Page 7 - 2023年第54卷第12期

基于 Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ － π相似定理开展试验设计，自主研发了激振力和尺寸符合相似关系的模型振冲
器，选取电流、土压力、加速度等多项监测指标，进行振冲碎石桩加密模型试验及桩间土土工试验、
复合地基承载力试验和振冲碎石桩中心断面剖切取样等 ［１８］ ，如图 ２所示。

图 ２ 振冲法室内试验流程

采用耦合欧拉－ 拉格朗日法进行碎石桩成桩过程仿真，土体和碎石体采用欧拉域进行大变形模拟，
振冲器采用拉格朗日刚体建模，通过耦合施工实测电流与振冲器空间角度的关系反映振冲器工作状
态，如式（ １）所示。创新性的采用柔性壳单元解决了土体域和碎石域作用力传递问题，柔性壳单元具
有小弹模、无限变形特征，属于拉格朗日体。
Ｆ ２ ２
槡
ｍａｘ
０
ω （Ｍ＋ ｍ） 槡 Ｆ － Ｆ ＝ λ ３ｃｏｓ φ Ｕ（Ｉ － Ｉ）
（１）
１
２
ａ ＝ 槡 Ｆ － Ｆ ２
ｍａｘ
２
ω（Ｍ＋ ｍ）
式中：Ｆ为激振力；ω为角速度；Ｍ 为振冲器壳体质量；ｍ为偏心块质量；Ｆ 为最大激振力；Ｕ为
ｍａｘ
工作电压；Ｉ为工作电流；φ为电压与电流的相位差；Ｉ为空载电流；λ为电机能量转换效率；ａ为
０
振幅。
基于物理试验和数值仿真，揭示了振冲碎石桩成桩过程中 “底中顶三区动力平衡” 和 “机石土三
域相互作用” 机制，如图 ３所示，图中 Ｌ为加密段长度，Ｑ为单次填料量，Ｒ为碎石桩成桩半径，γ
为碎石密实系数，ｆ为侧限土压力。底中顶三区动力平衡基于碎石受力平衡分析，将加密过程自下而
上分为底部、中部和顶部三个区域，各区域成桩形态由激振力、土压力、桩土摩擦力、重力及持力层
或桩体支持力的动态平衡控制。底部竖向受下部持力层的限制，碎石难以竖向扩展，主要受水平向动
力平衡控制，底部桩径易不达标。中部碎石可以同时向水平和竖直向扩展，同时受水平向和竖直向动
力平衡控制；而顶部由于土压力较小，主要受竖直向动力平衡控制。基于此，提出了 “底部少量多
次，中部防漏振，顶部防塌孔” 的施工控制要点。
机石土三域相互作用是指单次留振过程中振冲器、碎石以及土体的相互作用及过程，从成桩质量
出发将振冲碎石桩成桩分为孔径扩展和碎石密实两部分，如图 ３所示。其中，孔径扩展为碎石侵入土
体的过程，土体抗剪指标是影响碎石侵入土体过程的控制性因素。碎石密实为碎石在振冲器高频振动
下逐渐密实的过程，振冲器是振冲施工过程中的核心动力来源，在确定的振冲器输出功率条件下，合
理的级配和充足的填料量是保证振冲器激振力在碎石颗粒间传递的关键，影响着碎石桩的成桩桩径和
桩体的密实度。

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