静钻根植桩低应变动力响应的现场试验和数值模拟

肖 偲，王奎华，张日红，王孟波

(1. 浙江大学 滨海与城市岩土工程研究中心； 软弱土与环境土工教育部重点实验室， 杭州 310058；2. 宁波中淳高科股份有限公司， 浙江 宁波 315000)

静钻根植竹节桩是由日本引进的新型高强预制桩，由桩周水泥土和预应力管桩组合而成，桩身分布有竹节状凸起.这种特殊的成桩形式，既改善了桩土界面的受力性质，从而大大提高桩基承载力，而且在施工过程中泥浆排放量大大减少，更加环保.文献[1-7]通过大量的模型试验、数值分析分别对静钻根植竹节桩的静力承载特性、荷载传递机理及抗拔特性进行了研究，得到了很多实用的结论，对于该桩型在实际工程中的推广起到了巨大作用.

实际上，静钻根植竹节桩在作为建筑基础时，不仅受到静力作用，同时也受到各种性质的动力作用，因此研究该类型桩在动力荷载下的振动特性也非常重要.文献[8-10]分别用平面应变模型、考虑土体竖向波动模型模拟桩周土，对竹节桩在动力荷载下的动力阻抗进行了理论研究，重点分析了桩身竹节尺寸、间距和桩周水泥土硬化程度对桩顶动力阻抗的影响，为这种新桩型的振动特性研究打下了理论基础.然而，上述的研究对于竹节桩振动的时域特性并没有涉及，无法用来指导工程中最常用的低应变桩基无损检测方法，而且上述理论研究缺乏试验验证.在现有工程低应变测试中，由于竹节桩的桩身特性和成桩特性，不能完全适用普通等截面桩的振动理论，导致人们对于桩身是否存在缺陷以及缺陷位置难以判断，易导致误判，不利于工程安全和竹节桩的推广使用.

引起竹节桩振动特性异于普通桩基的主要原因是：桩周存在一定范围的水泥土，而水泥土性质随着龄期不断变化，水泥土与桩接触面的黏结性异于普通土体，水泥土的存在可能导致时域曲线中反射信号强度和位置的变化.文献[11-13]通过理论分析和模型试验，研究了管桩土塞对低应变测试中桩身综合波速的影响，结果表明，桩身综合波速会受到土塞切变模量、土塞高度和桩土耦合系数的影响.文献[14]通过有限元数值模拟，研究了钢管混凝土桩低应变测试中波速的变化，表明钢管混凝土桩的综合波速明显大于混凝土桩，介于钢管波速与混凝土波速之间.

本研究在进行现场低应变测试时，也发现了桩身综合波速的变化，因此在现场试验数据的基础上，建立了有限元数值模型.首先在不同龄期对竹节桩进行现场低应变测试，同时对桩周水泥土切变模量随龄期的变化进行了室内试验，然后基于实测的材料参数运用Abaqus有限元软件对竹节桩低应变过程进行数值模拟，通过数值解和现场低应变测试结果的对比，研究桩周水泥土对竹节桩振动特性的影响.

1 水泥土室内试验

桩周水泥土性质随着龄期逐渐变化，对于桩基振动而言，桩周水泥土的剪切波速的确定最为关键，然而目前尚未有对于桩周水泥土前期剪切波速的测试.本研究参考文献[15]测试软黏土切变模量的方法，使用弯曲元测试仪器，对小应变条件下水泥土的早期切变模量进行了研究.

1.1 试样配比和测试方法

本次室内试验采用的土为竹节桩现场试验区域的淤泥质黏土，将软黏土烘干碾碎，经过筛分，最大粒径为1 mm，水泥为425普通硅酸盐水泥.按照试验桩施工时桩周水泥土计算得到的配合比：每1 kg干黏土掺入水泥0.1 kg，加水0.6 kg.

将材料按配合比充分拌合均匀后，浇入与三轴仪配套的圆柱形模具中，成型后试样上端插入弯曲元传感器，如图1所示.在试样顶部施加较小的轴压，在不同龄期对该试样进行剪切波速测试.

1.2 试验结果

图2 剪切波速测试曲线Fig.2 A testing curve for shear wave velocity

以水泥土成型后第一次测试时龄期T=0，得到各龄期水泥土剪切波速，试验后测得水泥土密度为 2 082 kg/m3，根据下式可以得到水泥土的切变模量：

(1)

式中：Gs、ρs和vs分别为水泥土的切变模量、密度和剪切波速.水泥土Gs随龄期T变化如图3所示.

图3 水泥土切变模量随龄期变化曲线Fig.3 Shear modulus of cemented soil in different ages

可以看到，水泥土的早期切变模量在第一天内强度发展较为迅速，随后发展逐渐减缓，由于弯曲元测试对试样切变模量及强度要求较高，当水泥土强度继续增加时，此测试方法不再适用.

2 竹节桩现场试验

选取合适场地，用静钻根植工法，进行现场试桩测试.试桩为常用的单节竹节管桩，规格为：竹节处直径550 mm，非竹节处直径400 mm，壁厚95 mm，桩头扩大处直径500 mm，竹节间距1 m，桩长12 m.

本试桩采用静钻根植工法进行施工，如图4所示，钻孔直径为600 mm，即桩周水泥土的实际范围.与实际工程不一样的是，本试桩桩端没有进行扩底，而且桩周所注水泥浆中水灰比均为1.0.

图4 试验现场照片Fig.4 Pictures from field test

为了研究竹节桩振动特性随着桩周水泥土变化而受到的影响，成桩之前，在地表对竹节桩进行了低应变测试.成桩之后，在桩周水泥土不同的龄期对竹节桩进行低应变测试，得到时域曲线.

图5 典型的实测桩顶响应曲线Fig.5 Typical curves of tested responses on pile top

除了桩底反射信号幅值衰减，还可以看到，随着竹节桩成桩以及桩周水泥土龄期增长，桩底反射信号出现的时间也有所变化，这样的规律与传统的桩土耦合振动理论模型不一致，按照传统的桩土振动理论来说，桩周土只会对桩的振动存在能量的消耗，减弱反射信号的振幅，而不会影响信号的传播速度.

3 理论模拟

3.1 理论解析模型

为了模拟现场试验中得到的桩身低应变曲线变化特性，首先采用常用的解析理论方法，对静钻根植竹节桩桩顶动力响应进行求解.以文献[8]提出的竹节桩平面应变模型为例，可得桩顶速度时域响应.

将本试验中桩身、水泥土等参数代入文献[8]中速度时域响应计算公式，归一化后，可以得到水泥土不同龄期切变模量下竹节桩桩顶速度时域曲线，如图6所示.

图6 理论解析模型桩顶响应曲线Fig.6 Dynamic response of pile top by analytical solution

由图6可以看到，在平面应变模型中，随着水泥土模量增长，桩底反射信号幅值不断减弱，但是桩底信号到达时间不变，因此，该理论模型不能完整地模拟现场试验得到的结果.经过多次验算可以知道，类似的理论解析模型如考虑土体竖向波动[9]、考虑土体三维波动[16]、虚土桩[17]模型等均不能体现桩身低应变综合波速的变化.原因在于，上述传统的解析理论模型是将桩土接触面简化为Voigt模型或者竖向位移连续模型，前者只能真实地模拟接触面之间的作用力，忽略了桩土之间的耦合作用；后者虽考虑到桩土之间的耦合作用，但不能考虑斜向接触面的作用.因此传统解析模型无法真实地模拟竹节处与桩周水泥土之间倾斜接触面，更不能模拟桩土耦合振动时的三维效应.

3.2 三维有限元模型

为了进一步研究竹节桩周水泥土对桩身低应变测试的影响，采用Abaqus有限元软件建立三维模型.由于低应变测试中激振能量很小，所以模型中桩身和土体材料采用线弹性模型，但是考虑了桩身的阻尼；假设桩与水泥土、水泥土与普通土体在低应变范围内不会发生相对移动，所以设置两类接触界面均为刚性接触，位移和力连续.现场低应变试验时，激振设备为尼龙锤，根据实测曲线，激振波形采用半正弦曲线模拟，激振周期为0.6 ms.根据文献[18]的管桩低应变测试理论，本模型的桩顶拾振点与现场试验时一致，位于与激振点相隔90° 圆心角的位置.模型中，竹节桩与水泥土尺寸与现场试验一致，设置桩周水泥土外侧直径为600 mm，桩周土直径为16 m，桩底土厚度为5 m.

首先建立竹节桩自由振动的有限元模型(见图7)，根据竹节桩在地表的实测曲线，参考厂家提供的桩身材料参数，经过多次反演拟合，得到竹节桩桩身的弹性模量和阻尼；然后根据地质勘探情况和相应规范，得到桩周普通土的切变模量、泊松比；再将室内试验得到的不同龄期的水泥土切变模量代入模型中，得到不同龄期下竹节桩有限元模型的低应变测试曲线.

图7 有限元模型Fig.7 The finite element model

有限元模型中，桩身与桩周普通土的基本参数如表1所示.

表1 数值模型中基本参数Tab.1 Essential parameters in the numerical model

将有限元模型计算得到的低应变曲线与对应龄期的现场试验曲线归一化后进行对比，如图8所示.

图8 实测曲线与模型曲线对比Fig.8 Comparison of testing and simulating curves

可以看到，有限元模型曲线与现场试验的曲线在桩底反射的幅值和反射时间上的规律基本相符，但是曲线的平滑度存在一些差异，这是由于现场试验传感器拾振条件有限，曲线无法精确地表现桩身反射波形.

为了进一步检验该有限元模型对于现场试验模拟的准确性，计算了各时域曲线中入射信号与反射信号时间的差值Δt，并且由桩长L可以计算得到每次测试时桩的综合波速v=2L/Δt，对试验曲线和模型曲线中不同龄期时呈现的综合波速v和桩底反射信号的幅值绝对值|H|进行了对比，如图9和10所示.

图9 实测曲线与模型曲线综合波速对比Fig.9 Wave velocity of testing and simulating curves

图10 实测曲线与模型曲线桩底反射信号幅值对比Fig.10 Amplitude from pile bottom of testing and simulating curves

由图9可以看到，在地表时，桩的波速最大；成桩后，波速迅速下降；随着水泥土龄期的增长，竹节桩的综合波速逐渐增加，但增加趋势逐渐减缓；模型曲线与实测曲线基本规律一致，波速数值略有差异，可能由室内试验水泥土与现场水泥土所处环境差异引起.由图10可见，桩端反射信号的幅值绝对值在地表时较大，成桩后迅速减小，并且随着水泥土龄期增长逐渐降低，至难以分辨；模型曲线与实测曲线基本规律一致，虽然数值略有波动，但是基本相符.

图11 单一土切变模量变化对综合波速和反射幅值的影响Fig.11 The effect of soil modulus on wave velocity and amplitude

4 参数分析

为了进一步讨论静钻根植竹节桩低应变响应曲线的影响因素，本节中采用上述与现场试验符合良好的三维数值模型进行参数分析.根据之前的理论研究，对于静钻根植桩而言，除了桩周水泥土外，桩周普通土和桩底土对桩身的振动特性也会有影响.本节重点讨论桩周普通土和桩底土的切变模量对桩身低应变响应曲线中桩底反射信号综合波速和幅值的影响.

通过控制变量法，分别改变模型中桩周普通土和桩底土的切变模量(G)，对桩顶低应变时域曲线进行分析，结合上节中对水泥土切变模量变化的分析，将各情况下桩身综合波速和桩底反射信号幅值绘制成曲线，如图11所示.

由图11(a)可以看到，当保持水泥土切变模量不变时，桩周普通土和桩底土切变模量分别变化对桩身综合波速没有影响；而当水泥土单独变化时，桩身综合波速发生明显变化，变化规律与上文一致.由图11(b)可知，在本文研究范围内，3种土的切变模量变化都会引起桩底反射信号幅值的变化，其中水泥土对其影响最明显，桩周普通土次之，桩底土最小，几乎可以忽略.

5 结论

本研究通过现场试验，发现了静钻根植竹节桩低应变动力曲线随水泥土龄期变化的基本规律，结合室内水泥土试验，建立了有限元数值模型，并且对竹节桩低应变测试模型和实测曲线进行对比分析，得到以下结论.

(1) 根据现场试验，随着水泥土龄期增长，静钻根植竹节桩低应变曲线中桩底反射信号峰值逐渐变小，在第五天左右已较难分辨，这对此类桩工程现场低应变完整性检测时机提出了更高要求.

(2) 随着水泥土切变模量增加，桩底反射信号到达时间逐渐缩短，桩身综合波速逐渐增加，但明显小于桩身在地表时的波速，此现象与传统的解析理论结果不符；在低应变检测时，此现象易导致桩身缺陷位置和桩长的误判，应引起注意.

(3) 建立的有限元数值模型能够较好的模拟桩土之间的实际耦合作用，得到的桩身低应变曲线规律与实测虽有微小差异，但基本符合，可以以此模型为基础，对静钻根植竹节桩动力特性进行进一步理论研究.

(4) 进一步的参数分析发现，只有水泥土切变模量变化对桩身综合波速产生影响；此外，水泥土切变模量变化对桩底反射信号幅值影响最大，桩周普通土次之，桩底土最小，几乎可以忽略.