打樁作用下邊坡動力響應(yīng)模型試驗研究

韋中華 錢玉林 周 清 貴季嶸

(揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院,揚州 225000)

1 概述

從20世紀(jì)70年代開始,隨著城市的發(fā)展和建設(shè)規(guī)模的日益擴大,打樁振動引起周圍環(huán)境以及建筑物振動的問題越來越多,因此人們對打樁引起的地面振動問題進行了研究.在已開挖基坑內(nèi)進行打樁施工,同樣會對一些黏性土基坑邊坡及周圍環(huán)境會造成一定影響.根據(jù)前人研究的成果,打樁產(chǎn)生的振動對地面的土擾動很大,會激發(fā)土體內(nèi)的孔隙水壓力,破壞土體的天然結(jié)構(gòu),改變土體的應(yīng)力狀態(tài)和動力特性,造成土體強度降低.同時，在基坑周圍地面也會出現(xiàn)一些裂縫以及邊坡本身的破壞，而這些問題對整個基坑邊坡的穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大影響,影響了工程項目的順利進行,同時也給建設(shè)帶來了經(jīng)濟負(fù)擔(dān),甚至還會引起重大的工程事故,給國家和人民帶來較大損失.所以，在基坑內(nèi)進行施工所引起的振動影響問題日益受到人們的關(guān)注.高彥斌,費涵昌[1]對某工程樁基施工過程中的地面振動數(shù)據(jù)進行了實測.根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析得到了打樁穿透的地基土的強度越大,造成的地面振動也越強,同時造成的地面頻率也越高.H. L. Fang, S. Beppu[2]對打樁引起的地面振動進行了實測,經(jīng)計算提出了預(yù)測打樁引起地面振動的經(jīng)驗公式.董軍鋒等[3]人論述了建筑施工振動的常見類型、打樁引起的振動特性,分析了打樁振害與地震震害的區(qū)別,以及打樁振動對建筑物影響形式,列舉了有關(guān)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的振動容許限制.通過一個護坡樁的振動測試實例,說明了振動測試的原理、采用儀器、數(shù)據(jù)采集、測試方案、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)要點,分析了打樁振動測試的具體方法及影響評價,從而為類似的檢測鑒定提供了方法參考和依據(jù).目前，就振動荷載對邊坡的擾動效應(yīng)及振動荷載下邊坡穩(wěn)定等相關(guān)問題的探討相對較少,所以現(xiàn)有結(jié)論未能滿足現(xiàn)階段邊坡設(shè)計及安全穩(wěn)定性評價的需求.因此,研究在打樁過程中產(chǎn)生的動荷載在邊坡上的動力響應(yīng)及變形機理,評價邊坡的穩(wěn)定性與安全性,在工程實踐中具有重大的科學(xué)意義和重要的工程價值.本文將通過室內(nèi)模型試驗,就打樁過程中對基坑黏性土邊坡的瞬時位移、邊坡加速度和邊坡壓力等動力響應(yīng)規(guī)律進行研究,為揚州地區(qū)的工程設(shè)計和施工提供有益的幫助.

2 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗采用揚子江北路東側(cè),鑒真大道北側(cè)處基坑邊坡開挖的現(xiàn)場土樣,主要為粉質(zhì)粘土和粘土,灰黃雜灰白色,含鐵錳結(jié)核,土質(zhì)均勻性較高,fak=240kPa,中壓縮性,力學(xué)強度高,場地普遍分布.其中，粉質(zhì)粘土硬塑～可塑狀態(tài),無搖振反應(yīng),手捻稍光滑,干強度和韌性中等;粘土硬塑～可塑狀態(tài),無搖振反應(yīng),光滑,干強度和韌性高.

根據(jù)室內(nèi)常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)試驗,其物理力學(xué)指標(biāo)平均值見表1.

表1 土樣參數(shù)Table 1 Soil parameters

3 模型試驗

根據(jù)不同的坡比、坡形設(shè)計3種工況的模型(見圖1).其中直線形坡坡比為1∶0.75,坡高0.5m.階梯形坡分上下二級邊坡,邊坡坡比分別為1∶0.75和1∶0.5,各級邊坡坡高為0.25m,中間臺階寬為0.05m.

其中Y1～Y5處布置了土壓力盒,D1～D5處布置加速度傳感儀,水平向百分表BH1～BH3和豎向百分表BV1～BV3分別布置在圖中對應(yīng)坡面處.共布置5個土壓力盒、5個加速度傳感儀、6個百分表.打樁點C1離坡腳0.15m,C1點和 C2點之間的距離為0.15m.為減小模型箱效應(yīng),本試驗強夯點距模型箱兩側(cè)距離為0.5m.為減小模型箱的反射效應(yīng),在模型箱的各個側(cè)面粘附厚度為8mm的顆粒狀塑膠板.

(a)1∶0.75 rectilinear slope (b)1∶0.75 stepped slope (c)1∶0.5 stepped slope圖1 模型槽尺寸及監(jiān)測點布置圖(單位：mm) Fig.1 Model slot size and monitoring point layout(unit:mm)

4 模型試驗結(jié)果分析

4.1 坡面位移變化規(guī)律

圖2～圖4分別為1∶0.75直線形坡、1∶0.75階梯形坡和1∶0.5階梯形坡坡面位移變化圖.圖中豎向位移為方向向下,水平位移方向為遠(yuǎn)離坡體.從圖2～圖4中可以看出,隨著錘擊次數(shù)的增加,坡面的水平及豎向位移都在逐漸增加,但增加量趨緩.同一點的水平位移量都要大于豎向位移量.其中1∶0.5的階梯形坡在BH3處水平位移達(dá)到最大為1.711mm,豎向位移為0.982mm.以1∶0.75直線形坡為例,隨著樁被完全打入土中,從坡頂、坡中到坡腳的水平位移分別為1.541mm，1.188mm和0.727mm,豎向位移分別為0.788mm，0.177mm和0.108mm.可見從坡頂、坡中到坡腳的水平及豎向位移在逐漸減小.

對比圖2和圖3可知,1∶0.75直線形坡的水平位移比1∶0.75階梯形坡位移多40%左右,豎向位移在坡中和坡頂相差很小.根據(jù)圖3和圖4的對比,隨著邊坡的坡度變大,第3點處的最大豎向位移值從0.35mm增大到1.13mm;水平最大位移從0.91mm增大到1.62mm.由此可見,隨著邊坡坡比的變大,打樁產(chǎn)生的振動對邊坡影響越大.從上述圖中可以看出直線形和階梯形邊坡在打樁激勵振動下以水平向位移為主,并且邊坡做成階梯形可以明顯減少邊坡的水平位移量,增強了邊坡的穩(wěn)定性.

圖2 1∶0.75直線形坡坡面位移變化Fig.2 Variation of 1∶0.75 linear slope surface displacement

圖3 1∶0.75階梯形坡坡面位移變化Fig.3 Variation of 1∶0.75 stepped slope surface displacement

圖4 1∶0.5階梯形坡坡面位移變化Fig.4 Variation of 1∶0.5 stepped slope surface displacement

圖5 坡面位移與錘擊點位置的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of slope displacement and hammer point position

圖5為1∶0.75直線形坡在C1和C2兩點錘擊時隨著錘擊次數(shù)的增加,第3點的水平和豎向位移變化曲線.從圖中可以看出,在C1和C2兩點錘擊時曲線的總體趨勢相同,都是隨著錘擊次數(shù)的增加,坡面的水平及豎向位移都在增加,但增加量趨緩.在C1點錘擊打樁時水平位移最大為1.541mm,豎向位移為0.788mm,而在C2點錘擊打樁時水平位移最大0.808mm,豎向位移為0.387mm.對比C1,C2處水平位移和豎向位移可知,水平和豎向位移相差接近一倍.可見，錘擊點離邊坡越近,坡面的水平和豎向位移越大,符合實際工程經(jīng)驗.

4.2 加速度隨錘擊次數(shù)的變化規(guī)律

在錘擊打樁試驗過程中,隨著錘擊次數(shù)的增加,樁體越來越難被打入.樁周土被擠壓的越來越密實,從而加速度值不斷增大.當(dāng)樁體不再下沉?xí)r,加速度值達(dá)到峰值;如果繼續(xù)錘擊,則加速度值趨于穩(wěn)定.

圖6為C1點錘擊時D2監(jiān)測點加速度峰值與錘擊次數(shù)的關(guān)系曲線.1∶0.75直線形坡最終加速度峰值為0.81m/s2,1∶0.75階梯形坡最終加速度峰值為0.58m/s2,1∶0.5階梯形坡最終加速度峰值為0.89m/s2.階梯形邊坡的加速度峰值比直線形邊坡加速度峰值要大37%,1∶0.5階梯形坡最終加速度峰值比1∶0.75階梯形坡最終加速度峰值大45%.可以看出，邊坡坡度越陡,加速度峰值越大;階梯形坡比直線形坡更穩(wěn)定.從圖6可見,隨著錘擊次數(shù)的增加,加速度峰值不斷增加,但增加趨勢逐步減緩,打樁錘擊的有效率越來越低,更多的能量以波的形式向土體周圍傳播,引起邊坡的振動.

圖6 不同錘擊點時D2處加速度關(guān)系曲線Fig.6 Acceleration curve at D2 at different hammering

圖7 加速度沿坡面的變化規(guī)律Fig.7 Change law of acceleration along slope points

4.3 加速度沿坡面的變化規(guī)律

繪制C1錘擊點第15下時坡面各點的加速度峰值的變化曲線于圖7.1∶0.5階梯形坡坡腳處D1監(jiān)測點的加速度峰值最終為0.42m/s2;坡頂處D5處的加速度峰值最終為1.19m/s2,坡頂加速度峰值大小是坡腳處峰值大小的2倍左右,3種工況下的加速度峰值在D4與D5之間增加速率最快.可以看到打轉(zhuǎn)產(chǎn)生的加速度峰值從坡腳到坡頂逐漸增大,速率也越來越快,表明邊坡對加速度峰值的放大效應(yīng)非常明顯.1∶0.5階梯形坡的D5加速度峰值比1∶0.75階梯形坡的D5加速度峰值要大42%左右；1∶0.75直線形坡的D5加速度峰值比1∶0.75階梯形坡的D5加速度峰值要大25%左右.可見，隨著邊坡的坡度減小以及多增加一級臺階,會使加速度峰值隨之變小，同時對邊坡穩(wěn)定性影響變小.

5 結(jié)論與建議

通過試驗研究了打樁作用下黏土邊坡的動力特性變化規(guī)律與動力響應(yīng)規(guī)律,以及邊坡坡形、坡比和打樁點與坡腳的距離等因素對邊坡的動力特性和動力響應(yīng)的影響，從而得到了以下幾點結(jié)論:

(1) 打樁作用下黏土邊坡坡面的水平及豎向位移隨著錘擊次數(shù)的增加在逐漸增加,但增加量趨緩.同一點的水平位移量都要大于豎向位移量,從坡頂、坡中到坡腳的水平及豎向位移在逐漸減小,邊坡在打樁振動作用下以水平向位移為主,同時打樁點離邊坡越近,坡面的水平和豎向位移越大.

(2) 邊坡的坡形和坡度對打樁作用下黏土邊坡的動力響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響,邊坡的坡度越小(邊坡越平緩)動力響應(yīng)幅值越小.同時直線形坡沒有階梯形坡的抗沖擊振動性好,階梯形坡具有更好的穩(wěn)定性.

(3) 沿著坡高的方向,從坡腳、坡中到坡頂加速度峰值一直在增大,邊坡對輸入加速度具有非常明顯的放大作用.邊坡的坡度越大,加速度峰值越大;相同坡比的情況下,階梯形坡的加速度峰值比直線形坡的峰值要小.打樁點與邊坡的距離對加速度的影響非常大.

(4) 在邊坡坡形、坡比和打樁點與坡腳的距離等因素中,相比較對邊坡穩(wěn)定性影響最大的是打樁點離坡腳的距離.

參 考 文 獻

[1] 高彥斌,費涵昌.打樁引起的地面振動的測試與分析[J].地下空間,2004(2):190-193.

[2] H.L.Fang,S.Beppu.Ground vibrations from pile driving and their impacts onvibration-sensitive facilities[C].Environmental Vibrations:Prediction,Monitoring,Mitigation and Evaluation,2003:175-185.

[3] 董軍鋒,張旻,雷波.打樁振動對相鄰建筑影響的測試與分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2015,48(3):397-401.