(dòng)頻率由變頻器調(diào)節(jié)。

圖3 激振器Fig. 3 Vibration exciter equipment

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的施工時(shí)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線圖可知:振動(dòng)主要頻率約在4～50 Hz,峰值頻率約在10 Hz,加速度幅值均小于0.1 g。為模擬實(shí)際施工振動(dòng)作用,控制激振器使其對(duì)土體產(chǎn)生振動(dòng)的加速度小于0.1 g,并根據(jù)韓京燕等[11]提出的計(jì)算公式,調(diào)節(jié)激振器,設(shè)定最大激振力為8 kN,最大振動(dòng)頻率為10 Hz。

豎向加載量由千斤頂下壓力傳感器測(cè)控,并預(yù)埋土壓力盒量測(cè)核定箱內(nèi)土體豎向應(yīng)力;水平拉拔力由加載系統(tǒng)控制,拉拔位移由構(gòu)件端頭和千斤頂活塞處布置的位移計(jì)測(cè)定;此外,試驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)置振動(dòng)采集儀,進(jìn)一步獲取模型箱內(nèi)土體振動(dòng)信息。試驗(yàn)加載控制及數(shù)據(jù)量測(cè)儀器布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)加載控制及數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器布置圖Fig. 4 Layout of test load controlling and measuring instruments

1.3 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)際工程中:土釘鉆孔直徑約為100 mm,通常采用直徑18～25 mm的HRB400鋼筋、以水灰比0.5的水泥漿灌注成型;彈性模量約為20 GPa?；谀Ａ康刃г瓌t和試驗(yàn)的可行性,土釘?shù)哪M構(gòu)件采用空心鋁管,長(zhǎng)700 mm,外徑100 mm,厚度5 mm;構(gòu)件與土體的有效接觸長(zhǎng)度為400 mm,且在410 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的構(gòu)件表面進(jìn)行鑿刻和粘砂處理,以模擬土釘與土體接觸面的粗糙程度。模型土釘如圖5所示。

圖5 土釘模擬構(gòu)件實(shí)物圖Fig. 5 Simulation component of the soil nailing

1.4 試驗(yàn)方案與過(guò)程

此次試驗(yàn)進(jìn)行土釘模擬構(gòu)件(鋁管)靜力拉拔試驗(yàn)和振動(dòng)作用下拉拔試驗(yàn)。通過(guò)靜力拉拔試驗(yàn)獲得構(gòu)件的極限拉拔荷載及釘-土界面拉拔剪切性狀;在此基礎(chǔ)上,根據(jù)靜力極限拉拔荷載分級(jí)設(shè)定拉拔力,并施加振動(dòng)作用,研究不同拉拔受力狀態(tài)下振動(dòng)對(duì)釘-土界面剪切作用的影響。試驗(yàn)方案概況見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案概況表Table 3 Overview of the tests

靜力拉拔試驗(yàn)共進(jìn)行9組,其中土體含水量分別為10%、13%和16%;上覆荷載分別為10 kPa、50 kPa和100 kPa。試驗(yàn)過(guò)程如下:(1)空拉構(gòu)件,確定構(gòu)件與箱體側(cè)壁圓孔的摩擦阻力。(2)填土。分層填土和壓實(shí),填土?xí)r分層處進(jìn)行刮毛處理,并按預(yù)定位置設(shè)置土壓力盒。(3)施加上覆荷載。填土完成靜置一段時(shí)間后,按設(shè)計(jì)加載量分級(jí)施加上覆荷載。(4)施加拉拔荷載。上覆荷載下豎向變形穩(wěn)定后,采用慢速維持荷載法進(jìn)行拉拔試驗(yàn),分級(jí)施加的拉拔力為0.1 kN,拉拔位移無(wú)法穩(wěn)定時(shí)終止試驗(yàn)。

振動(dòng)作用下拉拔試驗(yàn),包括振動(dòng)拉拔試驗(yàn)和極限拉拔力試驗(yàn),其構(gòu)件設(shè)置、填土及上覆荷載施加均與靜力拉拔試驗(yàn)相同,根據(jù)靜力拉拔試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)并施加不同水平拉力,變形穩(wěn)定后,施加振動(dòng)作用,記錄隨振動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)土釘拉拔力變化數(shù)據(jù),當(dāng)拉力計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后,終止試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程照片如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)過(guò)程Fig. 6 Test process

試驗(yàn)通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀TROMINO,采集振動(dòng)時(shí)間為2min時(shí),不同初始剪應(yīng)力下的加速度時(shí)程數(shù)據(jù),繪制出加速度時(shí)程曲線圖,如圖7所示。

圖7 振動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig. 7 Vibration Acceleration Time-History Curve

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 釘-土界面拉拔剪切受力性狀

圖8為靜力拉拔試驗(yàn)釘-土界面剪應(yīng)力(拉拔力與界面面積的比值)與拉拔位移關(guān)系曲線。由圖8可知:在拉拔試驗(yàn)初始階段,釘-土界面剪應(yīng)力隨拉拔位移的增大呈非線性增大,當(dāng)釘-土間相對(duì)位移達(dá)到一定值后,釘-土界面的剪應(yīng)力隨拉拔位移的增大趨于穩(wěn)定,這與YIN等[12]的相關(guān)試驗(yàn)規(guī)律一致。上覆荷載的增加提高了土與土釘界面的相互作用強(qiáng)度,使得釘-土界面最大剪應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的拉拔位移均隨上覆荷載的增加而增大。此外,隨著土體含水率的增加,土體強(qiáng)度降低,釘-土界面咬合摩擦作用減弱,且剪切作用影響范圍減小[13],使得釘-土界面剪切應(yīng)力明顯下降,最大剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的拉拔位移亦有所減小。

圖8 靜力拉拔試驗(yàn)釘-土界面剪應(yīng)力與拉拔位移曲線Fig. 8 Shear stress and displacement curve of nail-soil interface in static pullout test

根據(jù)釘-土界面峰值剪應(yīng)力與上覆荷載的關(guān)系,由摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合得到釘-土界面的黏聚力c和摩擦角φ,兩者隨粉土含水量變化曲線如圖9所示。由圖可知:隨著粉土含水量的增大,釘-土界面黏聚力c和摩擦角φ均近似呈線性減小趨勢(shì),分析認(rèn)為:土體含水量增大,土顆粒中弱結(jié)合水增多,顆粒間分子引力減弱,土體黏聚力降低。此外,非飽和粉土含水量增大導(dǎo)致土體內(nèi)孔隙間出現(xiàn)自由水,土顆粒間及土與結(jié)構(gòu)接觸面的作用強(qiáng)度減小,也會(huì)引起黏聚力的下降[13]。同時(shí),土體孔隙內(nèi)水含量增多,水分子在土顆粒表面的潤(rùn)滑作用加強(qiáng),使得釘-土界面的摩擦角減小[14-15]。

圖9 靜力拉拔試驗(yàn)釘-土界面剪切強(qiáng)度指標(biāo)與含水率量曲線Fig. 9 Shear strength index and water content curve of nail-soil interface in static pullout test

2.2 振動(dòng)對(duì)釘-土界面拉拔剪切受力的影響

圖10為振動(dòng)作用下,當(dāng)含水率為10%、13%和16%時(shí)釘-土界面剪應(yīng)力變化曲線。由圖可知:曲線整體呈非線性變化,振動(dòng)前期土釘端部拉拔力衰減速率較快,振動(dòng)20min后衰減速率逐漸減慢;同一振動(dòng)時(shí)間下,土體含水量越高,釘-土界面處剪應(yīng)力值衰減變化越大。究其原因:伴隨著振動(dòng)作用的持續(xù)施加,振動(dòng)能量不斷累積,引起土體擾動(dòng)損傷程度增加,土體強(qiáng)度降低,土顆粒間庫(kù)侖摩擦消耗的能量減少[16]。此外,振動(dòng)作用使得釘-土接觸面附近土體松動(dòng),并發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷和破壞,導(dǎo)致釘-土界面摩擦力和黏聚力降低[17];持續(xù)振動(dòng)造成土顆粒間的膠結(jié)作用破壞,界面剪切對(duì)土體的影響范圍變小,亦使得釘-土界面剪切強(qiáng)度下降[18]。在相同振動(dòng)時(shí)間下,隨著含水量的增大土體耗散能量增多,土體強(qiáng)度減弱且變形能力增強(qiáng)[19],加之釘-土界面處水分振動(dòng)聚集效應(yīng)引起的潤(rùn)滑作用加劇,使得釘-土界面剪應(yīng)力衰減越發(fā)顯著。

圖10 不同含水量下釘-土界面剪應(yīng)力隨振動(dòng)時(shí)間變化曲線(OP=100kPa)Fig. 10 Curves of nail-soil interface shear stress under different water contents (OP=100kPa)

含水率為13%,上覆荷載分別為10kPa、50kPa和100kPa時(shí)釘-土界面剪應(yīng)力隨振動(dòng)時(shí)間變化曲線,如圖11所示。由圖可知:不同上覆荷載作用下釘-土界面剪應(yīng)力隨振動(dòng)時(shí)間亦呈現(xiàn)非線性變化衰減趨勢(shì), 且衰

圖11 不同上覆荷載下釘-土界面剪應(yīng)力隨振動(dòng)時(shí)間變化曲線(w=13%)Fig. 11 Curves of nail-soil interface shear stress under different OP (w=13%)

減幅度隨振動(dòng)時(shí)間增加逐漸減小。在相同振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)下,上覆荷載越大,釘-土界面處剪應(yīng)力值變化幅度越小,這與SUKMAK等[20]和CHU等[21]等進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)研究規(guī)律相符;其原因可能是在同一激振力下,上覆荷載越大,所采集的振動(dòng)加速度相對(duì)越小,釘-土相互作用受振動(dòng)影響越小[9];此外,上覆荷載的增大,土釘和土體的結(jié)合更加緊密,釘土間相互作用加強(qiáng),抵抗振動(dòng)損傷效應(yīng)相對(duì)增強(qiáng),進(jìn)一步降低了振動(dòng)作用對(duì)釘-土界面剪應(yīng)力衰減的影響。

2.3 界面剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律

圖12為不同上覆荷載下釘-土界面最大剪應(yīng)力(界面剪切強(qiáng)度)隨振動(dòng)時(shí)間的變化曲線。由圖可知:釘-土界面剪切強(qiáng)度隨振動(dòng)時(shí)間的增加不斷衰減,振動(dòng)初期界面剪切強(qiáng)度變化幅度較大,隨著振動(dòng)時(shí)間的增加界面剪切強(qiáng)度的衰減幅度減小。振動(dòng)使釘-土界面土體發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞,且振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)引起的土體損傷越多,釘土間相互作用減弱,釘-土界面剪切作用強(qiáng)度降低,最大剪切應(yīng)力逐漸減小;隨著振動(dòng)作用對(duì)粉土及釘-土界面擾動(dòng)累積,逐步達(dá)到該振動(dòng)強(qiáng)度下的完全損傷狀態(tài),釘-土界面剪切強(qiáng)度的衰減隨振動(dòng)時(shí)間增加逐漸趨于平緩。從試驗(yàn)結(jié)果上看:振動(dòng)作用下釘-土界面剪切強(qiáng)度衰減可達(dá)40%以上。與前述不同釘-土界面剪切應(yīng)力下(不同初始拉拔應(yīng)力作用下)振動(dòng)作用影響規(guī)律相同,粉土含水率越大,釘-土界面剪切強(qiáng)度的衰減幅度越大,上覆荷載越大,釘-土界面剪切強(qiáng)度衰減幅度越小。

圖12 不同OP下釘-土界面最大剪應(yīng)力隨振動(dòng)時(shí)間變化曲線Fig. 12 Maximum shear stress-vibration time curves under different OP

參考釘-土界面靜力拉拔試驗(yàn)處理方法,采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合得到振動(dòng)作用下釘-土界面強(qiáng)度指標(biāo),進(jìn)而繪制強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c和摩擦角φ)衰減比隨振動(dòng)時(shí)間增加變化曲線,如圖13所示。由圖可知,隨振動(dòng)時(shí)間的增加,釘-土界面黏聚力c前期衰減顯著,振動(dòng)20min后,衰減比呈現(xiàn)基本穩(wěn)定的趨勢(shì);粉土含水量越大,釘-土界面黏聚力衰減比越大。釘-土界面摩擦角φ的衰減隨振動(dòng)時(shí)間增加衰減程度增長(zhǎng)較快,振動(dòng)初期不同含水率對(duì)應(yīng)的衰減差異較小,隨著振動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng),土體含水量越高,界面摩擦角衰減比增量越顯著,但從變化趨勢(shì)上看:振動(dòng)時(shí)間達(dá)到30min后,界面摩擦角衰減比增長(zhǎng)趨于平緩。對(duì)于粉土而言,其含水率對(duì)釘-土界面黏聚力衰減的影響比摩擦角更顯著。

圖13 不同含水率下釘-土界面強(qiáng)度指標(biāo)衰減比隨振動(dòng)時(shí)間增加變化曲線線Fig. 13 Attenuation ratio diagram of c and φ of nail-soil interface with vibration time under different soil moisture content

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)土釘與粉土界面靜力拉拔及振動(dòng)作用下拉拔模擬試驗(yàn),研究不同土層應(yīng)力和土體含水率條件下,振動(dòng)對(duì)釘-土界面受力性狀的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,得到以下結(jié)論:

1)振動(dòng)作用下,釘-土界面剪應(yīng)力呈現(xiàn)非線性衰減趨勢(shì),剪應(yīng)力越大,衰減量越大;振動(dòng)初期,界面剪應(yīng)力降幅較大,隨著振動(dòng)時(shí)間增加,界面剪應(yīng)力降低趨勢(shì)逐漸收斂。振動(dòng)作用引起土體及釘-土界面擾動(dòng)損傷,釘-土界面摩擦角和黏聚力均出現(xiàn)降低現(xiàn)象,界面剪切強(qiáng)度顯著降低。

2)在土體含水率和振動(dòng)時(shí)間相同時(shí),上覆荷載越大,釘-土界面剪應(yīng)力越大,較大的上覆荷載使釘土間相互作用加強(qiáng),有助于降低振動(dòng)作用的影響。

3)粉土的含水率對(duì)釘-土界面受力特性的影響較為顯著,上覆荷載和振動(dòng)時(shí)間相同時(shí),含水率越大,釘-土界面剪應(yīng)力越小。土體含水率的增大,釘-土界面黏聚力與摩擦角振動(dòng)衰減比增加,界面剪切強(qiáng)度降幅越大。在振動(dòng)作用下,土體含水率對(duì)釘-土界面剪切受力的影響較靜力條件下更為顯著。