靜鉆根植樁低應變動力響應的現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬

肖 偲，王奎華，張日紅，王孟波

(1. 浙江大學 濱海與城市巖土工程研究中心； 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室， 杭州 310058；2. 寧波中淳高科股份有限公司， 浙江 寧波 315000)

靜鉆根植竹節(jié)樁是由日本引進的新型高強預制樁，由樁周水泥土和預應力管樁組合而成，樁身分布有竹節(jié)狀凸起.這種特殊的成樁形式，既改善了樁土界面的受力性質(zhì)，從而大大提高樁基承載力，而且在施工過程中泥漿排放量大大減少，更加環(huán)保.文獻[1-7]通過大量的模型試驗、數(shù)值分析分別對靜鉆根植竹節(jié)樁的靜力承載特性、荷載傳遞機理及抗拔特性進行了研究，得到了很多實用的結(jié)論，對于該樁型在實際工程中的推廣起到了巨大作用.

實際上，靜鉆根植竹節(jié)樁在作為建筑基礎(chǔ)時，不僅受到靜力作用，同時也受到各種性質(zhì)的動力作用，因此研究該類型樁在動力荷載下的振動特性也非常重要.文獻[8-10]分別用平面應變模型、考慮土體豎向波動模型模擬樁周土，對竹節(jié)樁在動力荷載下的動力阻抗進行了理論研究，重點分析了樁身竹節(jié)尺寸、間距和樁周水泥土硬化程度對樁頂動力阻抗的影響，為這種新樁型的振動特性研究打下了理論基礎(chǔ).然而，上述的研究對于竹節(jié)樁振動的時域特性并沒有涉及，無法用來指導工程中最常用的低應變樁基無損檢測方法，而且上述理論研究缺乏試驗驗證.在現(xiàn)有工程低應變測試中，由于竹節(jié)樁的樁身特性和成樁特性，不能完全適用普通等截面樁的振動理論，導致人們對于樁身是否存在缺陷以及缺陷位置難以判斷，易導致誤判，不利于工程安全和竹節(jié)樁的推廣使用.

引起竹節(jié)樁振動特性異于普通樁基的主要原因是：樁周存在一定范圍的水泥土，而水泥土性質(zhì)隨著齡期不斷變化，水泥土與樁接觸面的黏結(jié)性異于普通土體，水泥土的存在可能導致時域曲線中反射信號強度和位置的變化.文獻[11-13]通過理論分析和模型試驗，研究了管樁土塞對低應變測試中樁身綜合波速的影響，結(jié)果表明，樁身綜合波速會受到土塞切變模量、土塞高度和樁土耦合系數(shù)的影響.文獻[14]通過有限元數(shù)值模擬，研究了鋼管混凝土樁低應變測試中波速的變化，表明鋼管混凝土樁的綜合波速明顯大于混凝土樁，介于鋼管波速與混凝土波速之間.

本研究在進行現(xiàn)場低應變測試時，也發(fā)現(xiàn)了樁身綜合波速的變化，因此在現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了有限元數(shù)值模型.首先在不同齡期對竹節(jié)樁進行現(xiàn)場低應變測試，同時對樁周水泥土切變模量隨齡期的變化進行了室內(nèi)試驗，然后基于實測的材料參數(shù)運用Abaqus有限元軟件對竹節(jié)樁低應變過程進行數(shù)值模擬，通過數(shù)值解和現(xiàn)場低應變測試結(jié)果的對比，研究樁周水泥土對竹節(jié)樁振動特性的影響.

1 水泥土室內(nèi)試驗

樁周水泥土性質(zhì)隨著齡期逐漸變化，對于樁基振動而言，樁周水泥土的剪切波速的確定最為關(guān)鍵，然而目前尚未有對于樁周水泥土前期剪切波速的測試.本研究參考文獻[15]測試軟黏土切變模量的方法，使用彎曲元測試儀器，對小應變條件下水泥土的早期切變模量進行了研究.

1.1 試樣配比和測試方法

本次室內(nèi)試驗采用的土為竹節(jié)樁現(xiàn)場試驗區(qū)域的淤泥質(zhì)黏土，將軟黏土烘干碾碎，經(jīng)過篩分，最大粒徑為1 mm，水泥為425普通硅酸鹽水泥.按照試驗樁施工時樁周水泥土計算得到的配合比：每1 kg干黏土摻入水泥0.1 kg，加水0.6 kg.

將材料按配合比充分拌合均勻后，澆入與三軸儀配套的圓柱形模具中，成型后試樣上端插入彎曲元傳感器，如圖1所示.在試樣頂部施加較小的軸壓，在不同齡期對該試樣進行剪切波速測試.

1.2 試驗結(jié)果

圖2 剪切波速測試曲線Fig.2 A testing curve for shear wave velocity

以水泥土成型后第一次測試時齡期T=0，得到各齡期水泥土剪切波速，試驗后測得水泥土密度為 2 082 kg/m3，根據(jù)下式可以得到水泥土的切變模量：

(1)

式中：Gs、ρs和vs分別為水泥土的切變模量、密度和剪切波速.水泥土Gs隨齡期T變化如圖3所示.

圖3 水泥土切變模量隨齡期變化曲線Fig.3 Shear modulus of cemented soil in different ages

可以看到，水泥土的早期切變模量在第一天內(nèi)強度發(fā)展較為迅速，隨后發(fā)展逐漸減緩，由于彎曲元測試對試樣切變模量及強度要求較高，當水泥土強度繼續(xù)增加時，此測試方法不再適用.

2 竹節(jié)樁現(xiàn)場試驗

選取合適場地，用靜鉆根植工法，進行現(xiàn)場試樁測試.試樁為常用的單節(jié)竹節(jié)管樁，規(guī)格為：竹節(jié)處直徑550 mm，非竹節(jié)處直徑400 mm，壁厚95 mm，樁頭擴大處直徑500 mm，竹節(jié)間距1 m，樁長12 m.

本試樁采用靜鉆根植工法進行施工，如圖4所示，鉆孔直徑為600 mm，即樁周水泥土的實際范圍.與實際工程不一樣的是，本試樁樁端沒有進行擴底，而且樁周所注水泥漿中水灰比均為1.0.

圖4 試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Pictures from field test

為了研究竹節(jié)樁振動特性隨著樁周水泥土變化而受到的影響，成樁之前，在地表對竹節(jié)樁進行了低應變測試.成樁之后，在樁周水泥土不同的齡期對竹節(jié)樁進行低應變測試，得到時域曲線.

圖5 典型的實測樁頂響應曲線Fig.5 Typical curves of tested responses on pile top

除了樁底反射信號幅值衰減，還可以看到，隨著竹節(jié)樁成樁以及樁周水泥土齡期增長，樁底反射信號出現(xiàn)的時間也有所變化，這樣的規(guī)律與傳統(tǒng)的樁土耦合振動理論模型不一致，按照傳統(tǒng)的樁土振動理論來說，樁周土只會對樁的振動存在能量的消耗，減弱反射信號的振幅，而不會影響信號的傳播速度.

3 理論模擬

3.1 理論解析模型

為了模擬現(xiàn)場試驗中得到的樁身低應變曲線變化特性，首先采用常用的解析理論方法，對靜鉆根植竹節(jié)樁樁頂動力響應進行求解.以文獻[8]提出的竹節(jié)樁平面應變模型為例，可得樁頂速度時域響應.

將本試驗中樁身、水泥土等參數(shù)代入文獻[8]中速度時域響應計算公式，歸一化后，可以得到水泥土不同齡期切變模量下竹節(jié)樁樁頂速度時域曲線，如圖6所示.

圖6 理論解析模型樁頂響應曲線Fig.6 Dynamic response of pile top by analytical solution

由圖6可以看到，在平面應變模型中，隨著水泥土模量增長，樁底反射信號幅值不斷減弱，但是樁底信號到達時間不變，因此，該理論模型不能完整地模擬現(xiàn)場試驗得到的結(jié)果.經(jīng)過多次驗算可以知道，類似的理論解析模型如考慮土體豎向波動[9]、考慮土體三維波動[16]、虛土樁[17]模型等均不能體現(xiàn)樁身低應變綜合波速的變化.原因在于，上述傳統(tǒng)的解析理論模型是將樁土接觸面簡化為Voigt模型或者豎向位移連續(xù)模型，前者只能真實地模擬接觸面之間的作用力，忽略了樁土之間的耦合作用；后者雖考慮到樁土之間的耦合作用，但不能考慮斜向接觸面的作用.因此傳統(tǒng)解析模型無法真實地模擬竹節(jié)處與樁周水泥土之間傾斜接觸面，更不能模擬樁土耦合振動時的三維效應.

3.2 三維有限元模型

為了進一步研究竹節(jié)樁周水泥土對樁身低應變測試的影響，采用Abaqus有限元軟件建立三維模型.由于低應變測試中激振能量很小，所以模型中樁身和土體材料采用線彈性模型，但是考慮了樁身的阻尼；假設(shè)樁與水泥土、水泥土與普通土體在低應變范圍內(nèi)不會發(fā)生相對移動，所以設(shè)置兩類接觸界面均為剛性接觸，位移和力連續(xù).現(xiàn)場低應變試驗時，激振設(shè)備為尼龍錘，根據(jù)實測曲線，激振波形采用半正弦曲線模擬，激振周期為0.6 ms.根據(jù)文獻[18]的管樁低應變測試理論，本模型的樁頂拾振點與現(xiàn)場試驗時一致，位于與激振點相隔90° 圓心角的位置.模型中，竹節(jié)樁與水泥土尺寸與現(xiàn)場試驗一致，設(shè)置樁周水泥土外側(cè)直徑為600 mm，樁周土直徑為16 m，樁底土厚度為5 m.

首先建立竹節(jié)樁自由振動的有限元模型(見圖7)，根據(jù)竹節(jié)樁在地表的實測曲線，參考廠家提供的樁身材料參數(shù)，經(jīng)過多次反演擬合，得到竹節(jié)樁樁身的彈性模量和阻尼；然后根據(jù)地質(zhì)勘探情況和相應規(guī)范，得到樁周普通土的切變模量、泊松比；再將室內(nèi)試驗得到的不同齡期的水泥土切變模量代入模型中，得到不同齡期下竹節(jié)樁有限元模型的低應變測試曲線.

圖7 有限元模型Fig.7 The finite element model

有限元模型中，樁身與樁周普通土的基本參數(shù)如表1所示.

表1 數(shù)值模型中基本參數(shù)Tab.1 Essential parameters in the numerical model

將有限元模型計算得到的低應變曲線與對應齡期的現(xiàn)場試驗曲線歸一化后進行對比，如圖8所示.

圖8 實測曲線與模型曲線對比Fig.8 Comparison of testing and simulating curves

可以看到，有限元模型曲線與現(xiàn)場試驗的曲線在樁底反射的幅值和反射時間上的規(guī)律基本相符，但是曲線的平滑度存在一些差異，這是由于現(xiàn)場試驗傳感器拾振條件有限，曲線無法精確地表現(xiàn)樁身反射波形.

為了進一步檢驗該有限元模型對于現(xiàn)場試驗模擬的準確性，計算了各時域曲線中入射信號與反射信號時間的差值Δt，并且由樁長L可以計算得到每次測試時樁的綜合波速v=2L/Δt，對試驗曲線和模型曲線中不同齡期時呈現(xiàn)的綜合波速v和樁底反射信號的幅值絕對值|H|進行了對比，如圖9和10所示.

圖9 實測曲線與模型曲線綜合波速對比Fig.9 Wave velocity of testing and simulating curves

圖10 實測曲線與模型曲線樁底反射信號幅值對比Fig.10 Amplitude from pile bottom of testing and simulating curves

由圖9可以看到，在地表時，樁的波速最大；成樁后，波速迅速下降；隨著水泥土齡期的增長，竹節(jié)樁的綜合波速逐漸增加，但增加趨勢逐漸減緩；模型曲線與實測曲線基本規(guī)律一致，波速數(shù)值略有差異，可能由室內(nèi)試驗水泥土與現(xiàn)場水泥土所處環(huán)境差異引起.由圖10可見，樁端反射信號的幅值絕對值在地表時較大，成樁后迅速減小，并且隨著水泥土齡期增長逐漸降低，至難以分辨；模型曲線與實測曲線基本規(guī)律一致，雖然數(shù)值略有波動，但是基本相符.

圖11 單一土切變模量變化對綜合波速和反射幅值的影響Fig.11 The effect of soil modulus on wave velocity and amplitude

4 參數(shù)分析

為了進一步討論靜鉆根植竹節(jié)樁低應變響應曲線的影響因素，本節(jié)中采用上述與現(xiàn)場試驗符合良好的三維數(shù)值模型進行參數(shù)分析.根據(jù)之前的理論研究，對于靜鉆根植樁而言，除了樁周水泥土外，樁周普通土和樁底土對樁身的振動特性也會有影響.本節(jié)重點討論樁周普通土和樁底土的切變模量對樁身低應變響應曲線中樁底反射信號綜合波速和幅值的影響.

通過控制變量法，分別改變模型中樁周普通土和樁底土的切變模量(G)，對樁頂?shù)蛻儠r域曲線進行分析，結(jié)合上節(jié)中對水泥土切變模量變化的分析，將各情況下樁身綜合波速和樁底反射信號幅值繪制成曲線，如圖11所示.

由圖11(a)可以看到，當保持水泥土切變模量不變時，樁周普通土和樁底土切變模量分別變化對樁身綜合波速沒有影響；而當水泥土單獨變化時，樁身綜合波速發(fā)生明顯變化，變化規(guī)律與上文一致.由圖11(b)可知，在本文研究范圍內(nèi)，3種土的切變模量變化都會引起樁底反射信號幅值的變化，其中水泥土對其影響最明顯，樁周普通土次之，樁底土最小，幾乎可以忽略.

5 結(jié)論

本研究通過現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)了靜鉆根植竹節(jié)樁低應變動力曲線隨水泥土齡期變化的基本規(guī)律，結(jié)合室內(nèi)水泥土試驗，建立了有限元數(shù)值模型，并且對竹節(jié)樁低應變測試模型和實測曲線進行對比分析，得到以下結(jié)論.

(1) 根據(jù)現(xiàn)場試驗，隨著水泥土齡期增長，靜鉆根植竹節(jié)樁低應變曲線中樁底反射信號峰值逐漸變小，在第五天左右已較難分辨，這對此類樁工程現(xiàn)場低應變完整性檢測時機提出了更高要求.

(2) 隨著水泥土切變模量增加，樁底反射信號到達時間逐漸縮短，樁身綜合波速逐漸增加，但明顯小于樁身在地表時的波速，此現(xiàn)象與傳統(tǒng)的解析理論結(jié)果不符；在低應變檢測時，此現(xiàn)象易導致樁身缺陷位置和樁長的誤判，應引起注意.

(3) 建立的有限元數(shù)值模型能夠較好的模擬樁土之間的實際耦合作用，得到的樁身低應變曲線規(guī)律與實測雖有微小差異，但基本符合，可以以此模型為基礎(chǔ)，對靜鉆根植竹節(jié)樁動力特性進行進一步理論研究.

(4) 進一步的參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，只有水泥土切變模量變化對樁身綜合波速產(chǎn)生影響；此外，水泥土切變模量變化對樁底反射信號幅值影響最大，樁周普通土次之，樁底土最小，幾乎可以忽略.