砂土层中钢管桩高频振动贯入效率模型试验

赵一锦，谢建斌，2，时林丰，孙孝海，刘思楠，王卓蕾

(1. 云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650500; 2. 昆明军龙岩土工程有限公司，云南 昆明 650021)

0 引言

高频液压振动沉桩施工工艺，适用于大部分钢管桩、钢板桩和支护筒等，具有噪声低、对周边环境影响小、沉桩效率高、地层适应性强，以及能满足不同地质层中沉桩的要求等优点[1-2]。

国内外学者从模型试验和数值模拟两方面对高频振动沉桩进行了研究。文献[3]通过桩土模型试验，给出振动沉桩过程中桩侧动摩阻力、水平应力和沉桩位移所形成的关系。文献[4]通过对钢管桩沉桩过程试验分析，发现土塞效应导致土体压缩承载力增加、桩端阻力增加，并从径向土体应力应变方面分析了钢管桩内土塞效应。文献[5-7]通过桩模型试验和ABAQUS有限元软件模拟振动沉桩全过程中孔隙水压力变化、径向桩土应力变化、土塞效应和沉桩效率，得出贯入深度、超孔隙水压和水平应力的变化规律，分析了孔隙比、激振频率和套管直径对沉桩效率的影响。文献[8]采用ABAQUS有限元软件模拟沉桩过程对周边环境的影响，分析了激振频率、激振力和桩径对周边环境的影响程度。文献[9]运用PFC3D软件，采用颗粒离散元法，分析得出振动沉桩过程中砂土速度场和桩土接触应力对桩侧摩阻力的影响，以及激振力、静载力和孔隙率对沉桩效率的影响。文献[10-11]运用高频振动三轴仪，研究了振动频率对标准砂和饱和密砂动力特性的影响。文献[12]通过设计室内小模型试验，研究了可液化砂土在不同横向地震波作用下桩周应力、应变和超孔隙水压力的变化。文献[13]基于灰色关联度理论，对钢管支护桩高频振动沉桩在湖相沉积层中沉桩位移因素敏感性进行了分析。文献[14]采用ABAQUS有限元法，分析了高频振动沉桩中的单打桩、双打桩、群桩、不同打桩顺序所产生的挤土效应和不同频率沉桩效率。

云南等地区土层地质成分较为复杂，一些地区土层地质主要为湖相沉积，土层组成主要以泥炭质土和砂土为主。由于地质较为特殊，国内外对砂土层中高频液压振动沉桩研究较少。本文取样昆明滇池施工现场砂，对湿砂和干砂采用室内小结构模型试验，分析了在不同激振频率、电压峰值、相对密实度、饱和度下高频液压振动沉桩效率和可打入性。

1 试验设备

查阅相关文献[14-15]可知:沉桩过程中径向主要影响范围为6倍桩径，依据几何相似原理和振动沉桩体系来设计小结构模型试验。沉桩系统主要由3部分组成，分别为振动加载部分、沉桩模拟部分和信号采集部分。模型试验系统如图1所示。

图1 模型试验系统

振动加载部分由电动式激振器、扫频信号发生器和功率放大器组成。电动式激振器最大激振力为100 N，激振频率为10～4 000 Hz。扫频信号发生器可提供多种类型的信号，为电动式激振器提供所需的正弦函数振动频率的激振力。由于扫频信号发生器输出功率有限，不能直接推动电动式激振器工作。功率放大器用于弥补扫频信号发生器功率的不足，确保电动式激振器正常运行。试验所选沉桩激振频率分别为20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz和80 Hz。

信号采集部分主要由压电式力传感器、电荷放大器、动态信号测试分析器和服务器组成。动态信号测试分析器主要用于采集压电式力传感器在振动沉桩过程中打桩力的变化信号。

沉桩模拟部分主要为自行设计的钢框架结构，并安装圆柱形钢导轨。桩为钢管桩，长27 cm,直径为1.5 cm。

2 试验内容

对钢管桩的桩顶施加1 min激振力，研究钢管桩在干砂和湿砂中振动沉桩过程。

打桩力选取不同正弦函数振动频率，统一电压峰值情况下，监测在相对密实度Dr为30%和50%的干砂土样中，以及在饱和度Sr为50%和70%的湿砂土样中，25 s的振动沉桩位移。

打桩力选取不同正弦函数振动频率，监测当电压峰值Upp分别为1.500Vpp(Vpp为电压幅值)和2.000Vpp时，在干砂及湿砂试样中25 s的振动沉桩位移。

在相同相对密实度与相同电压峰值，或相同饱和度与相同电压峰值情况下，监测激振频率分别为20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz和80 Hz时，25 s的振动沉桩位移。

图2 试验干砂的颗粒级配曲线

2.1 干砂土样制备

本次试验所用干砂取自昆明滇池国际会展中心4号地施工现场砂土。

依照《土工试验方法标准》规定，采用筛分法，根据试验所得数据绘制干砂的颗粒级配曲线，如图2所示。

制备相对密实度Dr为30%和50%的干砂试样，用2 mm筛将烘干的砂土筛选出并放入干燥器内密封保存。本试验盛土容器为直径15 cm、高27 cm的圆柱形钢筒，土样高度为26 cm。两种相对密实度土样所需干砂质量ms可按式(1)和式(2)计算。

e=(1-Dr)emax+Dremin；

(1)

(2)

其中：e为天然孔隙比；emax为最大孔隙比,emax=0.926；emin为最小孔隙比，emin=0.358；ds为土粒相对密度，本次砂土取ds=2.65；V为土样体积，cm3。由式(1)和式(2)可得：ms(30%)=6 931.8 g，ms(50%)=7 411.4 g。以制备Dr=30%的干砂土样为例，过程为： 称取6 931.8 g烘干土样，搅拌均匀并平均分成4份；将其中1份倒入盛土容器中，用击实锤将倒入土样击实到厚度为6.5 cm时，停止锤击；另外3份重复上述试验步骤，依次击实到厚度为13.0 cm、19.5 cm和26.0 cm时，停止锤击。达到设定相对密实度。

2.2 湿砂土样制备

本次试验的湿砂土样，仍采自昆明滇池国际会展中心4号地块施工现场砂土。

为了研究砂土饱和度与钢管桩沉桩位移之间的相关性，本次试验首先设定砂土的相对密实度Dr为50%，饱和度Sr分别为50%和70%。制备两种不同饱和度的砂土土样，水的质量可按下式计算：

(3)

其中：mw为水的质量，g；ρw为水的密度，g·cm-3；Vw为水的体积，cm3。

以制备饱和度Sr=50%的湿砂土样为例，过程为：称取7 411.44 g烘干砂土，再称取897.75 g水，将称好的干砂和水充分搅拌均匀，然后将其平均分成4份；先倒入1份在盛土容器中，用击实锤将倒入土样压实到厚度为6.5 cm，停止锤击；再依次按照上述步骤倒入另外3份，依次击实，厚度分别为13.0 cm、19.5 cm和26.0 cm时，停止锤击。达到设定饱和度。

3 试验结果分析

3.1 干砂试验结果分析

3.1.1 干砂试验现象

图3为单次室内干砂沉桩模型试验前后对比图。由图3可知：由于高频振动沉桩的作用，桩周砂土产生振密现象，振动沉桩结束后土体表面相比于振动沉桩前产生了较大沉降位移，且随土体与钢管桩径向距离的增大，位移逐渐减小。

(a) 沉桩前

(b) 沉桩后

图3 单次室内干砂沉桩模型试验前后对比图

3.1.2 钢管桩在干砂土样中沉桩过程模拟

动态信号测试分析器连接桩顶压电式力传感器，对钢管桩桩顶的打桩力(即激振力)进行实时监测，干砂桩顶打桩力时程曲线如图4所示。

由现场试验测量数据并结合图3和图4可知：钢管桩在沉桩前期桩顶打桩力和沉桩位移增加迅速；沉桩中期，桩顶打桩力和沉桩位移增加放缓；沉桩后期，桩顶打桩力趋于平稳，沉桩达到最大位移，为12.8 cm。振动沉桩过程中，桩顶打桩力随时间按照正弦函数逐渐增大，最后趋于稳定，随振动沉桩位移的不断增加，桩侧摩阻力、桩端阻力以及钢管桩内产生的土塞效应逐渐增大，桩顶打桩力随之增大。停止沉桩时，桩侧摩阻力、桩端阻力、土塞程度和打桩力达到最大值并趋于平稳。

图4 干砂桩顶打桩力时程曲线

3.1.3 相对密实度对沉桩位移的影响

为了研究相对密实度对振动沉桩位移的影响，选取4种不同工况下振动沉桩位移结果。由试验数据绘制干砂相对密实度与沉桩位移的关系图，如图5所示。

由图5a可知：在控制电压峰值Upp为1.500Vpp时，相对密实度Dr小的沉桩位移相对较大，3种不同激振频率(20 Hz、30 Hz、40 Hz)作用下，Dr为50%的砂土土样中沉桩位移分别是Dr为30%砂土土样的95.0%、73.4%和57.1%。由图5b可知： 在Upp为2.000Vpp时，Dr为50%的砂土土样中沉桩位移分别是Dr为30%砂土土样的91.2%、55.5%和57.4%。分析得出：在激振频率较低时，两种相对密实度的沉桩位移相差很小；激振频率较高时，沉桩位移变化较为明显；随着相对密实度的不断增大，沉桩位移减小。

(a) Upp=1.500Vpp

(b) Upp=2.000Vpp

图5 干砂相对密实度与沉桩位移的关系

3.1.4 激振力对沉桩位移的影响

由试验数据可以得到干砂中电压峰值与沉桩位移的关系，如图6所示。Dr为30%干砂土样在电压峰值为1.500Vpp时的沉桩位移，与电压峰值为2.000Vpp时的沉桩位移对比可知：电压峰值越大，沉桩位移越大，如图6a所示。图6b与图6a呈现一致的规律。由于所采用的电动式激振器施加的桩顶激振力与电压成正比，可得出桩顶激振力越大，沉桩位移越大。

(a) Dr=30%

(b) Dr=50%

图6 干砂中电压峰值与沉桩位移的关系

图7 干砂中激振频率与沉桩位移的关系

3.1.5 激振频率对沉桩位移的影响

振动锤激振频率分类：f≤15 Hz为低频振动；15 Hz60 Hz为超高频振动。

通过试验数据可得出Upp=2.000Vpp时，干砂中不同激振频率与沉桩位移的关系，如图7所示。由图7可知：当激振频率f=40 Hz时，Dr为30%和50%两种干砂的沉桩位移达到最小值，向两侧逐渐升高；当激振频率达到超高频值时，沉桩位移超出中频段沉桩位移。在实际干砂土层中应避开高频段，优先选择中低频和超高频段。

3.2 湿砂试验结果分析

3.2.1 湿砂试验现象

图8为单次室内湿砂沉桩模型试验前后对比图。由图8可知：在湿砂土层中，钢管桩在高频振动沉桩作用下，桩周砂土并未产生振密现象，振动沉桩过程中钢管桩对周边土体扰动较小，无明显桩周表面沉降，且钢管桩沉桩位移得到大幅提升。

(a) 沉桩前

(b) 沉桩后

图8 单次室内湿砂沉桩模型试验前后对比图

图9 湿砂桩顶打桩力时程曲线

3.2.2 钢管桩在湿砂土样中沉桩过程模拟

动态信号测试分析器连接桩顶压电式力传感器，对钢管桩桩顶的打桩力(即激振力)进行实时监测，湿砂桩顶打桩力时程曲线如图9所示。

由图9可知：湿砂中，钢管桩桩顶打桩力迅速增加，随后趋于平稳，钢管桩停止下沉，最大沉桩位移为16.5 cm。相比于干砂，桩顶打桩力大幅减小，振动沉桩位移明显高于干砂土样中的沉桩位移。由此可以看出：钢管桩沉桩位移与砂土含水量有密切关系。

3.2.3 饱和度对沉桩位移的影响

为研究饱和度对振动沉桩位移的影响，选取其中4种不同工况下振动沉桩位移结果。由试验结果绘制出湿砂饱和度与沉桩位移的关系图，如图10所示。

由图10a可知：在Upp=1.500Vpp时，钢管桩沉桩位移随湿砂土饱和度的增大而增大，在3种不同激振频率(20 Hz、30 Hz、40 Hz)作用下，湿砂土饱和度为50%时所对应的沉桩位移，分别是相同沉桩条件下Dr为50%干砂沉桩位移的133.0%、256.9%和378.1%；湿砂土饱和度为70%时所对应的沉桩位移，分别是相同沉桩条件下Dr为70%干砂沉桩位移的144.3%、265.5%和443.8%。由图10b可知：当Upp=2.000Vpp时，在3种不同激振频率(20 Hz、30 Hz、40 Hz)作用下，湿砂土饱和度为50%时所对应的沉桩位移，分别是相同沉桩条件下Dr为50%干砂沉桩位移的137.6%、218.3%和232.3%；湿砂土饱和度为70%时所对应的沉桩位移，分别是相同沉桩条件下Dr为70%干砂沉桩位移的148.8%、225.4%和246.8%。两种饱和度下沉桩位移均大于干砂中沉桩位移，最大沉桩位移相差3～4倍，由此可知，砂土水分含量对沉桩位移有很大影响，而两种饱和度下沉桩位移相差不大；湿砂相比于干砂，激振频率越大，沉桩位移百分比越大，说明砂土中孔隙水压力上升速度加快，更有利于沉桩，沉桩位移大幅增加。

(a) Upp=1.500Vpp

(b) Upp=2.000Vpp

图10 湿砂饱和度与沉桩位移的关系

3.2.4 激振力对沉桩位移的影响

由试验数据可得湿砂中电压峰值与钢管桩沉桩位移的关系，如图11所示。由图11a可知：在Sr为50%时，电压峰值小的沉桩位移小，增大激振力有利于增大沉桩位移。图11b在两种饱和度下呈现出与图11a一致的规律。

(a) Sr=50%

(b) Sr=70%

图11 湿砂中电压峰值与沉桩位移的关系

图12 湿砂中激振频率与沉桩位移的关系

3.2.5 激振频率对沉桩位移的影响

当电压峰值Upp=2.000Vpp时，由试验数据可得湿砂中不同激振频率与钢管桩沉桩位移之间的关系，如图12所示。

由图12可知：当激振频率f=50 Hz时，在饱和度为50%和70%两种湿砂土样中振动，沉桩位移均达到最小值。当激振频率达到超高频时，沉桩位移与中频段沉桩位移基本持平。

4 结论

(1)钢管桩在干砂中振动沉桩对周围环境的影响比在湿砂中大；在干砂中容易出现振密现象，湿砂相对于干砂桩顶打桩力前期增速较快，随后趋于平稳，所需打桩力相对较小。

(2)控制其他条件不变的情况下，砂土的相对密实度越低、饱和度越高，钢管桩可打入性越强。

(3)控制其他条件不变的情况下，激振力越大，沉桩位移越大。

(4)在干砂土样中，当激振力频率f=40 Hz时，沉桩位移达到最小值；在湿砂土样中，当激振频率f=50 Hz时，沉桩位移达到最小值。当激振频率小于沉桩位移最小值所对应的频率时，在一定范围内随激振频率的增大，沉桩位移逐渐减少；当激振频率大于沉桩位移最小值所对应的频率时，在一定范围内，沉桩位移随着激振频率的增加而逐渐增加。在干砂土样中，当激振频率达到超高频时，沉桩位移与中频段沉桩位移基本持平。