基于加速度響應的柱錘沖擴樁加固土體影響范圍研究

鄧開元 李曉燕

摘要：為明確柱錘沖擴樁成樁對地基土加固影響范圍，通過試驗確定填筑土體基本參數，開展室內模型試驗，對土體內部加速度響應衰減規律進行分析，劃分土體加固影響范圍。得到結論：（1）通過浸水荷載實驗，孔隙比e=0.9 時，浸水條件下的有荷試驗土體會發生較大塌陷變形，不加以處理用于工程地基具有較大隱患；（2）結合土體加速度響應規律，地基土在豎向、斜向、橫向加速度峰值響應隨距離衰減呈負冪指數關系；（3）根據加速度峰值衰減規律，可以大致確定土體加固影響范圍邊界在水平距離 2d、豎向 4.5d、斜向4.9d范圍以內。

關鍵詞：柱錘沖擴樁； 加速度響應； 土體加固范圍； 模型試驗

中圖分類號：TU473.1+1文獻標志碼：A

0引言

在《交通強國建設綱要》中強調，要強化交通生態環境保護修復，促進資源節約集約利用，推廣施工材料、廢舊材料再生和綜合利用。紅層泥巖在四川地區分布廣泛，作為一種不可避免的不良地質，在我國基礎設施建設不斷發展的過程中，給地區發展和建設造成了巨大的經濟損失。加固軟弱地基目前常用的方法有換填法、強夯法、擠密樁法和柱錘沖擴樁法［1-2］，但換填法填料用量大，強夯法噪聲污染嚴重，且兩種方法處理深度有限，擠密樁法成本高昂；相較而言，柱錘沖擴樁法在處理軟弱地基中優勢明顯，具有施工方便、噪音小、經濟環保、處理深度大等優點。

針對柱錘沖擴樁，許多學者進行了研究。王恩遠、劉熙媛［3］將柱錘沖擴樁加固區域分為主壓實區和次壓實區，加固機理大致劃分為沖擊荷載作用、孔內強夯作用、一次擠密作用和二次擠密作用等；王嘉聰等［4］通過開展室內模型試驗，研究了柱錘沖擴樁成樁過程以及成樁前后地基土狀態變化；金忠良［5］結合工程實例，分析了使用柱錘沖擴樁加固地基對地基承載性能的影響。

本文以柱錘沖擴樁法成樁過程為研究對象，通過試驗確定試驗土體填筑參數，開展柱錘沖擴樁室內模型試驗，研究成樁過程中土體的加速度響應規律，探討柱錘沖擴樁加固影響范圍，為柱錘沖擴樁實際施工提供可靠依據。

1實驗土體及柱錘參數

1.1紅層泥巖基本物理參數

根據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》，將土樣基本物理性質進行測定，試驗結果如表1所示，擊實試驗結果如圖 1 所示。

由圖 1 可知，試驗土體最大干密度為 2.01 g/cm3，土體最優含水率為 8.7 %。

1.2紅層泥巖浸水條件下有荷試驗

在不同干密度條件下，通過調節上覆荷載大小和浸水條件，探究在浸水荷載條件下的土樣狀態，具體試驗方案如表2所示。

圖2 為不同初始孔隙比隨不同上覆荷載的土樣變形率變化圖，由圖2可知，土樣變形率隨豎向荷載的增大而增大，初始孔隙比對土樣在浸水條件下的行為表現有較大影響。當初始孔隙比為 0.9 和 1.0 時，固結后土樣在低荷載和高荷載情況下浸水，都會產生一定的塌陷量；而初始孔隙比為 0.6、0.7、0.8 時，固結后的土樣在低荷載情況下浸水會發生膨脹，而在高荷載情況下浸水會產生一定的塌陷。

綜上所述，本次模型試驗采用填土參數為最優含水率ω=8.7%、孔隙比e=0.9。

1.3砂卵石填料

如圖 3 所示，本次模型試驗柱錘沖擴樁填料選用直徑 10～20 mm 砂卵石，每層填料厚度為 5 cm，分兩次填筑共計10 cm，每次填料柱錘夯擊 3 次，共計夯擊 6 次。

1.4柱錘尺寸

模型柱錘尺寸規格如表3所示。

模型試驗作為一種研究手段，可在復雜的試驗過程中突出主要矛盾，便于把握、發現現象的內在聯系，在復合地基加固機理研究中廣泛應用［6］。本次室內模型試驗以相似理論為基礎，設計室內模型試驗方案。

2.2加速度計及加載系統

加速度計采用壓電式加速度傳感器，為避免傳感器在實驗中發生移位、損壞和難以與松散土體充分接觸從而影響傳感器監測動荷載波等問題，需要對加速度傳感器進行保護處理。選用導波性能較好的柱形金屬盒作為保護盒并預留導線口，將加速度傳感器固定在保護盒底部，并在內部填充紅層泥巖土，連接線處加設保護管。如圖4所示。

采用尺寸 5 cm×5 cm×0.8 cm 的矩形鋼管制作模型箱，模型箱內部尺寸長×寬×高= 0.85 m×0.85 m×1.0 m，填土尺寸長×寬×高= 0.85 m×0.85 m×0.85 m。在柱錘沖擴樁法施工過程中，柱錘將重力勢能轉化為動能沖擊填料和土體，沖擊能量以波的形式在土體內耗散，沖擊波在接觸到模型箱內壁時會發生反彈，干擾試驗結果，聚苯乙烯泡沫板具有吸收能量的特性，在模型箱內側放入 5 cm 厚的聚苯乙烯泡沫板，能夠有效吸收沖擊波，防止試驗受到反射波干擾。

試驗加載系統主要由三部分構成，包括腳手架、卷揚機、電磁鐵。利用電磁鐵通電有磁、斷電消磁的特性，通過卷揚機將柱錘提升至指定高度并釋放，釋放后柱錘夯擊指定位置。加載系統如圖5所示。

3儀器布置及試驗結果

3.1儀器布置

通過在振源底部橫向、豎向、斜向三個方向上預埋加速度計，探究沖擊波在土體內部的傳播特性及衰減規律。單樁成樁過程具有對稱性，同一平面加速度計布置相互錯開，能夠最大限度的減少加速度計相互干擾［7］。具體加速度計布置如圖6所示。

3.2試驗結果

3.2.1土體加速度時程曲線

將柱錘提升至 1.5 m 高處靜止釋放，重力勢能轉化為動能，當柱錘與填料發生沖擊碰撞時，柱錘能量釋放，填料與土體吸收能量并向周圍土體傳遞，沖擊能量以波的形式在土體內耗散。將柱錘第一次沖擊土體，土體加速度響應時程曲線繪制成圖7～圖9。

豎向加速度計時程曲線如圖 7 所示，孔底正下方 1.5d處加速度計時程曲線峰值最大，負向加速度峰值為單峰，正向加速度計峰值為雙峰，負向加速度峰值絕對值大于正向加速度峰值絕對值。加速度時程曲線與章吟秋［8］現場實測加速度響應曲線一致，時程曲線先出現一個較大的負波峰，再連續出現兩個較小的正波峰。隨著預埋加速度計到孔底距離增加，加速度計峰值急劇減小，加速度計響應趨近正弦波，響應后期土體內部加速度振動趨于一致。

斜向加速度計時程曲線如圖 8 所示，隨著加速度計距離增加，加速度計峰值減小。加速度計振動可分為兩種形式，一種形式有明顯的單、雙峰，如1.5d、3.2d位置處時程曲線；另一種加速度時程曲線呈現正弦波，如4.9d、6.7d位置處時程曲線。

橫向加速度計時程曲線如圖 9 所示，相比于縱向和斜向加速度計響應，橫向加速度峰值更小，響應規律基本保持一致。隨著距離增加，加速度計峰值減小，加速度計響應趨近于正弦波。

3.2.2加速度峰值擬合

柱錘沖擊地面觸發地基振動，振動會隨著到振源距離的增加而減小，掌握沖擊振動隨距離的衰減規律有利于對土體加固影響范圍進行評價。加速度峰值絕對值隨測點與振源距離的關系，可以利用下列公式表示［9］：

amax=re-nx

式中：amax為測點加速度最大值的絕對值，（ms-2）；x為測點與沖擊點的距離，（m）；r為當量系數；n為衰減系數。

將豎向、斜向、橫向加速度峰值衰減規律用上式擬合，擬合結果如圖 10 所示。

從圖10中可以看出豎向、斜向、橫向加速度峰值與距離關系均符合負冪指數衰減規律。總體而言，隨著夯擊次數的增加，土體加速度峰值增加；值得注意的是，在第三次夯擊后加入填料，土體加速度峰值保持不變或減少，這是由于松散鵝卵石填料，緩沖了柱錘能量的釋放。把當量系數r值和衰減指數n值統計在表4。

表4中各個方向上加速度峰值負冪指數函數擬合相關系數均接近 1，不同沖擊次數土體加速度響應衰減規律相同。豎向方向上，當量系數r隨著夯擊次數的增加而減小；斜向和橫向方向上，當量系數r隨著夯擊次數的增加而增加，斜向方向r值最大，說明斜向方向加速度衰減最快。

從圖 10 中可以明顯的看出加速度峰值在振源附近衰減很快，隨著距離的增大，離振源越遠衰減越慢，這說明振動波在土體內部傳播存在著一個加固影響范圍邊界，超過該邊界后加速度峰值較低，衰減變慢加固效果也變差。豎向距離4.5d、斜向距離4.9d以后加速度峰值衰減明顯變緩。在柱錘第六次沖擊土體時，豎向加速度峰值從 266 m/s2（1.5d） 下降到 72 m/s2（4.5d），加速度峰值衰減了73%；斜向加速度峰值從 266 m/s2（1.5d） 下降到 35 m/s2（4.9d），加速度峰值衰減了87%；橫向加速度峰值從 153 m/s2（0d） 下降到 39 m/s2（2d），加速度峰值衰減了 75%。根據加速度峰值衰減規律，可以大致確定加固影響范圍邊界在水平距離 2d、豎向 4.5d 、斜向 4.9d范圍以內。

4結論

通過浸水荷載實驗以及室內模型試驗，結合土體內部加速度響應規律分析，得到幾點結論：

（1）孔隙比為 0.9 時，浸水條件下有荷試驗會發生較大塌陷變形，不加以處理用于工程地基具有較大隱患。

（2）室內模型試驗中，地基土豎向、斜向、橫向加速度峰值響應隨距離衰減規律呈負冪指數函數關系。

（3）根據加速度峰值衰減規律，可以大致確定土體加固影響范圍邊界在水平距離2d、豎向4.5d、斜向4.9d范圍以內。

參考文獻

［1］孔洋，阮懷寧，黃雪峰. DDC法復合黃土地基的原位浸水試驗研究［J］. 土木工程學報. 2017， 50（11）： 125-132.

［2］屈耀輝，魏永梁，武小鵬，等. 黃土區高鐵柱錘沖擴樁地基沉降控制效果研究［J］. 鐵道工程學報. 2012， 29（1）： 21-25.

［3］王恩遠，劉熙媛. 柱錘沖擴樁法加固機理研究［J］. 建筑科學. 2008（9）： 63-67.

［4］劉熙媛，張攀，王嘉聰，等. 基于相似理論的柱錘沖擴樁法模型試驗研究［J］. 河北工業大學學報. 2011， 40（6）： 96-100.

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［8］章吟秋. 強夯加固土石混合料填方體動響應分析及測試技術探究［D］. 杭州： 浙江大學， 2017.

［9］譚捍華，孫進忠，祁生文. 強夯振動衰減規律的研究［J］. 工程勘察. 2001（5）： 11-14.

［作者簡介］鄧開元（1996—），男，碩士，研究方向為特殊巖土力學及工程應用。