吉布提鐵路預應力管樁動測承載力研究

摘要：為研究基樁在動荷載作用下的承載力特性，基于樁周土的動三軸試驗，研究了土的動力參數與土層厚度之間的關系，在Bowles計算方法上，采用各土層不同的阻尼系數及彈性變形數值對該方法進行修正。對位于泥質粉砂巖持力層的12根試驗樁進行極限荷載試驗和數值計算，結果表明：在埋深較淺的位置處，土的阻尼對于錘能量消耗要大于深部;相同土的阻尼比隨著樁的埋深增大而減小。基于改進的計算方法表明，樁的豎向承載力與改進計算結果非常吻合，豎向承載力的誤差均在20%以內。證明本文改進方法是有效的。

關鍵詞：動測承載力;三軸試驗;阻尼比;高應變測試

0" "引言

動側管樁承載力是20世紀60年代提出的一種測量管樁承載力的方法[1]，其原理主要是通過波動方程對樁側、樁端以及樁身缺陷進行分析的一種手段。眾多學者對此進行研究，Bowles[2-3]編寫了有限差分程序，該方法主要利用波動方程對基樁重錘作用下的動力性能進行分析計算。Liang等[4]基于理論分析方法，對端阻力和側阻力進行計算，進一步推導得到樁側和樁端阻尼系數。楊志琛[5]基于靜載試驗，獲取了出高應變法和靜載法的關系，并給出了各種條件下樁阻尼系數的取值范圍。熊凱峰等[6]進行了12根管樁的高應變動力測試和參數取值研究，對于實際工程進行指導。劉士偉[7]基于實際工程案例，討論了樁側土和樁底土最大彈性變形值兩個參數的取值問題，并給出了這兩個參數的合理取值方法。

本文利用現場原位試驗和數值模擬的結果，對Bowles方法進行改進，假定樁測阻尼位非常數，阻力分布為彈塑性，并編寫了計算程序。對持力層為強風化泥質粉砂巖的3根基樁畸形進行原位測試，對測試結果與Bowles及數值模擬進行對比分析，驗證了本文修正方法的有效性。

1" "工程概況

本項目為吉布提鐵路Nagad至Doraleh段港口支線，即Doraleh地區新建Doraleh港到Nagad的鐵路路基的預應力管樁法軟基處理。對所用預應力管樁先進行三軸試驗。試驗共布置12根高強度混凝土預應力管樁，管樁的持力層均為強風化泥質粉砂巖，其中樁間距為8m。Φ500mm和Φ400mm管樁分別為10根和2根。測微計安裝于7～11號樁，通過各級荷載下的樁身應變和內力求得樁端阻力、樁側阻力及樁身位移。

2" "樁周土動三軸室內試驗及分析

2.1" "試驗概況

試驗采用美靜動真三軸儀，選取其中粉質黏土、全風化泥質粉砂巖、淤泥質土和淤泥4種土類進行動強度、動彈摸、阻尼比等測試。根據試驗條件，本文采用單向振動三軸方式進行，試驗工作量統計如表1所示。

2.2" "試驗數據整理及分析

動模量和阻尼比計算如下

E_d=△F/ △ε" （1）

λ_d =" A/ （4πA） （2）

式中，E_d為動模量，△F為動應力增量，△ε動應變增量，A為滯回曲線的面積，A_s為過原點形成的三角形面積。

由此計算得到3組粉質黏性土動三軸試驗下的滯回曲線、阻尼比以及不同圍壓下動模量，限與篇幅本文僅給出了其中一組的試驗數據，見圖1和表2。

計算結果表明，在圍巖變化逐漸增大的過程中，阻尼比逐漸減小，第一組粉質黏土的阻尼比有0.245減小至0.171。根據滯回曲線可知，每次的應力應變循環的阻尼比變化很小。根據動模量的計算結果可知，模量值隨圍壓的增大而增大。據以上分析得到結論如下：

埋深較淺的樁，土的阻尼消耗的錘擊能量較大，因此土層分布情況對錘擊樁的動力響應影響較大。隨著埋深增大，相同土的阻尼比隨之降低，因此土層較深時，樁側阻尼系數取值應取小值。文中僅給出了粉質粘性土的試驗數據及變化規律，根據其他類型圖的結果表明，其他土的各試驗具體量值不同于粉質黏土，但規律與前述粉質黏土相同。

3" "試驗樁數值分析和計算結果

基于FORTRAN語言編制了相應的計算程序，計算樁側阻力極限值與每厘米的錘擊數的關系，進一步得到錘擊管樁的貫入度與極限阻力關系。

采用本文編制的改進方法與試驗樁進行對比分析。樁參數如下：單元數劃分10;樁側阻力為非線性分布;假定樁端土彈性變形量Qp為8 mm;樁尖阻尼系數Jp為0.17。表3為樁側最大彈性變形，表4為本文采用的樁側阻尼系數。極限阻力與錘擊數關系見圖2。根據圖2，得出各試驗樁的豎向極限阻力見表5。

4" "數值計算與現場試驗對比分析

表6匯總得到了改進數值方法計算結果與試驗結果的對比數據。結果表明，本文改進的模型與試驗結果非常吻合。其中12根樁的豎向承載力誤差均在±20%以內，滿足工程要求。結果證明，本文改進方法是合理的;本文改進方法與靜載試驗偏差介于1.2～15.0;本文改進方法計算結果與高應變測試結果偏差介于3.4～13.8。總體結果表明，改進方法比原有方法計算結果更為精確。

5" "結論

本文基于室內試驗對樁周圖進行動三軸試驗，并采用改進的動測法計算模型對12根基樁進行承載力計算，得到如下結論：

在埋深較淺的位置處，土的阻尼對于錘能量消耗要大于深部，因此土層分布對于高應變樁的土動力學學響應影響嚴重。隨著埋深增大，相同土的阻尼比隨著土層的增大而減小。在實際工程應用中，如果樁測埋深下雨15m，則阻尼系數應取規范給出的中間值與高值之間，如果大于15m，則取低值與中間值之間。

基于改進的計算方法表明，樁的豎向承載力與改進計算結果非常吻合，豎向承載力的誤差均在20%以內。證明本文改進方法是有效的。

參考文獻

[1] 陳榮保，張季超，熊凱峰，等. 基樁動測承載力數值分析及應用"[J].廣東土木與建筑， 2018， 25（12）：46-50.

[2] Bowles J. E.基礎工程結構分析及程序[M].北京：中國鐵道出版社，1982：244-269.

[3] BowlesJ. E. Foundation Analysisand Design[M]. New York：McGraw-Hill Companies Inc， 1996：968-1005.

[4] LIANG R， YANG L. Dynamic pile testing technology：validation"and implementation[D].Columbus，OH： Akron University，2007.

[5] 楊志琛.基樁高應變動力檢測試驗參數的研究[D].濟南：山東建筑大學， 2012.

[6] 熊凱峰，陳榮保，陳建江，等.泥質粉砂巖預應力管樁高應變動力測試試驗研究[J].廣東土木與建筑， 2018， 25（11）：38-41+55.

[7] 劉士偉.高應變法測承載力在預應力管樁檢測中的應用研究[D].青島：青島理工大學， 2015.