打桩作用下边坡动力响应模型试验研究

韦中华 钱玉林 周 清 贵季嵘

(扬州大学 建筑科学与工程学院,扬州 225000)

1 概述

从20世纪70年代开始,随着城市的发展和建设规模的日益扩大,打桩振动引起周围环境以及建筑物振动的问题越来越多,因此人们对打桩引起的地面振动问题进行了研究.在已开挖基坑内进行打桩施工,同样会对一些黏性土基坑边坡及周围环境会造成一定影响.根据前人研究的成果,打桩产生的振动对地面的土扰动很大,会激发土体内的孔隙水压力,破坏土体的天然结构,改变土体的应力状态和动力特性,造成土体强度降低.同时，在基坑周围地面也会出现一些裂缝以及边坡本身的破坏，而这些问题对整个基坑边坡的稳定性会产生较大影响,影响了工程项目的顺利进行,同时也给建设带来了经济负担,甚至还会引起重大的工程事故,给国家和人民带来较大损失.所以，在基坑内进行施工所引起的振动影响问题日益受到人们的关注.高彦斌,费涵昌[1]对某工程桩基施工过程中的地面振动数据进行了实测.根据实测数据分析得到了打桩穿透的地基土的强度越大,造成的地面振动也越强,同时造成的地面频率也越高.H. L. Fang, S. Beppu[2]对打桩引起的地面振动进行了实测,经计算提出了预测打桩引起地面振动的经验公式.董军锋等[3]人论述了建筑施工振动的常见类型、打桩引起的振动特性,分析了打桩振害与地震震害的区别,以及打桩振动对建筑物影响形式,列举了有关现行规范标准的振动容许限制.通过一个护坡桩的振动测试实例,说明了振动测试的原理、采用仪器、数据采集、测试方案、数据处理等技术要点,分析了打桩振动测试的具体方法及影响评价,从而为类似的检测鉴定提供了方法参考和依据.目前，就振动荷载对边坡的扰动效应及振动荷载下边坡稳定等相关问题的探讨相对较少,所以现有结论未能满足现阶段边坡设计及安全稳定性评价的需求.因此,研究在打桩过程中产生的动荷载在边坡上的动力响应及变形机理,评价边坡的稳定性与安全性,在工程实践中具有重大的科学意义和重要的工程价值.本文将通过室内模型试验,就打桩过程中对基坑黏性土边坡的瞬时位移、边坡加速度和边坡压力等动力响应规律进行研究,为扬州地区的工程设计和施工提供有益的帮助.

2 土样的物理力学性质

试验采用扬子江北路东侧,鉴真大道北侧处基坑边坡开挖的现场土样,主要为粉质粘土和粘土,灰黄杂灰白色,含铁锰结核,土质均匀性较高,fak=240kPa,中压缩性,力学强度高,场地普遍分布.其中，粉质粘土硬塑～可塑状态,无摇振反应,手捻稍光滑,干强度和韧性中等;粘土硬塑～可塑状态,无摇振反应,光滑,干强度和韧性高.

根据室内常规物理力学性质试验,其物理力学指标平均值见表1.

表1 土样参数Table 1 Soil parameters

3 模型试验

根据不同的坡比、坡形设计3种工况的模型(见图1).其中直线形坡坡比为1∶0.75,坡高0.5m.阶梯形坡分上下二级边坡,边坡坡比分别为1∶0.75和1∶0.5,各级边坡坡高为0.25m,中间台阶宽为0.05m.

其中Y1～Y5处布置了土压力盒,D1～D5处布置加速度传感仪,水平向百分表BH1～BH3和竖向百分表BV1～BV3分别布置在图中对应坡面处.共布置5个土压力盒、5个加速度传感仪、6个百分表.打桩点C1离坡脚0.15m,C1点和 C2点之间的距离为0.15m.为减小模型箱效应,本试验强夯点距模型箱两侧距离为0.5m.为减小模型箱的反射效应,在模型箱的各个侧面粘附厚度为8mm的颗粒状塑胶板.

(a)1∶0.75 rectilinear slope (b)1∶0.75 stepped slope (c)1∶0.5 stepped slope图1 模型槽尺寸及监测点布置图(单位：mm) Fig.1 Model slot size and monitoring point layout(unit:mm)

4 模型试验结果分析

4.1 坡面位移变化规律

图2～图4分别为1∶0.75直线形坡、1∶0.75阶梯形坡和1∶0.5阶梯形坡坡面位移变化图.图中竖向位移为方向向下,水平位移方向为远离坡体.从图2～图4中可以看出,随着锤击次数的增加,坡面的水平及竖向位移都在逐渐增加,但增加量趋缓.同一点的水平位移量都要大于竖向位移量.其中1∶0.5的阶梯形坡在BH3处水平位移达到最大为1.711mm,竖向位移为0.982mm.以1∶0.75直线形坡为例,随着桩被完全打入土中,从坡顶、坡中到坡脚的水平位移分别为1.541mm，1.188mm和0.727mm,竖向位移分别为0.788mm，0.177mm和0.108mm.可见从坡顶、坡中到坡脚的水平及竖向位移在逐渐减小.

对比图2和图3可知,1∶0.75直线形坡的水平位移比1∶0.75阶梯形坡位移多40%左右,竖向位移在坡中和坡顶相差很小.根据图3和图4的对比,随着边坡的坡度变大,第3点处的最大竖向位移值从0.35mm增大到1.13mm;水平最大位移从0.91mm增大到1.62mm.由此可见,随着边坡坡比的变大,打桩产生的振动对边坡影响越大.从上述图中可以看出直线形和阶梯形边坡在打桩激励振动下以水平向位移为主,并且边坡做成阶梯形可以明显减少边坡的水平位移量,增强了边坡的稳定性.

图2 1∶0.75直线形坡坡面位移变化Fig.2 Variation of 1∶0.75 linear slope surface displacement

图3 1∶0.75阶梯形坡坡面位移变化Fig.3 Variation of 1∶0.75 stepped slope surface displacement

图4 1∶0.5阶梯形坡坡面位移变化Fig.4 Variation of 1∶0.5 stepped slope surface displacement

图5 坡面位移与锤击点位置的关系曲线Fig.5 Curve of slope displacement and hammer point position

图5为1∶0.75直线形坡在C1和C2两点锤击时随着锤击次数的增加,第3点的水平和竖向位移变化曲线.从图中可以看出,在C1和C2两点锤击时曲线的总体趋势相同,都是随着锤击次数的增加,坡面的水平及竖向位移都在增加,但增加量趋缓.在C1点锤击打桩时水平位移最大为1.541mm,竖向位移为0.788mm,而在C2点锤击打桩时水平位移最大0.808mm,竖向位移为0.387mm.对比C1,C2处水平位移和竖向位移可知,水平和竖向位移相差接近一倍.可见，锤击点离边坡越近,坡面的水平和竖向位移越大,符合实际工程经验.

4.2 加速度随锤击次数的变化规律

在锤击打桩试验过程中,随着锤击次数的增加,桩体越来越难被打入.桩周土被挤压的越来越密实,从而加速度值不断增大.当桩体不再下沉时,加速度值达到峰值;如果继续锤击,则加速度值趋于稳定.

图6为C1点锤击时D2监测点加速度峰值与锤击次数的关系曲线.1∶0.75直线形坡最终加速度峰值为0.81m/s2,1∶0.75阶梯形坡最终加速度峰值为0.58m/s2,1∶0.5阶梯形坡最终加速度峰值为0.89m/s2.阶梯形边坡的加速度峰值比直线形边坡加速度峰值要大37%,1∶0.5阶梯形坡最终加速度峰值比1∶0.75阶梯形坡最终加速度峰值大45%.可以看出，边坡坡度越陡,加速度峰值越大;阶梯形坡比直线形坡更稳定.从图6可见,随着锤击次数的增加,加速度峰值不断增加,但增加趋势逐步减缓,打桩锤击的有效率越来越低,更多的能量以波的形式向土体周围传播,引起边坡的振动.

图6 不同锤击点时D2处加速度关系曲线Fig.6 Acceleration curve at D2 at different hammering

图7 加速度沿坡面的变化规律Fig.7 Change law of acceleration along slope points

4.3 加速度沿坡面的变化规律

绘制C1锤击点第15下时坡面各点的加速度峰值的变化曲线于图7.1∶0.5阶梯形坡坡脚处D1监测点的加速度峰值最终为0.42m/s2;坡顶处D5处的加速度峰值最终为1.19m/s2,坡顶加速度峰值大小是坡脚处峰值大小的2倍左右,3种工况下的加速度峰值在D4与D5之间增加速率最快.可以看到打转产生的加速度峰值从坡脚到坡顶逐渐增大,速率也越来越快,表明边坡对加速度峰值的放大效应非常明显.1∶0.5阶梯形坡的D5加速度峰值比1∶0.75阶梯形坡的D5加速度峰值要大42%左右；1∶0.75直线形坡的D5加速度峰值比1∶0.75阶梯形坡的D5加速度峰值要大25%左右.可见，随着边坡的坡度减小以及多增加一级台阶,会使加速度峰值随之变小，同时对边坡稳定性影响变小.

5 结论与建议

通过试验研究了打桩作用下黏土边坡的动力特性变化规律与动力响应规律,以及边坡坡形、坡比和打桩点与坡脚的距离等因素对边坡的动力特性和动力响应的影响，从而得到了以下几点结论:

(1) 打桩作用下黏土边坡坡面的水平及竖向位移随着锤击次数的增加在逐渐增加,但增加量趋缓.同一点的水平位移量都要大于竖向位移量,从坡顶、坡中到坡脚的水平及竖向位移在逐渐减小,边坡在打桩振动作用下以水平向位移为主,同时打桩点离边坡越近,坡面的水平和竖向位移越大.

(2) 边坡的坡形和坡度对打桩作用下黏土边坡的动力响应产生一定的影响,边坡的坡度越小(边坡越平缓)动力响应幅值越小.同时直线形坡没有阶梯形坡的抗冲击振动性好,阶梯形坡具有更好的稳定性.

(3) 沿着坡高的方向,从坡脚、坡中到坡顶加速度峰值一直在增大,边坡对输入加速度具有非常明显的放大作用.边坡的坡度越大,加速度峰值越大;相同坡比的情况下,阶梯形坡的加速度峰值比直线形坡的峰值要小.打桩点与边坡的距离对加速度的影响非常大.

(4) 在边坡坡形、坡比和打桩点与坡脚的距离等因素中,相比较对边坡稳定性影响最大的是打桩点离坡脚的距离.

参 考 文 献

[1] 高彦斌,费涵昌.打桩引起的地面振动的测试与分析[J].地下空间,2004(2):190-193.

[2] H.L.Fang,S.Beppu.Ground vibrations from pile driving and their impacts onvibration-sensitive facilities[C].Environmental Vibrations:Prediction,Monitoring,Mitigation and Evaluation,2003:175-185.

[3] 董军锋,张旻,雷波.打桩振动对相邻建筑影响的测试与分析[J].武汉大学学报(工学版),2015,48(3):397-401.