基于加速度響應(yīng)的柱錘沖擴(kuò)樁加固土體影響范圍研究

鄧開元 李曉燕

摘要：為明確柱錘沖擴(kuò)樁成樁對(duì)地基土加固影響范圍，通過試驗(yàn)確定填筑土體基本參數(shù)，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)土體內(nèi)部加速度響應(yīng)衰減規(guī)律進(jìn)行分析，劃分土體加固影響范圍。得到結(jié)論：（1）通過浸水荷載實(shí)驗(yàn)，孔隙比e=0.9 時(shí)，浸水條件下的有荷試驗(yàn)土體會(huì)發(fā)生較大塌陷變形，不加以處理用于工程地基具有較大隱患；（2）結(jié)合土體加速度響應(yīng)規(guī)律，地基土在豎向、斜向、橫向加速度峰值響應(yīng)隨距離衰減呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系；（3）根據(jù)加速度峰值衰減規(guī)律，可以大致確定土體加固影響范圍邊界在水平距離 2d、豎向 4.5d、斜向4.9d范圍以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：柱錘沖擴(kuò)樁； 加速度響應(yīng)； 土體加固范圍； 模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU473.1+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中強(qiáng)調(diào)，要強(qiáng)化交通生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)，促進(jìn)資源節(jié)約集約利用，推廣施工材料、廢舊材料再生和綜合利用。紅層泥巖在四川地區(qū)分布廣泛，作為一種不可避免的不良地質(zhì)，在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷發(fā)展的過程中，給地區(qū)發(fā)展和建設(shè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。加固軟弱地基目前常用的方法有換填法、強(qiáng)夯法、擠密樁法和柱錘沖擴(kuò)樁法［1-2］，但換填法填料用量大，強(qiáng)夯法噪聲污染嚴(yán)重，且兩種方法處理深度有限，擠密樁法成本高昂；相較而言，柱錘沖擴(kuò)樁法在處理軟弱地基中優(yōu)勢(shì)明顯，具有施工方便、噪音小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、處理深度大等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)柱錘沖擴(kuò)樁，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。王恩遠(yuǎn)、劉熙媛［3］將柱錘沖擴(kuò)樁加固區(qū)域分為主壓實(shí)區(qū)和次壓實(shí)區(qū)，加固機(jī)理大致劃分為沖擊荷載作用、孔內(nèi)強(qiáng)夯作用、一次擠密作用和二次擠密作用等；王嘉聰?shù)龋?］通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了柱錘沖擴(kuò)樁成樁過程以及成樁前后地基土狀態(tài)變化；金忠良［5］結(jié)合工程實(shí)例，分析了使用柱錘沖擴(kuò)樁加固地基對(duì)地基承載性能的影響。

本文以柱錘沖擴(kuò)樁法成樁過程為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)確定試驗(yàn)土體填筑參數(shù)，開展柱錘沖擴(kuò)樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究成樁過程中土體的加速度響應(yīng)規(guī)律，探討柱錘沖擴(kuò)樁加固影響范圍，為柱錘沖擴(kuò)樁實(shí)際施工提供可靠依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)土體及柱錘參數(shù)

1.1紅層泥巖基本物理參數(shù)

根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將土樣基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖 1 所示。

由圖 1 可知，試驗(yàn)土體最大干密度為 2.01 g/cm3，土體最優(yōu)含水率為 8.7 %。

1.2紅層泥巖浸水條件下有荷試驗(yàn)

在不同干密度條件下，通過調(diào)節(jié)上覆荷載大小和浸水條件，探究在浸水荷載條件下的土樣狀態(tài)，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

圖2 為不同初始孔隙比隨不同上覆荷載的土樣變形率變化圖，由圖2可知，土樣變形率隨豎向荷載的增大而增大，初始孔隙比對(duì)土樣在浸水條件下的行為表現(xiàn)有較大影響。當(dāng)初始孔隙比為 0.9 和 1.0 時(shí)，固結(jié)后土樣在低荷載和高荷載情況下浸水，都會(huì)產(chǎn)生一定的塌陷量；而初始孔隙比為 0.6、0.7、0.8 時(shí)，固結(jié)后的土樣在低荷載情況下浸水會(huì)發(fā)生膨脹，而在高荷載情況下浸水會(huì)產(chǎn)生一定的塌陷。

綜上所述，本次模型試驗(yàn)采用填土參數(shù)為最優(yōu)含水率ω=8.7%、孔隙比e=0.9。

1.3砂卵石填料

如圖 3 所示，本次模型試驗(yàn)柱錘沖擴(kuò)樁填料選用直徑 10～20 mm 砂卵石，每層填料厚度為 5 cm，分兩次填筑共計(jì)10 cm，每次填料柱錘夯擊 3 次，共計(jì)夯擊 6 次。

1.4柱錘尺寸

模型柱錘尺寸規(guī)格如表3所示。

模型試驗(yàn)作為一種研究手段，可在復(fù)雜的試驗(yàn)過程中突出主要矛盾，便于把握、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，在復(fù)合地基加固機(jī)理研究中廣泛應(yīng)用［6］。本次室內(nèi)模型試驗(yàn)以相似理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)室內(nèi)模型試驗(yàn)方案。

2.2加速度計(jì)及加載系統(tǒng)

加速度計(jì)采用壓電式加速度傳感器，為避免傳感器在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生移位、損壞和難以與松散土體充分接觸從而影響傳感器監(jiān)測(cè)動(dòng)荷載波等問題，需要對(duì)加速度傳感器進(jìn)行保護(hù)處理。選用導(dǎo)波性能較好的柱形金屬盒作為保護(hù)盒并預(yù)留導(dǎo)線口，將加速度傳感器固定在保護(hù)盒底部，并在內(nèi)部填充紅層泥巖土，連接線處加設(shè)保護(hù)管。如圖4所示。

采用尺寸 5 cm×5 cm×0.8 cm 的矩形鋼管制作模型箱，模型箱內(nèi)部尺寸長(zhǎng)×寬×高= 0.85 m×0.85 m×1.0 m，填土尺寸長(zhǎng)×寬×高= 0.85 m×0.85 m×0.85 m。在柱錘沖擴(kuò)樁法施工過程中，柱錘將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能沖擊填料和土體，沖擊能量以波的形式在土體內(nèi)耗散，沖擊波在接觸到模型箱內(nèi)壁時(shí)會(huì)發(fā)生反彈，干擾試驗(yàn)結(jié)果，聚苯乙烯泡沫板具有吸收能量的特性，在模型箱內(nèi)側(cè)放入 5 cm 厚的聚苯乙烯泡沫板，能夠有效吸收沖擊波，防止試驗(yàn)受到反射波干擾。

試驗(yàn)加載系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，包括腳手架、卷?yè)P(yáng)機(jī)、電磁鐵。利用電磁鐵通電有磁、斷電消磁的特性，通過卷?yè)P(yáng)機(jī)將柱錘提升至指定高度并釋放，釋放后柱錘夯擊指定位置。加載系統(tǒng)如圖5所示。

3儀器布置及試驗(yàn)結(jié)果

3.1儀器布置

通過在振源底部橫向、豎向、斜向三個(gè)方向上預(yù)埋加速度計(jì)，探究沖擊波在土體內(nèi)部的傳播特性及衰減規(guī)律。單樁成樁過程具有對(duì)稱性，同一平面加速度計(jì)布置相互錯(cuò)開，能夠最大限度的減少加速度計(jì)相互干擾［7］。具體加速度計(jì)布置如圖6所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1土體加速度時(shí)程曲線

將柱錘提升至 1.5 m 高處?kù)o止釋放，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，當(dāng)柱錘與填料發(fā)生沖擊碰撞時(shí)，柱錘能量釋放，填料與土體吸收能量并向周圍土體傳遞，沖擊能量以波的形式在土體內(nèi)耗散。將柱錘第一次沖擊土體，土體加速度響應(yīng)時(shí)程曲線繪制成圖7～圖9。

豎向加速度計(jì)時(shí)程曲線如圖 7 所示，孔底正下方 1.5d處加速度計(jì)時(shí)程曲線峰值最大，負(fù)向加速度峰值為單峰，正向加速度計(jì)峰值為雙峰，負(fù)向加速度峰值絕對(duì)值大于正向加速度峰值絕對(duì)值。加速度時(shí)程曲線與章吟秋［8］現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)曲線一致，時(shí)程曲線先出現(xiàn)一個(gè)較大的負(fù)波峰，再連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)較小的正波峰。隨著預(yù)埋加速度計(jì)到孔底距離增加，加速度計(jì)峰值急劇減小，加速度計(jì)響應(yīng)趨近正弦波，響應(yīng)后期土體內(nèi)部加速度振動(dòng)趨于一致。

斜向加速度計(jì)時(shí)程曲線如圖 8 所示，隨著加速度計(jì)距離增加，加速度計(jì)峰值減小。加速度計(jì)振動(dòng)可分為兩種形式，一種形式有明顯的單、雙峰，如1.5d、3.2d位置處時(shí)程曲線；另一種加速度時(shí)程曲線呈現(xiàn)正弦波，如4.9d、6.7d位置處時(shí)程曲線。

橫向加速度計(jì)時(shí)程曲線如圖 9 所示，相比于縱向和斜向加速度計(jì)響應(yīng)，橫向加速度峰值更小，響應(yīng)規(guī)律基本保持一致。隨著距離增加，加速度計(jì)峰值減小，加速度計(jì)響應(yīng)趨近于正弦波。

3.2.2加速度峰值擬合

柱錘沖擊地面觸發(fā)地基振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)隨著到振源距離的增加而減小，掌握沖擊振動(dòng)隨距離的衰減規(guī)律有利于對(duì)土體加固影響范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。加速度峰值絕對(duì)值隨測(cè)點(diǎn)與振源距離的關(guān)系，可以利用下列公式表示［9］：

amax=re-nx

式中：amax為測(cè)點(diǎn)加速度最大值的絕對(duì)值，（ms-2）；x為測(cè)點(diǎn)與沖擊點(diǎn)的距離，（m）；r為當(dāng)量系數(shù)；n為衰減系數(shù)。

將豎向、斜向、橫向加速度峰值衰減規(guī)律用上式擬合，擬合結(jié)果如圖 10 所示。

從圖10中可以看出豎向、斜向、橫向加速度峰值與距離關(guān)系均符合負(fù)冪指數(shù)衰減規(guī)律。總體而言，隨著夯擊次數(shù)的增加，土體加速度峰值增加；值得注意的是，在第三次夯擊后加入填料，土體加速度峰值保持不變或減少，這是由于松散鵝卵石填料，緩沖了柱錘能量的釋放。把當(dāng)量系數(shù)r值和衰減指數(shù)n值統(tǒng)計(jì)在表4。

表4中各個(gè)方向上加速度峰值負(fù)冪指數(shù)函數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)均接近 1，不同沖擊次數(shù)土體加速度響應(yīng)衰減規(guī)律相同。豎向方向上，當(dāng)量系數(shù)r隨著夯擊次數(shù)的增加而減?。恍毕蚝蜋M向方向上，當(dāng)量系數(shù)r隨著夯擊次數(shù)的增加而增加，斜向方向r值最大，說明斜向方向加速度衰減最快。

從圖 10 中可以明顯的看出加速度峰值在振源附近衰減很快，隨著距離的增大，離振源越遠(yuǎn)衰減越慢，這說明振動(dòng)波在土體內(nèi)部傳播存在著一個(gè)加固影響范圍邊界，超過該邊界后加速度峰值較低，衰減變慢加固效果也變差。豎向距離4.5d、斜向距離4.9d以后加速度峰值衰減明顯變緩。在柱錘第六次沖擊土體時(shí)，豎向加速度峰值從 266 m/s2（1.5d） 下降到 72 m/s2（4.5d），加速度峰值衰減了73%；斜向加速度峰值從 266 m/s2（1.5d） 下降到 35 m/s2（4.9d），加速度峰值衰減了87%；橫向加速度峰值從 153 m/s2（0d） 下降到 39 m/s2（2d），加速度峰值衰減了 75%。根據(jù)加速度峰值衰減規(guī)律，可以大致確定加固影響范圍邊界在水平距離 2d、豎向 4.5d 、斜向 4.9d范圍以內(nèi)。

4結(jié)論

通過浸水荷載實(shí)驗(yàn)以及室內(nèi)模型試驗(yàn)，結(jié)合土體內(nèi)部加速度響應(yīng)規(guī)律分析，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）孔隙比為 0.9 時(shí)，浸水條件下有荷試驗(yàn)會(huì)發(fā)生較大塌陷變形，不加以處理用于工程地基具有較大隱患。

（2）室內(nèi)模型試驗(yàn)中，地基土豎向、斜向、橫向加速度峰值響應(yīng)隨距離衰減規(guī)律呈負(fù)冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（3）根據(jù)加速度峰值衰減規(guī)律，可以大致確定土體加固影響范圍邊界在水平距離2d、豎向4.5d、斜向4.9d范圍以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

［1］孔洋，阮懷寧，黃雪峰. DDC法復(fù)合黃土地基的原位浸水試驗(yàn)研究［J］. 土木工程學(xué)報(bào). 2017， 50（11）： 125-132.

［2］屈耀輝，魏永梁，武小鵬，等. 黃土區(qū)高鐵柱錘沖擴(kuò)樁地基沉降控制效果研究［J］. 鐵道工程學(xué)報(bào). 2012， 29（1）： 21-25.

［3］王恩遠(yuǎn)，劉熙媛. 柱錘沖擴(kuò)樁法加固機(jī)理研究［J］. 建筑科學(xué). 2008（9）： 63-67.

［4］劉熙媛，張攀，王嘉聰，等. 基于相似理論的柱錘沖擴(kuò)樁法模型試驗(yàn)研究［J］. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2011， 40（6）： 96-100.

［5］金忠良. 柱錘沖擴(kuò)樁法復(fù)合地基承載性能研究［D］. 青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東）， 2010.

［6］徐挺. 相似理論與模型試驗(yàn)［M］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社， 1982.

［7］Jardine R J， Zhu B T， Foray P， et al. Measurement of stresses around closed-ended displacement piles in sand［J］. Geotechnique. 2013， 63（1）： 1-17.

［8］章吟秋. 強(qiáng)夯加固土石混合料填方體動(dòng)響應(yīng)分析及測(cè)試技術(shù)探究［D］. 杭州： 浙江大學(xué)， 2017.

［9］譚捍華，孫進(jìn)忠，祁生文. 強(qiáng)夯振動(dòng)衰減規(guī)律的研究［J］. 工程勘察. 2001（5）： 11-14.

［作者簡(jiǎn)介］鄧開元（1996—），男，碩士，研究方向?yàn)樘厥鈳r土力學(xué)及工程應(yīng)用。