層狀非飽和土中端承樁豎向土體振動響應(yīng)研究

摘要：目的：研究層狀非飽和土中端承樁豎向土體振動響應(yīng)。方法：分別制作一個層狀非飽和土的模型箱與端承樁的模型樁，分析層狀非飽和土中端承樁豎向土體振動響應(yīng)。結(jié)果：隨著非飽和土飽和度的增加，端承樁樁頂?shù)奈灰祁l響逐漸增大、動剛度頻響逐漸減小、動阻尼比頻響逐漸增大；隨著層狀土上下土層厚度比的減小，端承樁樁頂?shù)奈灰祁l響逐漸增大、動剛度頻響逐漸減小、動阻尼比頻響逐漸增大。結(jié)論：層狀非飽和土的飽和度越小、上下土層厚度比越大，越有利于降低端承樁豎向土體振動響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：層狀非飽和土端承樁豎向振動振動響應(yīng)

中圖分類號：TU470

StudyResearch on theVerticalVertical Soil Vibration Response ofthe Soil Massof MiddleEnd-Bearing Piles in Layered Unsaturated Soil

MENG Jianwen 1 YAN Fu 2 LI Wencheng3

1.Wuwei Vocational College; 2.Liangzhou District Bureau of Housing and Urban-Rural Development Bureau;

3.Gansu Wujian Engineering Construction Co.， Ltd.， Wuwei， Gan’su Province， 733000 China

Abstract： Objective To study the vertical soil vibration response of thesoil massof end-bearing piles in layered unsaturated soil. Methods： A model box of layered unsaturated soil and a model pile of the end-bearing pile were made respectively to analyze the vertical soil vibration response of thesoil mall of end--bearing piles in layered unsaturated soil. Result： With the increase ofthe saturationof unsaturated soil saturation， the displacement frequency response of the displacement ofthe end-bearing pile top gradually increasesd， the dynamic stiffness frequency response of its dynamic stiffness gradually decreasesd， and the dynamic damping ratio frequency response of its dynamic damping ratio gradually increasesd; Aswith thedecrease of the thickness ratio of the upper and lower soil layers inof layered soildecreases， the displacement frequency response of thedisplacement of the end-bearing pile top gradually increasesd， the dynamic stiffness frequency response of its dynamic stiffness gradually decreasesd， and the dynamic damping ratiofrequency response of its dynamic damping ratio gradually increasesd. Conclusion： The lower the saturation of layered unsaturated soil and the greater the thickness ratio of itsthe upper and lower soil layers， the more favorableconducive it is to reducinge the vertical soil vibration response ofthe soil mass of end-bearing piles.

Key Words： Layered unsaturated soil; End bearing piles; Vertical vibration; Vibration response

樁基作為土木工程中不可或缺的重要結(jié)構(gòu)形式，其承載能力和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個工程的安全性和可靠性。然而在實(shí)際工程實(shí)踐中，樁基受復(fù)雜的土層條件以及多變的施工環(huán)境影響，使得樁基的受力性能及其振動響應(yīng)特性變得難以精確預(yù)測。特別是在層狀非飽和土中，由于土層的分層特性、含水量的動態(tài)變化以及土體參數(shù)的顯著差異，端承樁的豎向振動響應(yīng)特性表現(xiàn)出更為復(fù)雜多變的特點(diǎn)。因此，深入研究層狀非飽和土中端承樁的豎向振動響應(yīng)，不僅具有重要的理論價(jià)值，而且對于指導(dǎo)實(shí)際工程實(shí)踐具有深遠(yuǎn)的意義。基于此，本項(xiàng)研究致力于探索層狀非飽和土中端承樁豎向土體振動響應(yīng)，不僅有利于完善樁基振動響應(yīng)的理論體系，為層狀非飽和土中樁基的設(shè)計(jì)和施工提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。而且本研究也可以進(jìn)一步推動土木工程領(lǐng)域相關(guān)研究的持續(xù)深入和拓展。

1 層狀非飽和土中端承樁豎向土體振動模型試驗(yàn)

1.1 制作模型箱與模型樁

采用模型試驗(yàn)方法深入研究層狀非飽和土中端承樁豎向土體振動響應(yīng)。首先需要設(shè)計(jì)專門的模型箱，并在其中制作端承樁的模型樁[1]。

本文采用鋼板焊接一個箱體，并將模型箱填土分為兩部分：土層1為表層土，本文鋪設(shè)高度為H1的含水率較高且具有一定壓縮性的砂質(zhì)黏土，以模型實(shí)際工程中常見的濕潤表層土；土層2為底層土，本文鋪設(shè)了高度為H2的含水率較低且強(qiáng)度較高的碎石塊，以模擬實(shí)際工程中常見的較為堅(jiān)實(shí)的底部土層。在根據(jù)上述內(nèi)容完成模型箱的制作后，即可進(jìn)行模型樁的制作[2]。本文采用1∶：50的比例來制作模型試驗(yàn)樁，采用PVC作為端承樁模型樁的制作材質(zhì)，模型樁的樁長為800 mm，直徑為45 mm。然后采用預(yù)埋的方法，預(yù)先將端承樁模型樁固定在模型箱中部，確保樁身和模型箱中軸線位于一條直線上，再向模型箱內(nèi)部分層填充地基土，填充完畢后對模型箱內(nèi)均勻加水，以此控制地基土的飽和度，至此完成了層狀非飽和土環(huán)境的模型箱的制作與端承樁模型樁的埋置，為后續(xù)模型試驗(yàn)提供基礎(chǔ)裝置。

1.2 模型樁加載方案與步驟

本次模型試驗(yàn)主要進(jìn)行單一變量控制性研究[3]。在模型箱內(nèi)部的模型樁上方固定一個激振器，通過激振器向模型樁實(shí)施正弦波加載，以此模擬端承樁豎向土體振動荷載[4]，本文遵循了從低到高、逐步增加的原則[5]，整個加載流程如下：。

首先，進(jìn)行分級加載，本文采用較小振幅和頻率的正弦波，逐步增加至預(yù)定值，以模擬實(shí)際工程中逐漸增大的荷載。當(dāng)加載至預(yù)定最大荷載后，終止加載，此時(shí)，保持一段時(shí)間的穩(wěn)定加載狀態(tài)，以便觀測模型樁在最大荷載下的振動響應(yīng)。然其次后，進(jìn)行分級卸載。卸載過程與加載過程類似，也是逐步減小振幅和頻率，直至完全卸載。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本文利用高精度的加速度傳感器、應(yīng)變儀等裝置，對模型樁在受到豎向正弦波加載時(shí)的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，涵蓋加速度、位移等關(guān)鍵參數(shù)[6]。本文采用時(shí)域分析與頻域分析相結(jié)合的方法，提取反映端承樁豎向土體振動響應(yīng)的關(guān)鍵特征指標(biāo)。

1.3.1 樁頂位移指標(biāo)

一是樁頂位移指標(biāo)的，計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中： 表示層狀非飽和土中端承樁的樁頂位移； 表示向端承樁施加的豎向振動荷載力； 表示端承樁的樁身剛度。在層狀非飽和土中，由于土層性質(zhì)的差異，樁頂位移會受到不同土層的影響，分析樁頂位移有助于了解端承樁在豎向土體振動下的變形特性。

1.3.2 樁頂動剛度指標(biāo)

二是樁頂動剛度指標(biāo)，的計(jì)算公式如下：

（2）

式（2）中： 表示層狀非飽和土中端承樁的樁頂動剛度； 表示端承樁樁身阻抗； 表示端承樁樁周土阻抗。在層狀非飽和土中，樁頂動剛度受到樁身材料、樁周土的性質(zhì)以及樁土相互作用的影響，分析樁頂動剛度有助于了解端承樁在豎向土體振動下的承載力與穩(wěn)定性。

1.3.3 樁頂動阻尼比響應(yīng)指標(biāo)

三是樁頂動阻尼比響應(yīng)指標(biāo)[7]，的計(jì)算公式如下示：

（3）

式（3）中： 表示層狀非飽和土中端承樁的樁頂動阻尼比； 表示端承樁樁身和樁周土的綜合阻尼比。

2 結(jié)果分析

2.1 非飽和土飽和度對端承樁豎向土體振動響應(yīng)的影響

為探討非飽和土的飽和度對端承樁豎向土體振動響應(yīng)的影響，在模型試驗(yàn)中將模型箱內(nèi)地基土飽和度分別控制為0.3、0.6、0.9，以樁頂位移指標(biāo)為例，3個飽和度水平下端承樁模型樁豎向土體振動響應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化趨勢如圖2所示。

從圖1中可以看出，隨著非飽和土飽和度的不斷增加，端承樁在相同振動頻率下的樁頂位移呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。因此，考慮端承樁樁頂?shù)奈灰祁l響指標(biāo)，飽和度越大，端承樁在豎向土體振動下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。

2.2 分層土厚度對端承樁豎向土體振動響應(yīng)的影響分析

為探討分層非飽和土的分層土厚度對端承樁豎向土體振動響應(yīng)的影響，在模型試驗(yàn)中將模型箱內(nèi)上、下層地基土厚度比分別控制為2∶：1、1∶：1、1∶：2，以樁頂位移指標(biāo)為例，3個上下層土厚度比水平下端承樁模型樁豎向土體振動響應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化趨勢如圖3所示。

從圖2中可以看出，從整體來看，隨著振動頻率的增加，不同厚度比下的樁頂位移均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，表明在高頻振動下，樁體更容易產(chǎn)生較大的位移響應(yīng)。因此，考慮端承樁樁頂?shù)奈灰祁l響指標(biāo)，上下土層厚度比越小，端承樁在豎向土體振動下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。

3 結(jié)束語

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：層狀非飽和土的飽和度和分層厚度都是端承樁豎向土體振動響應(yīng)的重要影響因素，飽和度越小、上下土層厚度比越大，端承樁在豎向土體振動下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好，為工程實(shí)踐提供了重要的理論依據(jù)。因此，在實(shí)際工程中，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行端承樁的加固與防護(hù)，以降低層狀非飽和土中端承樁的豎向土體振動響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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