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高频振动沉桩特性的模型试验研究 陈龙珠1，陈岱杰1，2 r1上海交通大学土木系安全与防灾工程研究所，上海，200030 2上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海，200002) 摘要：本支在不同相对密实度的人工饱和，非饱和砂土以厦原位饱和软粘土场地中，通过小型模型桩试验研究了沉 桩效率随振动额率(20胡OHz)而变化的规律。试验结果初步表明，增大振动频率能加速饱和砂土液化、饱和粘土软化， 沉桩阻力相应迅速减小，从而可烈显著地提高沉桩效率。本文为对高!哂振动沉桩特性开展沫八研究和更好地推广应用 提供了有益的参考依据。 关键词：沉桩：高频振动法；模型试验；饱和砂土液化；饱和粘土软化 1 前言 随着现代社会对环保要求的日趋严格，对沉桩噪音、振动、挤土等监控和防治措施的综合要求随 之提高。柴油锤、电动桩锤由于噪音大、振感强烈，在城区的使用受到了越来越严格的限制。而静压 法沉桩，因设备笨重、适用地质条件单一和存在挤土环境效应，其应用也有一定的局限性。为减少城 区桩基施工的环境影响，国外近10多年来开发并推广应用了高频液压振动沉桩技术，其由液压驱动， 振动频率和振幅可在较大范围内进行调节【l引。由于其高效率、低噪声和振动、自重轻、适用地质广和 施工灵活方便等特点，克服了以往沉桩机械的不足，在我国也已开始得到试用”1J。 但据资料表明【”，国内外目前研究的重点基本停留在桩机参数与桩机结构上，而对振动沉桩特性 的研究较少。对于高额振动沉桩具有较高的效率，目前主要有以下3种观点H”J：(1)当桩的强迫振 动频率与土颗粒的自振频率一致时，土颗粒产生共振而使沉桩速度加快；(2)将桩与土组成一个单自 由度的振动体系，当振动桩锤振动频率接近这一体系的自振频率时桩产生纵向振动，加快沉桩效率： (3)认为当桩锤激振频率接近于桩的自振频率『面共振时，桩体便产生强烈的纵向振动而加快沉桩速度。 显然，这三种观点是有所区别的，其中第一种是直接使土体处于强烈的振动状态而扰动，但土颗粒自 振频率的定义和测定概念尚不清楚；第二种理论是把桩与地基土组成一个单自由度的振动体系，激振 使得该体系处于共振而会加速土体的扰动；第三种理论使桩体处于强烈的振动状态而加速土体的扰动。 显然，这三种观点所需要达到的激振频率应该不同。因此，开展高频振动沉桩机理研究，对科学地推 广应用这一环保新技术将具有重要的意义。 目前国内外高频振动沉桩设备的工作频率范围常处于25～50Hz，而在频段内土动力特性的实验研 究成果尚为少见。为此，本文拟对人工非饱和砂土、饱和砂土试样以及原位饱和软粘土地基上进行不 同振动频率的模拟沉桩试验，以观察影响振动沉桩效率的主要因素及其机理。 2试验概况 2．1砂土试样制备 试样为江苏粗砂。为避免大粒径砂粒对试验的干扰，筛除了粒径大于5mm的颗粒，其主要物理 陈龙珠。等．高频振动沉桩特性的模型试验研究 将土样置于容器中分三层击实，并控制试样的含水率。 按试验计划，制备的饱和砂土3种试样的相对密实度分别为60％、75％和90％；制备饱和度为30％ (根据所用粗砂颗粒的最大持水量选定)的2种非饱和砂试样的相对密实度分别60％、75％。 2．2饱和软粘土场地 试验场地为上海交通大学闵行校区某建筑基坑内，对其第③层饱和淤泥质粉质枯土进行高频振动 沉桩试验。该土层物理力学性质参数见表2，其顶面埋深为3．4m。待基坑开挖到该层土顶面以下 20～30era时，由人工清理表层的扰动土并整平其表面。 表1砂土物理力学性质指标 含水量w／％ 重度rdkN／m3比重G 孔隙比eo 液限wp／％ 塑限厶 塑性指标It 40l 17．6 2．73 1．13 34．6 19．7 14．9 2．3试验设备 仪器为武汉岩海公司Rs一1616K型动测仪。模拟桩体为自制的带有刻度的钢棒，直径2cm。 2．4试验方法 在人工砂土试样与原位饱和粘土场地进行稳态激振沉桩的试验中，激振频率20～80Hz，间隔20Hz。 对每次试验，通过控制功率放大器的输出电流来获得所用的最大激振力幅，而力信号由安装在模拟桩 顶的力传感器实时监测。 试验中测量的主要内容有：(1)对非饱和砂土，模拟桩贯入深度为5cm所需