桩基振动对粉质土基坑土钉支护的影响

摘 要：打桩引起的地面振动会影响邻近基坑的安全。本文研究了桩基振动对土体强度和土钉-土界面强度的影响，分析了振动下土钉轴向力和位移的变化。同时采用激振器和拔钉模型箱研究不同振动参数对土体强度和钉土界面强度的影响。结果表明，激振力越大、频率越高，土壤强度和钉土界面强度的衰减越大。相反，在振动作用下，土壤内摩擦角的变化并不明显。振动结束后，钉土界面强度恢复。c和τp减少导致土钉工作长度的增加、轴向力的重新分配以及土钉位移的增加。

关键词：桩基振动；粉质土；基坑；土钉支护

中图分类号：TU 753 " " " " 文献标志码：A

土钉是放置在土壤中的细长金属棒，用于稳定土体，例如路堑和填方边坡、深基坑和隧道。自土钉问世以来，由于其技术和经济优势，因此越来越多地应用于各领域。城市高层建筑数量大幅增加。在基坑施工过程中，打桩振动对基坑的土钉支护产生了重大影响，影响基坑的稳定性和安全性。在城市中，打桩振动会产生噪声、干扰环境并破坏邻近的建筑物。许多研究表明，打桩振动往往会直接或间接地导致邻近结构的破坏[1]，进一步导致土壤沉降。郭慧珏[2]讨论了桩的类型和土壤条件，并研究打桩振动对锤击系统、桩和土壤性能的负面影响。而目前关于打桩引起的地面振动及其对邻近结构和基坑影响的研究很少[3]。大多数论文都建立有限元模型来模拟打桩过程。李继光等[4]使用三维有限元方法评估打桩对相邻建筑物的影响，并比较了静态打桩和振动打桩对周围土壤的影响。吴晶晶[5]利用有限元法分析了打桩对相邻结构的主要影响因素。

以往关于振动荷载对土钉影响的研究主要集中在土钉的动态响应和永久变形，而没有考虑振动荷载对土强度和土钉与土界面相互作用的影响。然而，在实际工程项目中，长时间持续打桩的振动荷载会对这2个方面产生影响。基于此，本文利用模型试验分析了不同振动条件下打桩振动对土体行为和土钉-土界面强度的影响。

1 试验材料和模型设备

1.1 试验材料

土壤的基本物理力学性质：试验中使用的土壤来自某城市东部1个基坑的淤泥。根据土工试验方法标准[6]，通过筛分和使用密度计测定颗粒尺寸分布。未扰动土壤的干密度为1.65g/cm3，最大干密度为1.87g/cm3，土体密实度为0.88g/cm3，含水量为13%。同时对土壤进行快速剪切试验；黏聚力c为27.6kPa，内摩擦角φ为27.8°。

1.2 土钉模型

由于试验条件和其他因素限制，因此大多数与基坑土钉拔出有关的模型试验都是在小规模模型箱中进行。这些条件无法充分描述土壤与土钉界面的剪切行为。在实际工程中，土钉钻孔直径约为100mm，通常使用直径为18mm～25mm的HRB400钢筋，并通过水灰比为0.5的水泥浆灌浆形成。因此，土钉的弹性模量约为20GPa。基于模量等效性和试验的实用性，本试验使用空心铝管作为土钉材料。铝管长度为600mm，外径为100mm，厚度为8mm。土钉与土壤的接触长度设定为400mm。

1.3 测试设备

1.3.1 振动激振器和参数设置

桩基打桩振动过程较为复杂，振动在桩周围的土壤中产生压缩波、剪切波和表面波。表面波是瑞利波。瑞利波占垂直振动源总能量的2/3，是位于地面或地面附近的结构或基坑振动中的主要波型[7]。由于试验是在实验室条件下进行的，本文简化了打桩振动荷载，只考虑了瑞利波对土钉拔出力的影响。因此，使用TROMINO振动采集仪采集振动数据。选择振动激振器来模拟打桩振动。激振器类型为380V异步振动电机。激振力由电机中的偏心振动器绕中心轴旋转产生，引起地面振动，并传播到模型箱内的土壤中。通过调节2个转子之间的角度来改变激振力的大小，并通过变频器调节振动频率。本文使用公式（1），根据转子的角度计算激振力。

（1）

式中：F为激振力；m为转子质量；f为振动频率；rmax 为0°时转子重心与圆心的距离；θ为转子中心线之间的夹角。

设定环境振动的主频为5Hz～40Hz，峰值频率约为10Hz，加速度振幅小于0.1g。公式（1）表明激振力与转子的旋转频率有关。激振力的大小也会影响振动加速度的大小。激振力加速度之间呈线性相关。根据现场测量获得的振动频率和加速度以及试验前在实验室收集的振动数据，将最大激振力设定为8kN，最大振动频率设定为10Hz。

1.3.2 模型试验箱

由于箱体具有边界效应，土钉拔出试验的影响范围未知，因此设定影响范围设定为桩径的6倍，高度为850mm，宽度为 600mm。土的体积不宜过大，以确保箱内土的振动一致，土在激振下达到现场加速度振幅；因此，箱的长度为400mm。箱体内部尺寸为400mm×600 mm×850 mm（长×宽×高），箱体无底，如图1所示。箱壁由厚度为6mm的高强度钢板组成，箱体两侧钻有120mm的圆孔，用于安装土钉。在试验过程中，使用橡胶密封圈密封钻孔和土钉之间的缝隙。箱壁衬有塑料薄膜，以减少箱壁与土壤之间的摩擦。箱内焊有钢尺，用于测量土壤密实度、土壤沉降和振动引起的位移。2个带有压力补偿装置的液压千斤顶被放置在支承板和反力架之间，以提供垂直荷载。垂直应力由放置在土钉两侧的土压力传感器测量。水平力由千斤顶提供，千斤顶用螺母与螺旋杆连接。螺旋杆穿过土钉，并用垫圈和螺母固定在土钉上。

2 结果与讨论

2.1 振动对界面强度的影响

在覆土压力OP=80kPa、OP=160kPa、OP=240kPa 和OP=

14kPa的覆土荷载下进行4组拔钉试验。拔出力、剪应力和位移之间的关系如图2所示。

如图2所示，随着覆土压力（OP）增加，土钉极限拔出力也随之增加，主要因为淤泥质土与界面之间的相互作用力增加，界面剪切强度显著提高。在初始阶段，随着拔出力增加，位移呈线性增加，进一步表明土壤被压实并具有弹性特性。当土钉与土壤之间的相对位移达到一定值时，剪应力保持不变，且土钉表现出均匀位移，土壤出现剪切破坏。当OP值较低时，剪应力很快达到峰值。随着OP值增加，峰值剪应力对应的拔出位移逐渐增加。如图2所示，在80kPa 的覆土压力下，对土钉末端施加相应的预拉拔力，并研究不同激振力下最大拉拔力的变化。图3（a）和图3（b）显示了不同激振力下振动拉拔期间和拉拔后变化趋势。

如图3（a）和图2（b）所示，随着振动时间增加，土钉端部受到的拉拔力逐渐减少，表明土钉与土壤的界面强度降低。激振力越大，下降率也越大（其中图3（a）和图3（b）中的2kN/4kN/6kN/8 kN力根据公式（1）计算的激振力）。激振力越大，振幅越大，且钉土界面的强度衰减也越大[8]。根据图3（a）和图3（b），拔出力并没有随着振动时间增加而稳定下降，而是逐渐趋于稳定，这表明在激振力或振动加速度的作用下，土钉-土壤界面强度下降并达到平衡状态。土钉在振动后的拔出力比振动过程中的拔出力大，说明土钉的承载能力在振动后得到恢复。

2.2 拉拔力损失率

拉拔期间与拉拔后比值变化及拉拔力损失比如图4所示。从图4可以看出，振动过程中土钉拉拔力的损失高于振动后。振动过程中土钉拉拔力的损失由2个部分组成。第一部分，振动加速，导致土钉界面的土壤暂时“失重”，减少了土钉上的压力，造成土钉-土壤界面强度损失。第二部分，振动导致土钉与土壤界面松动，破坏了土钉与土壤界面，同时降低了土钉与土壤界面的粗糙度，导致土钉与土壤界面强度下降。同时拉拔期间随激振力增加，拉拔力损失率呈线性增加，最大损失率为51%、最小损失率为14%。拉拔后，最大拉拔力损失率为28%、最小拉拔力损失率为9%。同时振动后土钉拔出力的减少验证了这一反应。振动后土钉的拔出力主要受土钉-土壤界面结构破坏的影响。振动后拔出力与振动时拔出力的比值表明，无论激振力大小，振动后土钉拔出力的损失都占振动时土钉拔出力损失的50%以上。由于振动后的损失主要是由钉土界面的结构破坏造成的，因此可以得出结论，结构破坏造成的损失大于加速度造成的损失，在振动过程中土钉拉拔力的损失大于振动后的损失。此外，由于振动时土钉-土壤界面的强度损失受加速度影响，加速度随激振力的增加而增加。因此，振动时激振力对土钉-土壤界面强度的影响比振动后更大。振动后钉土界面的强度损失主要受钉土界面结构破坏的影响。

3 结论

在实验室模型试验中分析不同振动条件的土体强度和钉土界面强度，得出的主要结论如下：1）受振动的影响，土壤强度降低。激振力越大、频率越高，土壤强度的衰减越大。振动对土壤的影响主要表现为土壤的破坏、土壤截距内聚力c的显著降低以及内摩擦角φ的微小变化。2）振动降低了钉土界面强度。激振力越强、频率越高，钉土界面强度的衰减越大。覆土压力OP越大，土钉-土壤界面强度衰减越小。

参考文献

[1]刘宏扬，王玺，张灏.复杂地形及重荷条件下深基坑支护施工技术研究[J].施工技术，2018，47（增刊1）：208-216.

[2]郭慧珏.深基坑支护结构在软土地基的应用及质量控制[J].工程质量，2014，32（增刊2）：375-377，385.

[3]莫洋蕴.PRC管桩支护应用研究——以南宁市科技企业孵化中心大厦基坑支护设计为例[J].价值工程，2023，42（14）：82-84.

[4]李继光.基坑开挖施工对邻近建筑影响分析及保护措施[J].福建建材，2023（6）：56-60.

[5]吴晶晶.狭小复杂环境下深基坑支护施工技术研究——以南京某高校基建项目为例[J].城市建筑，2023，20（2）：153-156.

[6]饶少华，张万鹏，罗志聪，等.交通荷载作用下临近公路隧道的建筑物桩基振动特性研究[J].建筑结构，2022，52（增刊2）：2550-2556.

[7]刘鑫，王奎华，涂园.双向非均质土中填砂竹节管桩纵向振动理论与试验研究[J].振动与冲击，2020，39（14）：43-52，68.

[8]苏卓林，贾科敏，许成顺，等.双向地震作用下液化水平和倾斜场地-桩基-桥梁结构地震反应的差异研究[J].地震科学进展，2022，52（11）：505-512.