單樁沖擊特性模型試驗(yàn)研究與理論分析

閆成彧 李 強(qiáng) 傅建杰 胡 玲李鑫燚 黃柳青

（1.浙江宏宇工程勘察設(shè)計有限公司，浙江 舟山 316100；2.浙江海洋大學(xué)海工學(xué)院，浙江 舟山 316022）

1 引言

基樁在沖擊荷載作用下的特性研究是打樁和基樁高應(yīng)變檢測等技術(shù)的理論基礎(chǔ)，主要通過現(xiàn)場試驗(yàn)或模型試驗(yàn)方法以及理論分析方法進(jìn)行研究。樁的模型試驗(yàn)研究大多數(shù)的成果集中于靜載試驗(yàn)［1，2］或穩(wěn)態(tài)振動試驗(yàn)［3］，而沖擊試驗(yàn)研究成果相對較少，Ashlock和Pak研究了樁的沖擊模型試驗(yàn)［4］，但采用的縮尺比過大。為模擬樁的沖擊效應(yīng)，閆澍旺等人建立了修正靜阻力模型開展樁周土體靜阻力模型理論研究及在打樁中的應(yīng)用［5］，Deeks和Randolph建立了打樁的重錘沖擊的解析模型［6］。樁土界面的動力接觸條件是影響沖擊荷載下基樁理論模擬的重要因素。現(xiàn)有的模型大多數(shù)采用的是樁土完全黏結(jié)模型，然而已有的研究表明，完全黏結(jié)模型過高估計了樁土動力相互作用［7，8］，因此，開展單樁在沖擊荷載下動力響應(yīng)的模型試驗(yàn)和理論研究對于深入理解樁土動力相互作用具有重要意義。

本文采用模型試驗(yàn)方法研究飽和砂土地基中基樁的沖擊特性，同時建立基樁的沖擊理論模型，通過求解振動控制方程并將結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證非完全黏結(jié)滑移樁動力模型的可靠性。

2 模型試驗(yàn)方法

根據(jù)相似理論，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趲缀纬叽?、模型材料、力學(xué)特性、加載條件等方面都遵循對應(yīng)的規(guī)律，即可通過模型試驗(yàn)反映出原型試驗(yàn)物理現(xiàn)象的整個過程。試驗(yàn)主要是模擬PVC管材的模型樁在豎向靜荷載作用下和不同等級沖擊荷載激勵下的模型樁動力特性。

2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備與材料準(zhǔn)備

（1）試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)中采用模型箱進(jìn)行加載，箱體采用鋼板焊接，長、寬、高分別為2m，1.5m和3m。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 模型實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)觀測的儀器主要包括：型號為JHBMM量程為0-200kg的微型壓力傳感器、電子百分表、應(yīng)變片，電阻應(yīng)變儀，加速度傳感器。儀器安裝圖如圖2a所示。由圖2b所示的沖擊原理示意圖可見，該體系由兩部分構(gòu)成，一部分是重錘沖擊系統(tǒng)，另一部分是樁體受沖擊荷載作用下產(chǎn)生的動力響應(yīng)系統(tǒng)。試驗(yàn)采用1.25kg、2.5kg、3.75kg三種錘重分別在落距為10cm、20cm、30cm、40cm、50cm下落所激發(fā)的沖擊能量進(jìn)行測試。

圖2沖擊試驗(yàn)裝置

（2）試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用砂采自舟山周邊海域的海砂作為地基土，模型箱填土大致分為三部分，底部鋪設(shè)0.3m厚的由不同粒徑組成的碎石作為反濾層，反濾層上鋪設(shè)土工布，以防止細(xì)砂的堵塞排水通道，上面再分層填筑細(xì)砂，每填筑厚度25cm，對土層進(jìn)行夯實(shí)，填筑時用水平尺對土層表面進(jìn)行檢測，保證其平整度。模型樁采用PVC模型管樁，采用幾何相似比30，樁長分別為2m，外徑為32mm，內(nèi)徑為28mm，彈性模量E=3.75GPa，泊松比v=0.39。應(yīng)變片采用5*3mm型號為BX120-5AA的免焊應(yīng)變片，電阻為120歐，對稱粘貼應(yīng)變片，粘貼位置與間距如圖1（c）。為防止導(dǎo)線埋置影響樁土接觸條件，導(dǎo)線通過鉆孔穿入PVC管中，用706硅橡膠進(jìn)行密封并用絕緣防水膠布防滲。管樁的底部采用水泥砂漿灌漿使封閉樁底。

2.2 試驗(yàn)方法

沖擊模擬試驗(yàn)是在樁頂施加具有一定能量的沖擊作用，使樁體產(chǎn)生貫入度，沖擊脈沖在沿樁身向下傳播的過程中使樁身產(chǎn)生應(yīng)變，從而自下而上依次激發(fā)樁側(cè)及樁端的阻力。通過對不同樁長的單樁開展沖擊試驗(yàn)，分析模型樁的貫入度、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力與沖擊荷載錘重和落距之間的關(guān)系，探究不同樁長下沖擊荷載相對應(yīng)的錘重、落距的最優(yōu)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法獲得了三種不同錘重和三種不同落距的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，圖3至圖5分別給出了貫入度、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力隨錘重和落距的變化關(guān)系曲線。

3.1 貫入度與沖擊錘重和落距的關(guān)系

圖3給出了樁長2m時，當(dāng)樁頂受到1.25kg、2.5kg和3.75kg分別從三種不同落距（10cm、30cm、50cm）下落時，由重錘所激發(fā)的樁體貫入度、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力的結(jié)果對比。由圖可見，隨著沖擊能量的增加樁的貫入度也隨之增加，在錘重為2.5kg和3.75kg時，當(dāng)落距大于40cm時，樁的貫入度明顯增大。

圖3 貫入度隨錘重和落距的變化關(guān)系

3.2 樁身軸力與沖擊錘重和落距的關(guān)系

圖4分別給出了三種不同錘重下樁身軸力在三種落距下沿樁側(cè)測點(diǎn)的變化曲線，由圖可見，錘重越大，產(chǎn)生的軸力也越大，三種錘重下的軸力沿樁身的變化基本類似，沿樁深軸力逐漸減小，且隨落距的增大而增大。

圖4 樁身軸力隨落距的變化

3.3 樁側(cè)摩阻力與沖擊錘重和落距的關(guān)系

圖5分別給出了三種不同錘重下的樁側(cè)摩阻力沿樁身的變化曲線，該曲線由樁身軸力計算得出，樁側(cè)摩阻力采用兩測點(diǎn)間的中點(diǎn)處平均側(cè)摩阻力替代。由圖可見，錘重越重，所激發(fā)的樁側(cè)摩阻力也越大，在相同錘重下，落距越大，樁側(cè)摩阻力越大。不同沖擊能量下樁側(cè)的平均摩阻力沿樁身的變化規(guī)律有所不同，但均在樁的下段某處產(chǎn)生極值，如圖中1.4m左右。

圖5 樁側(cè)摩阻力與落距的關(guān)系

4 理論計算模型與討論

圖6 非端承樁豎向沖擊計算模型簡圖

以位移矢量形式描述的彈性土層動力學(xué)控制方程為：

式中：u代表位移場向量，ρ為土體密度，μ為剪切模量。

樁簡化為一維桿件，其振動控制方程：

土層邊界條件為：

采用彈簧和阻尼器分別模擬樁土接觸面處的動剛度和阻尼，樁土接觸條件表示為：

式中：Fmax為半正弦沖擊荷載的峰值，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)測脈沖寬度確定。

根據(jù)上述理論計算公式，采用MATLAB編制數(shù)值計算程序，獲得錘重為2.5kg時，三種不同落距下樁身軸力理論值與試驗(yàn)值對比。計算參數(shù)為：樁徑比125，土層彈性支承系數(shù)ksb=1.0，樁側(cè)阻尼系數(shù)Df=0.02，樁側(cè)摩阻力系數(shù)kf根據(jù)落距100mm，300mm和500mm分別取0.001，0.001和0.0015，樁底的彈性支承系數(shù)kpb相應(yīng)三種不同落距分別取10，5和1。計算結(jié)果如圖7所示，可見，三種不同落距下樁身軸力基本吻合，說明采用本文提出的滑移樁豎向沖擊模型是合理的。

圖7 非端承樁滑移樁沖擊模型的理論計算與實(shí)測對比圖

5 結(jié)論

本文首先利用樁土沖擊模型試驗(yàn)裝置開展了砂土地基中長樁的沖擊試驗(yàn)研究，獲得了不同錘重和不同落距下樁的貫入度、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，然后通過建立考慮樁土間滑移的沖擊荷載作用下的樁土相互作用模型，獲得了樁身位移和軸力的解析解，數(shù)值計算結(jié)果表明該模型可以與模型試驗(yàn)取得較好的吻合效果。