群桩基础引发饱和地基振动分析

江峰

武汉市东西湖区勘测设计院 湖北武汉 430040

摘要：在经济高质量发展背景下，高速公路建设如火如荼，公路建设和规划占据重要比重，投入越来越大。最近几年，随着高速公路项目要求升级，针对湖泽地区，饱和软土地基问题，采取了新型的饱和地基技术。由于传统的建设思路，多采用高架形式，桩土相互作用下，会诱发地基振动，从而影响周边环境。基于此，为了探究饱和地基的作用，需要分析群桩基础振动特性，为今后的公路架构提供参考。

关键词：地基；群桩基础；振动分析

引言：在公路建设中，湖泽软土地区施工难度大，地下水位较高，研究发现，土体多成饱和状态。为了保证施工质量，需要对高架桥的群桩基础开展深入研究，通过饱和半空间分析，了解群桩基础性能以及动力阻抗等因素，为后续施工的平稳、安全提供保障。

1饱和地基、群桩基础作用模型

图1为饱和地基、群桩基础相互作用模型，在实际工作中，想要对地基情况科学分析，就要借助饱和半空间动力模型，借此来优化相关参数。在模型应用中，可以假设承台为高桩承台，此时就可以完全忽略承台的埋置，并且可以不考虑承台底面的接触。主要建模理论是，将承台设为刚性，在此基础上，基桩和饱和地基均要达到要求，考虑线弹性体的影响，假设桩基与土体处于高度密切接触的状态。其中，基桩的分布非常关键，最好沿着刚性承台两侧，一直保持均匀分布，实际工作中，Lp——入土基桩长度；同时s——桩间距，并且将d看作是基桩的直径。在应用中，为了获得饱和地基相对理想的自由场动力响应，可以将观察线作为现实参考，从承台中心开始，完成适当的观察点设置，并以此作为前提，合理、高效率记录地表位移。

图1 饱和地基、群桩基础相互作用模型

1.1群桩基础

在现实应用中，设基桩为正方形，并且确定相关参数，基桩桩长为L，同时可以设桩径为d。另外用E表示弹性模量（桩体的）；用P象征质量密度，在桩身材料阻尼可以忽略的前提下，沿深度方向，做好基桩单元划分，在此基础上取各单元中心，现实应用中，应该将其作为代表节点（该单元的），借助相应的节点完成高质量的作用分析（桩、土相互作用分析）^[1]。现实工作中，减缩桩身节点自由度应该重点参考，该参数非常关键，桩端节点位移U属于重要参数，不容忽视。与荷载矢量P的关系，用公式表示为：

式中： 代表真实的基桩刚度矩阵； ——基桩柔度矩阵； ——形变函数矩阵（基桩）； ——桩端节点（缩减后的）。可以推导出如下公式。

1.2饱和地基动力参数

为了更加全面分析饱和地基的性能，可以将地基条件改变，由均质地基变为饱和地基。在此基础上建立饱和地基模型，如下图2所示。在模型的深度中，划分多个薄层单元，并且掌握好薄层单元的厚度。实际应用中，由于土体材料性质相同，因此最终的薄层单元可以选择不同的土体材料和厚度。在模型的动力响应科学计算中，可以参照群桩基础的理论。

图2 薄层单元法分析模型

2振动分析

2.1桩基础动力阻抗

图3-5可知，现实应用中，当激振频率 达到一数值，小于0.4 时，可以通过图中观察到各阻抗曲线走势并不明显，相对比较平缓，上升幅度不大。而当激振频率始终保持良好态势时，随着频率提升将会出现峰值。之所以会出现类似情况，主要是由于激振频率增加，波长会减小，在双方的综合作用下，促使峰值的出现。与此同时，桩间波场干涉非常强烈，作用相对明显，在这样的背景下，相消现象同样不容忽视^[2]。由此可知，饱和地基与渗透系数关系紧密，随着系数的改变，现实中的阻抗曲线也会变化，每当峰值出现时，都会促使激振频率增大，最直接体现是阻抗曲线整体右移。

图3基础水平动力阻抗

图4 基础竖向动力阻抗

图5 基础摇摆动力阻抗

现实中，为了探讨不同桩间距条件下的作用力以及分析对动力阻抗（群桩基础）的实际影响，需要对桩间距、直径等核心因素综合分析，得到明确的、具有参考价值的动力阻抗结果。当s/d增大时，可以看到鲜明变化，结合图表可知，当数值为5和10时，能够发现基础阻抗曲线波动幅度大，峰值明显发生位移并增大。同时对比图3、4可以发现规律，当s/d=5时，意味着阻抗曲线对应的峰值频率最大，另外，摇摆动力阻抗(图5),波动更加明显。实践表明，随着桩间距的增大，现实中的行波受干涉性较强，出现不同程度的相加或者是相减，从而产生鲜明作用，在波动明显时（阻抗曲线），峰值的增加更加显著。

2.2自由场位移响应频谱

自由场位移响应频谱的获取难度较大，属于相对复杂的工作，在现实操作中，通过施加相应的简谐振动荷载，并将其施加至承台中心，在此基础上取距离承台中心的理想水平距离，通常情况下，可以通过2.5s的地表观察点，完成位移响应频率变化分析，将图中纵坐标进行无量纲化。

图6 作用下水平位移频谱

图7 作用下水平位移频谱

通过图6和图7可知，在现实应用中， 和 作用下，能够得到十分鲜明的位移曲线峰值，结合图表可知，当 达到0.27 和0.77关键性节点时，曲线才能达到峰值，之所以会出现这样的改变，原因在于群桩基础水平曲线与另一个重要因素摇摆阻抗曲线发生了重叠，同步出现拐点（在指定频率处），且二者相互耦合。基于此，在这样的综合作用下，当 达到固定数值，也就是位于0.27 和0.77中间值时，阻抗函数相对理想，可以保证地基位移曲线峰值出现在关键节点。除此之外，a≈0.27处的阻抗经过研究发现明显要大于a≈0.77处的数值，只有这样，才会促使前者的峰值始终大于后者。

3研究结果

通过相关模型的搭建，可以完成对饱和地基振动情况的分析，在现实工作中，在群桩基础建立的基础上，搭建饱和半空间动力科学模型，完成动力阻抗的获取，在上述步骤完成后，对振动和孔压响应真实情况进行高质量分析，并结合现实需求，对荷载激振频率进行细致且全方位的参数优化。研究结果表明：首先，饱和地基中，动力阻抗峰值（群桩基础的）属于重要参数，所对应的激振频率十分鲜明，会随着地基渗透系数的规律性加大而不断提升，实践证明，饱和地基位移较为特殊，通常情况下，会在拐点区域发生（阻抗曲线的），并且达到位移极值状态。其次，研究发现，荷载激振频率提升，会变相加快地基位移合理的衰减速度，两者呈现正相关。最后，随着荷载激振频率（基准参数）不断增长，会诱发地基孔压波动明显，以此作为前提，沿深度出现规律变化，实践证明，当处于低频时，现实中的地基渗透系数较低，并且现阶段的孔压峰值越增高；高频时则相反，规律比较清晰。实际操作中，地基振动分析较为复杂，涉及多项参考因素，在现实工作中，需要严肃对待。

结论：综上所述，随着高速公路修建任务加剧，公路运行速度要求提升，运行带来的环境振动问题受到高度重视。结合以往经验可知，湖泽软土地区的高速公路，在线路修建期间主要采用高架形式，整体结构支撑于群桩基础上，并将基础埋于土体，从而产生直接激振源，为了减轻振动，需要深入研究群桩基础振动，改善公路环境振动情况，提高预测水平和防治效果。

参考文献：

[1]史吏,王慧萍,孙宏磊,潘晓东.群桩基础引发饱和地基振动的近似解析解[J].岩土力学,2019,40(05):1750-1760.

[2]王慧萍. 均质和成层饱和地基中群桩基础引发环境振动特性研究[D].浙江工业大学,2018.

江峰（1992.10--）；性别：男，民族：汉，籍贯：湖北省，武汉市，学历：本科；现有职称：助理工程师；研究方向：岩土工程。