管桩高应变试验条件下桩周粉质黏土动三轴试验研究

廖广超，伍钊源，李彰明，岑海津，林若凯，王建伟，谢志斌

（1、中煤江南建设发展有限公司 广州510170；2、广东工业大学 广州510006）

0 引言

随着我国建筑行业的快速发展，桩基的采用比例越来越高，且多应用于高层建筑和桥梁中。由于使用量大，桩基的承载能力和完整性成为检测的重点。而检测常用的方法为管桩高应变检测实验[1]。在采用高应变检测时往往需要土体的力学参数，如何选择土体动力学参数来提高检测水平、检测效率、节约成本[2]，成为为佛山地区亟需解决的问题。

目前，国内外已有对循环荷载作用下土体的动强度、动模量和阻尼比等动力特性的研究主要通过动三轴试验获得，主要的研究现状包括：黄宣维等人[3]研究淤泥质砂土抗液化性能的研究，探究砂颗粒粒径、颗粒级配和淤泥含量对淤泥质砂土抗液化性能的影响。同时，刘建民等人[4]研究了饱和重塑黄土液化应变发展，并将应变划分为三个阶段。赖夏蕾等人[5]对福州淤泥质土进行动力特性室内试验研究，此建立了围压、振次与土体动强度的经验关系。商金华等人[6]采用统计分析济南市区土体动剪切模量比和阻尼比，对济南市区土体动力学特性提供时参考依据。年廷凯等人[7]针对原状软黏土开展了不同偏压固结比和循环应力比条件下的动三轴试验，建了软化-孔压模型。贺腾飞等人[8]研究地铁振动荷载作用下土体动剪应力变化规律，并认为隧道拱腰及底部区域动剪应力较大。

通过上面的分析发现锤击作用下桩周土体的动力学特性研究较少。故本文基于管桩高应变试验条件下，桩周粉质黏土动力学特性的研究。考虑锤击产生的动荷载对桩周土体的动剪应力、阻尼比和动模量的影响。采用动三轴仪得到土体动剪应力随埋深、振动频率和振动次数的变化规律。同时，动模量随埋深和振动频率的变化规律，以及根据试验数据拟合得到土体阻尼比与埋深的关系。可为管桩高应变试验中参数的选择提供参考价值。

1 试验设备及试验方案

1.1 试验设备

试验采用美国生产的SPAX-2000静动真三轴仪，如图1所示。该测试系统由六大部分组成：①静动真三轴压力室，②刚性加载动器，③SCON数字伺服控制器和采集系统，④围压/反压压力体积控制器，⑤CATS高级伺服软件，⑥变体恒压液压源。

图1 SPAX-2000静动真三轴仪Fig.1 SPAX-2000 Static and Dynamic True Triaxial Apparatus

1.2 试验方案

试验用土取自广东省佛山市禅城区一定深度的粉质黏土，其基本物理参数如下：天然密度为1.92 g/m3，比重为2.72，含水率为0.294%，孔隙比为0.83，塑性为27.2%，液限为39.1%。

由于在高应变试验过程中，锤击产生的动荷载对桩周土体存在影响，在考虑围压、振动频率和振动次数等不同因素的影响，分析动剪应力、阻尼比和动模量的变化规律，其试验方案如表1所示。

表1 试验方案Tab.1 Experimental Scheme

试验过程如下：

⑴试样制备

本次试验土样取自佛山禅城地区的原状粉质黏土，试验之前将土柱土样平稳地放在试验台，然后钢丝锯紧贴着侧板从上往下平稳地切削，制得试样尺寸为直径×高度=50 mm×120 mm。

⑵试样饱和

将试样放进真空饱和的装置进行抽真空，时间持续48 h，为了避免在该过程出现土体变形，造成不必要的扰动，压力保持-40 kPa；然后再进行反压饱和，直至孔隙的压力系数B≥0.93，方可认为试样达到饱和。

⑶试验固结

试样在施加设计围压时打开排水阀，待固结稳定后关闭排水阀。

⑷压缩试样

在保持围压不变的基础上施加竖向压力，同时按照设计方案，施加不同的振动频率和振动次数，测定应力-应变曲线。

2 试验结果与分析

2.1 动剪应力

动强度就是在一定振动循环次数下使试样产生破坏应变时的动剪应力值。土的破坏应变值是随动应力大小而改变的；如果土样在一组大小不等的动应力下产生动变形，则所得到的极限动应变值将呈非线性变化。

2.1.1 振动次数和围压对动剪应力的影响

为了研究在高应变试验条件下，振源的振动次数以及不同围压（埋深）条件下，桩周粉质黏土剪应力的影响，得到在循环荷载下动剪应力与振动次数和围压的变化规律，如图2所示。

图2 动剪应力与振动次数和围压的变化规律Fig.2 Variation of Dynamic Shear Stress，Vibration Frequency and Confining Pressure

从图2中可以看出：在振动频率为1 Hz和10 Hz时，粉质黏土动剪应力随振动次数的变化规律一致，都随振动次数的增加而逐渐减少。振动次数达到10次后土体的剪应力平均下降幅度为31.05%，其中当围压为100 kPa时剪应力下降幅度高达62.5%。这是由于振动次数的增加导致土体整体性发生破坏，从而导致土体的强度逐渐下降，这也验证了在长期动荷载作用下，土体抗剪强度会发生明显折减[9]；同时在相同振动频率和振动次数下，粉质黏土动剪应力随着围压的增加而逐渐增大，可以认为围压越大导致土体压实作用越明显，土体颗粒间的间距减少，土中孔隙减少，从而增加了土体的抗剪强度。这表明埋深越浅，土体抵抗能力越小。

2.1.2 振动频率对动剪应力的影响

为模拟在高应变试验中锤击的振动频率对桩周土体强度的影响，在室内动三轴试验中通过改变振动频率，得到粉质黏土动剪应力与振动频率之间的关系，如图3所示。

从图3中可以看出：在同一围压和相同振动次数的条件下土体的抗剪强度与振动频率呈现正相关。当围压为300 kPa时，在相同振动次数下振动频率为10 Hz的动剪应力比振动频率为1 Hz的动剪应力高出10.27%～38.23%；当围压为400 kPa时，在相同振动次数下振动频率为10 Hz的动剪应力比振动频率为1 Hz的动剪应力提高10.72%～85.86%；同时随着振动次数的增加，土体强度涨幅明显。这是由于土体受剪过程中，振动频率越大，使得在加载过程中土体中的裂缝还来不及完全演化，从而土体抗剪强度随振动频率的增加而增大。这也表明在管桩高应变试验中锤击振动频率越高，土体抵抗能力越大。

图3 动剪应力与振动频率Fig.3 Dynamic Shear Stress Versus Vibration Frequency

2.2 阻尼比和动模量

阻尼比和动模量是土体的动力特征的重要参数，为土体动力学计算、地基液化判别以及管桩高应变试验中不可缺少的重要参数。土体的阻尼比λd可以通过试验所得的滞回圈计算得到[10]：

式中：△A为应力-应变滞回圈面积，表示加载与卸载的能量损失；A为滞回圈中心点、应力应变值最大点与应变坐标轴连线形成的三角形面积，表示为加载与卸载的应变能。

在试验中，对圆柱土样在轴向施加循环压力，直接测量土样的应力和应变值，从而绘出应力-应变曲线，称滞回曲线，如图4所示。

图4 不同围压下粉质黏土应力应变滞回圈Fig.4 Stress-strain Hysteresis Loop of Silty Clay under Different Confining Pressures

滞回曲线说明土的粘滞性对应力-应变关系的影响，从图4中可以看出：在大应变情况下，土体呈现非线性的变形特性，随着围压的增加，环的形状就愈趋于宽厚，表明土样粘滞性逐渐变大。同时可以看出随着围压的增加，加载与卸载的能量损失和加载与卸载的应变能都随之增大，并且可以看出应变能随围压的增加相对比例更大（见表2）。同时，在对比第1组和第2组中围压为300 kPa和400 kPa的能量的变化，可以看出振动频率越高，能量损失和应变能会相应的增加。

表2 能量损失与应变能Tab.2 Energy Loss and Strain Energy

2.2.1 阻尼比

土体阻尼比又称为土的等效粘滞阻尼比。λd是阻尼系数与临界阻尼系数的比值，是衡量吸收振动能量的尺度[11]。由于表2中给出了不同围压下粉质黏土的加载与卸载能量损失和加载与卸载的应变能，可以得到在不同围压（100～400 kPa）下土体的阻尼比，如图5所示。

图5 阻尼比与围压Fig.5 Damping Ratio Versus Confining Pressure

由图5可以看出：土体阻尼比随围压的增加而逐渐减小，并满足线性关系，也就是说随着埋深的增加，土体吸收振动能量的能力越强，通过数据拟合得到土体阻尼比与围压的拟合公式为：

式中：σ3为土体所受的围压值（kPa）。

同时，从图5中可以看出：在围压为300 kPa和400 kPa时，振动频率为1 Hz和10 Hz下土体的阻尼比基本相同，故振动频率对土体阻尼比的影响不大。土体阻尼比主要受到围压的影响。对于管桩高应变试样，可以认为桩埋深较浅处，土阻尼对于锤击能量传递的消耗较大，埋深5～6 m处阻尼比达约0.25。随着桩埋深增加，粉质黏土的阻尼比会随着下降，且下降幅度不可忽视。

2.2.2 动模量

土的动力学主要特征参数除了阻尼比还包括动模量，本次研究中对于动弹模的研究包括：初始模量、加载平均模量、加载最大模量和卸载模量。其中初始模量为从坐标0点到第一个斜率明显变化点加载曲线的斜率；加载平均模量为从坐标0点至应力峰值点加载曲线的平均斜率；加载最大模量为有明显上升阶段起点至应力峰值点加载曲线斜率；卸载模量为卸载阶段的平均斜率。

由图6可见：各种动变形模量随围压增加均有明显增加，可见桩周土的动态变形响应与其埋深有明显关系，深度越大变形模量越大，即抵抗变形能力越强；同时当振动频率为10 Hz时，各种动模量均大于低振动频率下的动模量，因此在管桩高应变试验中锤击频率对土体模量有影响，并随着锤击频率的增加而增大。这也说明了在高振动频率下土体动剪应力大于低振动频率下土体动剪应力。

图6 动模量与围压Fig.6 Dynamic Modulus Versus Confining Pressure

3 结论

本文通过动三轴试验模拟在管桩高应变测试中，桩周粉质黏土所受锤击动荷载下，土体的动力学特性。得到了桩周粉质黏土的动力学特性，其主要的研究成果如下：

⑴在不同围压下动剪应力均随振动次数增加而下降；相同振动频率下，围压越大动剪应力越大；较低振动频率下（1 Hz），随振动次数增加，围压越大，动剪应力下降幅度也越大；较高振动频率、相同围压下，动剪应力较大。由此表明：锤击振动频率越高，土体抵抗能力越大；埋深越浅，土体抵抗能力越小。

⑵在围压100～400 kPa范围内，尽管随着围压增加滞回圈面积越来越大，应变能也增加且增加相对比例更大，阻尼比λd由0.251逐渐变小为0.082。这些结果表明：桩埋深较浅处，土阻尼对于锤击能量传递的消耗较大，埋深5～6 m处阻尼比达约0.25；随着桩埋深增加，同种土的阻尼比会随着下降，且下降幅度不可忽视；桩周土的动态变形响应与其埋深有明显关系，深度越大变形模量越大，即抵抗变形能力越强。

⑶目前规范高应变测试所涉计算分析对桩持力层的力学模型假定与实际有明显偏差。为管桩高应变测试提供相应的土体动力学参数。