基于加速度响应的柱锤冲扩桩加固土体影响范围研究

邓开元 李晓燕

摘要：为明确柱锤冲扩桩成桩对地基土加固影响范围，通过试验确定填筑土体基本参数，开展室内模型试验，对土体内部加速度响应衰减规律进行分析，划分土体加固影响范围。得到结论：（1）通过浸水荷载实验，孔隙比e=0.9 时，浸水条件下的有荷试验土体会发生较大塌陷变形，不加以处理用于工程地基具有较大隐患；（2）结合土体加速度响应规律，地基土在竖向、斜向、横向加速度峰值响应随距离衰减呈负幂指数关系；（3）根据加速度峰值衰减规律，可以大致确定土体加固影响范围边界在水平距离 2d、竖向 4.5d、斜向4.9d范围以内。

关键词：柱锤冲扩桩； 加速度响应； 土体加固范围； 模型试验

中图分类号：TU473.1+1文献标志码：A

0引言

在《交通强国建设纲要》中强调，要强化交通生态环境保护修复，促进资源节约集约利用，推广施工材料、废旧材料再生和综合利用。红层泥岩在四川地区分布广泛，作为一种不可避免的不良地质，在我国基础设施建设不断发展的过程中，给地区发展和建设造成了巨大的经济损失。加固软弱地基目前常用的方法有换填法、强夯法、挤密桩法和柱锤冲扩桩法［1-2］，但换填法填料用量大，强夯法噪声污染严重，且两种方法处理深度有限，挤密桩法成本高昂；相较而言，柱锤冲扩桩法在处理软弱地基中优势明显，具有施工方便、噪音小、经济环保、处理深度大等优点。

针对柱锤冲扩桩，许多学者进行了研究。王恩远、刘熙媛［3］将柱锤冲扩桩加固区域分为主压实区和次压实区，加固机理大致划分为冲击荷载作用、孔內强夯作用、一次挤密作用和二次挤密作用等；王嘉聪等［4］通过开展室内模型试验，研究了柱锤冲扩桩成桩过程以及成桩前后地基土状态变化；金忠良［5］结合工程实例，分析了使用柱锤冲扩桩加固地基对地基承载性能的影响。

本文以柱锤冲扩桩法成桩过程为研究对象，通过试验确定试验土体填筑参数，开展柱锤冲扩桩室内模型试验，研究成桩过程中土体的加速度响应规律，探讨柱锤冲扩桩加固影响范围，为柱锤冲扩桩实际施工提供可靠依据。

1实验土体及柱锤参数

1.1红层泥岩基本物理参数

根据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》，将土样基本物理性质进行测定，试验结果如表1所示，击实试验结果如图 1 所示。

由图 1 可知，试验土体最大干密度为 2.01 g/cm3，土体最优含水率为 8.7 %。

1.2红层泥岩浸水条件下有荷试验

在不同干密度条件下，通过调节上覆荷载大小和浸水条件，探究在浸水荷载条件下的土样状态，具体试验方案如表2所示。

图2 为不同初始孔隙比随不同上覆荷载的土样变形率变化图，由图2可知，土样变形率随竖向荷载的增大而增大，初始孔隙比对土样在浸水条件下的行为表现有较大影响。当初始孔隙比为 0.9 和 1.0 时，固结后土样在低荷载和高荷载情况下浸水，都会产生一定的塌陷量；而初始孔隙比为 0.6、0.7、0.8 时，固结后的土样在低荷载情况下浸水会发生膨胀，而在高荷载情况下浸水会产生一定的塌陷。

综上所述，本次模型试验采用填土参数为最优含水率ω=8.7%、孔隙比e=0.9。

1.3砂卵石填料

如图 3 所示，本次模型试验柱锤冲扩桩填料选用直径 10～20 mm 砂卵石，每层填料厚度为 5 cm，分两次填筑共计10 cm，每次填料柱锤夯击 3 次，共计夯击 6 次。

1.4柱锤尺寸

模型柱锤尺寸规格如表3所示。

模型试验作为一种研究手段，可在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系，在复合地基加固机理研究中广泛应用［6］。本次室内模型试验以相似理论为基础，设计室内模型试验方案。

2.2加速度计及加载系统

加速度计采用压电式加速度传感器，为避免传感器在实验中发生移位、损坏和难以与松散土体充分接触从而影响传感器监测动荷载波等问题，需要对加速度传感器进行保护处理。选用导波性能较好的柱形金属盒作为保护盒并预留导线口，将加速度传感器固定在保护盒底部，并在内部填充红层泥岩土，连接线处加设保护管。如图4所示。

采用尺寸 5 cm×5 cm×0.8 cm 的矩形钢管制作模型箱，模型箱内部尺寸长×宽×高= 0.85 m×0.85 m×1.0 m，填土尺寸长×宽×高= 0.85 m×0.85 m×0.85 m。在柱锤冲扩桩法施工过程中，柱锤将重力势能转化为动能冲击填料和土体，冲击能量以波的形式在土体内耗散，冲击波在接触到模型箱内壁时会发生反弹，干扰试验结果，聚苯乙烯泡沫板具有吸收能量的特性，在模型箱内侧放入 5 cm 厚的聚苯乙烯泡沫板，能够有效吸收冲击波，防止试验受到反射波干扰。

试验加载系统主要由三部分构成，包括脚手架、卷扬机、电磁铁。利用电磁铁通电有磁、断电消磁的特性，通过卷扬机将柱锤提升至指定高度并释放，释放后柱锤夯击指定位置。加载系统如图5所示。

3仪器布置及试验结果

3.1仪器布置

通过在振源底部横向、竖向、斜向三个方向上预埋加速度计，探究冲击波在土体内部的传播特性及衰减规律。单桩成桩过程具有对称性，同一平面加速度计布置相互错开，能够最大限度的减少加速度计相互干扰［7］。具体加速度计布置如图6所示。

3.2试验结果

3.2.1土体加速度时程曲线

将柱锤提升至 1.5 m 高处静止释放，重力势能转化为动能，当柱锤与填料发生冲击碰撞时，柱锤能量释放，填料与土体吸收能量并向周围土体传递，冲击能量以波的形式在土体内耗散。将柱锤第一次冲击土体，土体加速度响应时程曲线绘制成图7～图9。

竖向加速度计时程曲线如图 7 所示，孔底正下方 1.5d处加速度计时程曲线峰值最大，负向加速度峰值为单峰，正向加速度计峰值为双峰，负向加速度峰值绝对值大于正向加速度峰值绝对值。加速度时程曲线与章吟秋［8］现场实测加速度响应曲线一致，时程曲线先出现一个较大的负波峰，再连续出现两个较小的正波峰。随着预埋加速度计到孔底距离增加，加速度计峰值急剧减小，加速度计响应趋近正弦波，响应后期土体内部加速度振动趋于一致。

斜向加速度计时程曲线如图 8 所示，随着加速度计距离增加，加速度计峰值减小。加速度计振动可分为两种形式，一种形式有明显的单、双峰，如1.5d、3.2d位置处时程曲线；另一种加速度时程曲线呈现正弦波，如4.9d、6.7d位置处时程曲线。

横向加速度计时程曲线如图 9 所示，相比于纵向和斜向加速度计响应，横向加速度峰值更小，响应规律基本保持一致。隨着距离增加，加速度计峰值减小，加速度计响应趋近于正弦波。

3.2.2加速度峰值拟合

柱锤冲击地面触发地基振动，振动会随着到振源距离的增加而减小，掌握冲击振动随距离的衰减规律有利于对土体加固影响范围进行评价。加速度峰值绝对值随测点与振源距离的关系，可以利用下列公式表示［9］：

amax=re-nx

式中：amax为测点加速度最大值的绝对值，（ms-2）；x为测点与冲击点的距离，（m）；r为当量系数；n为衰减系数。

将竖向、斜向、横向加速度峰值衰减规律用上式拟合，拟合结果如图 10 所示。

从图10中可以看出竖向、斜向、横向加速度峰值与距离关系均符合负幂指数衰减规律。总体而言，随着夯击次数的增加，土体加速度峰值增加；值得注意的是，在第三次夯击后加入填料，土体加速度峰值保持不变或减少，这是由于松散鹅卵石填料，缓冲了柱锤能量的释放。把当量系数r值和衰减指数n值统计在表4。

表4中各个方向上加速度峰值负幂指数函数拟合相关系数均接近 1，不同冲击次数土体加速度响应衰减规律相同。竖向方向上，当量系数r随着夯击次数的增加而减小；斜向和横向方向上，当量系数r随着夯击次数的增加而增加，斜向方向r值最大，说明斜向方向加速度衰减最快。

从图 10 中可以明显的看出加速度峰值在振源附近衰减很快，随着距离的增大，离振源越远衰减越慢，这说明振动波在土体内部传播存在着一个加固影响范围边界，超过该边界后加速度峰值较低，衰减变慢加固效果也变差。竖向距离4.5d、斜向距离4.9d以后加速度峰值衰减明显变缓。在柱锤第六次冲击土体时，竖向加速度峰值从 266 m/s2（1.5d） 下降到 72 m/s2（4.5d），加速度峰值衰减了73%；斜向加速度峰值从 266 m/s2（1.5d） 下降到 35 m/s2（4.9d），加速度峰值衰减了87%；横向加速度峰值从 153 m/s2（0d） 下降到 39 m/s2（2d），加速度峰值衰减了 75%。根据加速度峰值衰减规律，可以大致确定加固影响范围边界在水平距离 2d、竖向 4.5d 、斜向 4.9d范围以内。

4结论

通过浸水荷载实验以及室内模型试验，结合土体内部加速度响应规律分析，得到几点结论：

（1）孔隙比为 0.9 时，浸水条件下有荷试验会发生较大塌陷变形，不加以处理用于工程地基具有较大隐患。

（2）室内模型试验中，地基土竖向、斜向、横向加速度峰值响应随距离衰减规律呈负幂指数函数关系。

（3）根据加速度峰值衰减规律，可以大致确定土体加固影响范围边界在水平距离2d、竖向4.5d、斜向4.9d范围以内。

参考文献

［1］孔洋，阮怀宁，黄雪峰. DDC法复合黄土地基的原位浸水试验研究［J］. 土木工程学报. 2017， 50（11）： 125-132.

［2］屈耀辉，魏永梁，武小鹏，等. 黄土区高铁柱锤冲扩桩地基沉降控制效果研究［J］. 铁道工程学报. 2012， 29（1）： 21-25.

［3］王恩远，刘熙媛. 柱锤冲扩桩法加固机理研究［J］. 建筑科学. 2008（9）： 63-67.

［4］刘熙媛，张攀，王嘉聪，等. 基于相似理论的柱锤冲扩桩法模型试验研究［J］. 河北工业大学学报. 2011， 40（6）： 96-100.

［5］金忠良. 柱锤冲扩桩法复合地基承载性能研究［D］. 青岛：中国石油大学（华东）， 2010.

［6］徐挺. 相似理论与模型试验［M］. 中国农业机械出版社， 1982.

［7］Jardine R J， Zhu B T， Foray P， et al. Measurement of stresses around closed-ended displacement piles in sand［J］. Geotechnique. 2013， 63（1）： 1-17.

［8］章吟秋. 强夯加固土石混合料填方体动响应分析及测试技术探究［D］. 杭州： 浙江大学， 2017.

［9］谭捍华，孙进忠，祁生文. 强夯振动衰减规律的研究［J］. 工程勘察. 2001（5）： 11-14.

［作者简介］邓开元（1996—），男，硕士，研究方向为特殊岩土力学及工程应用。