樁基振動對粉質土基坑土釘支護的影響

摘 要：打樁引起的地面振動會影響鄰近基坑的安全。本文研究了樁基振動對土體強度和土釘-土界面強度的影響，分析了振動下土釘軸向力和位移的變化。同時采用激振器和拔釘模型箱研究不同振動參數對土體強度和釘土界面強度的影響。結果表明，激振力越大、頻率越高，土壤強度和釘土界面強度的衰減越大。相反，在振動作用下，土壤內摩擦角的變化并不明顯。振動結束后，釘土界面強度恢復。c和τp減少導致土釘工作長度的增加、軸向力的重新分配以及土釘位移的增加。

關鍵詞：樁基振動；粉質土；基坑；土釘支護

中圖分類號：TU 753 " " " " 文獻標志碼：A

土釘是放置在土壤中的細長金屬棒，用于穩定土體，例如路塹和填方邊坡、深基坑和隧道。自土釘問世以來，由于其技術和經濟優勢，因此越來越多地應用于各領域。城市高層建筑數量大幅增加。在基坑施工過程中，打樁振動對基坑的土釘支護產生了重大影響，影響基坑的穩定性和安全性。在城市中，打樁振動會產生噪聲、干擾環境并破壞鄰近的建筑物。許多研究表明，打樁振動往往會直接或間接地導致鄰近結構的破壞[1]，進一步導致土壤沉降。郭慧玨[2]討論了樁的類型和土壤條件，并研究打樁振動對錘擊系統、樁和土壤性能的負面影響。而目前關于打樁引起的地面振動及其對鄰近結構和基坑影響的研究很少[3]。大多數論文都建立有限元模型來模擬打樁過程。李繼光等[4]使用三維有限元方法評估打樁對相鄰建筑物的影響，并比較了靜態打樁和振動打樁對周圍土壤的影響。吳晶晶[5]利用有限元法分析了打樁對相鄰結構的主要影響因素。

以往關于振動荷載對土釘影響的研究主要集中在土釘的動態響應和永久變形，而沒有考慮振動荷載對土強度和土釘與土界面相互作用的影響。然而，在實際工程項目中，長時間持續打樁的振動荷載會對這2個方面產生影響?；诖耍疚睦媚Ｐ驮囼灧治隽瞬煌駝訔l件下打樁振動對土體行為和土釘-土界面強度的影響。

1 試驗材料和模型設備

1.1 試驗材料

土壤的基本物理力學性質：試驗中使用的土壤來自某城市東部1個基坑的淤泥。根據土工試驗方法標準[6]，通過篩分和使用密度計測定顆粒尺寸分布。未擾動土壤的干密度為1.65g/cm3，最大干密度為1.87g/cm3，土體密實度為0.88g/cm3，含水量為13%。同時對土壤進行快速剪切試驗；黏聚力c為27.6kPa，內摩擦角φ為27.8°。

1.2 土釘模型

由于試驗條件和其他因素限制，因此大多數與基坑土釘拔出有關的模型試驗都是在小規模模型箱中進行。這些條件無法充分描述土壤與土釘界面的剪切行為。在實際工程中，土釘鉆孔直徑約為100mm，通常使用直徑為18mm～25mm的HRB400鋼筋，并通過水灰比為0.5的水泥漿灌漿形成。因此，土釘的彈性模量約為20GPa?；谀Ａ康刃院驮囼灥膶嵱眯?，本試驗使用空心鋁管作為土釘材料。鋁管長度為600mm，外徑為100mm，厚度為8mm。土釘與土壤的接觸長度設定為400mm。

1.3 測試設備

1.3.1 振動激振器和參數設置

樁基打樁振動過程較為復雜，振動在樁周圍的土壤中產生壓縮波、剪切波和表面波。表面波是瑞利波。瑞利波占垂直振動源總能量的2/3，是位于地面或地面附近的結構或基坑振動中的主要波型[7]。由于試驗是在實驗室條件下進行的，本文簡化了打樁振動荷載，只考慮了瑞利波對土釘拔出力的影響。因此，使用TROMINO振動采集儀采集振動數據。選擇振動激振器來模擬打樁振動。激振器類型為380V異步振動電機。激振力由電機中的偏心振動器繞中心軸旋轉產生，引起地面振動，并傳播到模型箱內的土壤中。通過調節2個轉子之間的角度來改變激振力的大小，并通過變頻器調節振動頻率。本文使用公式（1），根據轉子的角度計算激振力。

（1）

式中：F為激振力；m為轉子質量；f為振動頻率；rmax 為0°時轉子重心與圓心的距離；θ為轉子中心線之間的夾角。

設定環境振動的主頻為5Hz～40Hz，峰值頻率約為10Hz，加速度振幅小于0.1g。公式（1）表明激振力與轉子的旋轉頻率有關。激振力的大小也會影響振動加速度的大小。激振力加速度之間呈線性相關。根據現場測量獲得的振動頻率和加速度以及試驗前在實驗室收集的振動數據，將最大激振力設定為8kN，最大振動頻率設定為10Hz。

1.3.2 模型試驗箱

由于箱體具有邊界效應，土釘拔出試驗的影響范圍未知，因此設定影響范圍設定為樁徑的6倍，高度為850mm，寬度為 600mm。土的體積不宜過大，以確保箱內土的振動一致，土在激振下達到現場加速度振幅；因此，箱的長度為400mm。箱體內部尺寸為400mm×600 mm×850 mm（長×寬×高），箱體無底，如圖1所示。箱壁由厚度為6mm的高強度鋼板組成，箱體兩側鉆有120mm的圓孔，用于安裝土釘。在試驗過程中，使用橡膠密封圈密封鉆孔和土釘之間的縫隙。箱壁襯有塑料薄膜，以減少箱壁與土壤之間的摩擦。箱內焊有鋼尺，用于測量土壤密實度、土壤沉降和振動引起的位移。2個帶有壓力補償裝置的液壓千斤頂被放置在支承板和反力架之間，以提供垂直荷載。垂直應力由放置在土釘兩側的土壓力傳感器測量。水平力由千斤頂提供，千斤頂用螺母與螺旋桿連接。螺旋桿穿過土釘，并用墊圈和螺母固定在土釘上。

2 結果與討論

2.1 振動對界面強度的影響

在覆土壓力OP=80kPa、OP=160kPa、OP=240kPa 和OP=

14kPa的覆土荷載下進行4組拔釘試驗。拔出力、剪應力和位移之間的關系如圖2所示。

如圖2所示，隨著覆土壓力（OP）增加，土釘極限拔出力也隨之增加，主要因為淤泥質土與界面之間的相互作用力增加，界面剪切強度顯著提高。在初始階段，隨著拔出力增加，位移呈線性增加，進一步表明土壤被壓實并具有彈性特性。當土釘與土壤之間的相對位移達到一定值時，剪應力保持不變，且土釘表現出均勻位移，土壤出現剪切破壞。當OP值較低時，剪應力很快達到峰值。隨著OP值增加，峰值剪應力對應的拔出位移逐漸增加。如圖2所示，在80kPa 的覆土壓力下，對土釘末端施加相應的預拉拔力，并研究不同激振力下最大拉拔力的變化。圖3（a）和圖3（b）顯示了不同激振力下振動拉拔期間和拉拔后變化趨勢。

如圖3（a）和圖2（b）所示，隨著振動時間增加，土釘端部受到的拉拔力逐漸減少，表明土釘與土壤的界面強度降低。激振力越大，下降率也越大（其中圖3（a）和圖3（b）中的2kN/4kN/6kN/8 kN力根據公式（1）計算的激振力）。激振力越大，振幅越大，且釘土界面的強度衰減也越大[8]。根據圖3（a）和圖3（b），拔出力并沒有隨著振動時間增加而穩定下降，而是逐漸趨于穩定，這表明在激振力或振動加速度的作用下，土釘-土壤界面強度下降并達到平衡狀態。土釘在振動后的拔出力比振動過程中的拔出力大，說明土釘的承載能力在振動后得到恢復。

2.2 拉拔力損失率

拉拔期間與拉拔后比值變化及拉拔力損失比如圖4所示。從圖4可以看出，振動過程中土釘拉拔力的損失高于振動后。振動過程中土釘拉拔力的損失由2個部分組成。第一部分，振動加速，導致土釘界面的土壤暫時“失重”，減少了土釘上的壓力，造成土釘-土壤界面強度損失。第二部分，振動導致土釘與土壤界面松動，破壞了土釘與土壤界面，同時降低了土釘與土壤界面的粗糙度，導致土釘與土壤界面強度下降。同時拉拔期間隨激振力增加，拉拔力損失率呈線性增加，最大損失率為51%、最小損失率為14%。拉拔后，最大拉拔力損失率為28%、最小拉拔力損失率為9%。同時振動后土釘拔出力的減少驗證了這一反應。振動后土釘的拔出力主要受土釘-土壤界面結構破壞的影響。振動后拔出力與振動時拔出力的比值表明，無論激振力大小，振動后土釘拔出力的損失都占振動時土釘拔出力損失的50%以上。由于振動后的損失主要是由釘土界面的結構破壞造成的，因此可以得出結論，結構破壞造成的損失大于加速度造成的損失，在振動過程中土釘拉拔力的損失大于振動后的損失。此外，由于振動時土釘-土壤界面的強度損失受加速度影響，加速度隨激振力的增加而增加。因此，振動時激振力對土釘-土壤界面強度的影響比振動后更大。振動后釘土界面的強度損失主要受釘土界面結構破壞的影響。

3 結論

在實驗室模型試驗中分析不同振動條件的土體強度和釘土界面強度，得出的主要結論如下：1）受振動的影響，土壤強度降低。激振力越大、頻率越高，土壤強度的衰減越大。振動對土壤的影響主要表現為土壤的破壞、土壤截距內聚力c的顯著降低以及內摩擦角φ的微小變化。2）振動降低了釘土界面強度。激振力越強、頻率越高，釘土界面強度的衰減越大。覆土壓力OP越大，土釘-土壤界面強度衰減越小。

參考文獻

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[4]李繼光.基坑開挖施工對鄰近建筑影響分析及保護措施[J].福建建材，2023（6）：56-60.

[5]吳晶晶.狹小復雜環境下深基坑支護施工技術研究——以南京某高?；椖繛槔齕J].城市建筑，2023，20（2）：153-156.

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