层状非饱和土中端承桩竖向土体振动响应研究

摘要：目的：研究层状非饱和土中端承桩竖向土体振动响应。方法：分别制作一个层状非饱和土的模型箱与端承桩的模型桩，分析层状非饱和土中端承桩竖向土体振动响应。结果：随着非饱和土饱和度的增加，端承桩桩顶的位移频响逐渐增大、动刚度频响逐渐减小、动阻尼比频响逐渐增大；随着层状土上下土层厚度比的减小，端承桩桩顶的位移频响逐渐增大、动刚度频响逐渐减小、动阻尼比频响逐渐增大。结论：层状非饱和土的饱和度越小、上下土层厚度比越大，越有利于降低端承桩竖向土体振动响应。

关键词：层状非饱和土端承桩竖向振动振动响应

中图分类号：TU470

StudyResearch on theVerticalVertical Soil Vibration Response ofthe Soil Massof MiddleEnd-Bearing Piles in Layered Unsaturated Soil

MENG Jianwen 1 YAN Fu 2 LI Wencheng3

1.Wuwei Vocational College; 2.Liangzhou District Bureau of Housing and Urban-Rural Development Bureau;

3.Gansu Wujian Engineering Construction Co.， Ltd.， Wuwei， Gan’su Province， 733000 China

Abstract： Objective To study the vertical soil vibration response of thesoil massof end-bearing piles in layered unsaturated soil. Methods： A model box of layered unsaturated soil and a model pile of the end-bearing pile were made respectively to analyze the vertical soil vibration response of thesoil mall of end--bearing piles in layered unsaturated soil. Result： With the increase ofthe saturationof unsaturated soil saturation， the displacement frequency response of the displacement ofthe end-bearing pile top gradually increasesd， the dynamic stiffness frequency response of its dynamic stiffness gradually decreasesd， and the dynamic damping ratio frequency response of its dynamic damping ratio gradually increasesd; Aswith thedecrease of the thickness ratio of the upper and lower soil layers inof layered soildecreases， the displacement frequency response of thedisplacement of the end-bearing pile top gradually increasesd， the dynamic stiffness frequency response of its dynamic stiffness gradually decreasesd， and the dynamic damping ratiofrequency response of its dynamic damping ratio gradually increasesd. Conclusion： The lower the saturation of layered unsaturated soil and the greater the thickness ratio of itsthe upper and lower soil layers， the more favorableconducive it is to reducinge the vertical soil vibration response ofthe soil mass of end-bearing piles.

Key Words： Layered unsaturated soil; End bearing piles; Vertical vibration; Vibration response

桩基作为土木工程中不可或缺的重要结构形式，其承载能力和稳定性直接关系到整个工程的安全性和可靠性。然而在实际工程实践中，桩基受复杂的土层条件以及多变的施工环境影响，使得桩基的受力性能及其振动响应特性变得难以精确预测。特别是在层状非饱和土中，由于土层的分层特性、含水量的动态变化以及土体参数的显著差异，端承桩的竖向振动响应特性表现出更为复杂多变的特点。因此，深入研究层状非饱和土中端承桩的竖向振动响应，不仅具有重要的理论价值，而且对于指导实际工程实践具有深远的意义。基于此，本项研究致力于探索层状非饱和土中端承桩竖向土体振动响应，不仅有利于完善桩基振动响应的理论体系，为层状非饱和土中桩基的设计和施工提供坚实的科学依据。而且本研究也可以进一步推动土木工程领域相关研究的持续深入和拓展。

1 层状非饱和土中端承桩竖向土体振动模型试验

1.1 制作模型箱与模型桩

采用模型试验方法深入研究层状非饱和土中端承桩竖向土体振动响应。首先需要设计专门的模型箱，并在其中制作端承桩的模型桩[1]。

本文采用钢板焊接一个箱体，并将模型箱填土分为两部分：土层1为表层土，本文铺设高度为H1的含水率较高且具有一定压缩性的砂质黏土，以模型实际工程中常见的湿润表层土；土层2为底层土，本文铺设了高度为H2的含水率较低且强度较高的碎石块，以模拟实际工程中常见的较为坚实的底部土层。在根据上述内容完成模型箱的制作后，即可进行模型桩的制作[2]。本文采用1∶：50的比例来制作模型试验桩，采用PVC作为端承桩模型桩的制作材质，模型桩的桩长为800 mm，直径为45 mm。然后采用预埋的方法，预先将端承桩模型桩固定在模型箱中部，确保桩身和模型箱中轴线位于一条直线上，再向模型箱内部分层填充地基土，填充完毕后对模型箱内均匀加水，以此控制地基土的饱和度，至此完成了层状非饱和土环境的模型箱的制作与端承桩模型桩的埋置，为后续模型试验提供基础装置。

1.2 模型桩加载方案与步骤

本次模型试验主要进行单一变量控制性研究[3]。在模型箱内部的模型桩上方固定一个激振器，通过激振器向模型桩实施正弦波加载，以此模拟端承桩竖向土体振动荷载[4]，本文遵循了从低到高、逐步增加的原则[5]，整个加载流程如下：。

首先，进行分级加载，本文采用较小振幅和频率的正弦波，逐步增加至预定值，以模拟实际工程中逐渐增大的荷载。当加载至预定最大荷载后，终止加载，此时，保持一段时间的稳定加载状态，以便观测模型桩在最大荷载下的振动响应。然其次后，进行分级卸载。卸载过程与加载过程类似，也是逐步减小振幅和频率，直至完全卸载。

1.3 试验数据处理

本文利用高精度的加速度传感器、应变仪等装置，对模型桩在受到竖向正弦波加载时的振动响应数据进行记录，涵盖加速度、位移等关键参数[6]。本文采用时域分析与频域分析相结合的方法，提取反映端承桩竖向土体振动响应的关键特征指标。

1.3.1 桩顶位移指标

一是桩顶位移指标的，计算公式如下：

（1）

式（1）中： 表示层状非饱和土中端承桩的桩顶位移； 表示向端承桩施加的竖向振动荷载力； 表示端承桩的桩身刚度。在层状非饱和土中，由于土层性质的差异，桩顶位移会受到不同土层的影响，分析桩顶位移有助于了解端承桩在竖向土体振动下的变形特性。

1.3.2 桩顶动刚度指标

二是桩顶动刚度指标，的计算公式如下：

（2）

式（2）中： 表示层状非饱和土中端承桩的桩顶动刚度； 表示端承桩桩身阻抗； 表示端承桩桩周土阻抗。在层状非饱和土中，桩顶动刚度受到桩身材料、桩周土的性质以及桩土相互作用的影响，分析桩顶动刚度有助于了解端承桩在竖向土体振动下的承载力与稳定性。

1.3.3 桩顶动阻尼比响应指标

三是桩顶动阻尼比响应指标[7]，的计算公式如下示：

（3）

式（3）中： 表示层状非饱和土中端承桩的桩顶动阻尼比； 表示端承桩桩身和桩周土的综合阻尼比。

2 结果分析

2.1 非饱和土饱和度对端承桩竖向土体振动响应的影响

为探讨非饱和土的饱和度对端承桩竖向土体振动响应的影响，在模型试验中将模型箱内地基土饱和度分别控制为0.3、0.6、0.9，以桩顶位移指标为例，3个饱和度水平下端承桩模型桩竖向土体振动响应指标数据的变化趋势如图2所示。

从图1中可以看出，随着非饱和土饱和度的不断增加，端承桩在相同振动频率下的桩顶位移呈现出逐渐增大的趋势。因此，考虑端承桩桩顶的位移频响指标，饱和度越大，端承桩在竖向土体振动下结构稳定性越差。

2.2 分层土厚度对端承桩竖向土体振动响应的影响分析

为探讨分层非饱和土的分层土厚度对端承桩竖向土体振动响应的影响，在模型试验中将模型箱内上、下层地基土厚度比分别控制为2∶：1、1∶：1、1∶：2，以桩顶位移指标为例，3个上下层土厚度比水平下端承桩模型桩竖向土体振动响应指标数据的变化趋势如图3所示。

从图2中可以看出，从整体来看，随着振动频率的增加，不同厚度比下的桩顶位移均呈现出逐渐增大的趋势，表明在高频振动下，桩体更容易产生较大的位移响应。因此，考虑端承桩桩顶的位移频响指标，上下土层厚度比越小，端承桩在竖向土体振动下结构稳定性越差。

3 结束语

根据试验结果可知：层状非饱和土的饱和度和分层厚度都是端承桩竖向土体振动响应的重要影响因素，饱和度越小、上下土层厚度比越大，端承桩在竖向土体振动下结构稳定性越好，为工程实践提供了重要的理论依据。因此，在实际工程中，需要采取相应措施进行端承桩的加固与防护，以降低层状非饱和土中端承桩的竖向土体振动响应。

参考文献

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