瞬态激励下冻融循环对桩-土耦合刚度影响试验

朱道佩，晏浩城，田思远

(江西理工大学土木与测绘工程学院(南昌)，南昌 330013)

冻融循环作用下，土体的结构和力学性质会发生周期性的变化，而这些变化可能会直接影响到地基及上部结构的稳定，因此冻融循环作用对土体性质的影响不容忽视[1]。研究冻融循环作用下的土体结构可以发现，冻融循环过程会一定程度的改变土颗粒的排列和连接[2-3]。哈尔滨等严寒地区冬季长达数月有余，且气温变化范围为-15～30 ℃。路基土也随着季节的变化历经周期性的冻融循环作用，导致路基土的力学性质、物理性质发生较大的损伤。路基温度低于0 ℃时，土壤中水分会因热力学条件改变而发生相变和迁移。水冻结成冰体积膨胀，对土体有明显挤压作用，破坏土的原有结构，对道路路基土的质量以及结构性造成影响甚至破坏。其中湿地软土路基因含水率较高而受冻融影响更为明显[4]。

另一方面，在冻融循环作用下，土的力学性能还与土的含水率有关，土体中水分含量将大大影响土壤冻结行为[5-6]，研究不同含水率的土体在冻融循环作用下性质的变化，以便更好地进行土中结构或构件动力响应的实时监测[7]。

压电陶瓷(piezoelectric ceramics，PZT)作为一种智能材料在结构的健康监测中得到了越来越广泛的应用[8-9]。压电陶瓷在工程中的应用主要是由于其本身的压电效应[10]，包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应反映了压电陶瓷将机械能转变为电能的能力，逆压电效应反映了压电陶瓷将电能转换为机械能的能力。前期力学模型和试验[11-12]已经证明，利用压电陶瓷作为传感器在工程中应用是可行的。利用压电陶瓷的正压电效应所制成的压电传感器，可以进行多种机械量的测量，在智能结构和结构健康监测等领域应用广泛[13-15]。

现通过结构试验，基于压电陶瓷的正压电效应，将压电智能骨料作为传感器，测定不同含水率土体的桩-土耦合刚度在冻融循环作用下随着温度的变化，以及在水平瞬态激励下结构的波动响应，进而探究冻融循环对桩-土耦合刚度的影响。

1 试验方法

1.1 基于压电陶瓷传感器的桩土耦合刚度的试验测试方法

通常压电陶瓷材质较脆，应变小，制成传感器或驱动器直接贴于结构表面容易受到外荷载加持或撞击及环境干扰，与混凝土直接融合时容易影响主体结构的强度，在结构施工中很容易造成PZT碎裂。所以，以智能骨料(piezoelectric ceramic smart aggregate，SA)为载体，将PZT片埋入细石混凝土块中并养护达到要求。混凝土块既可以保护PZT片，还能承受一定的荷载作用，对结构整体受力性能几乎没有影响。因此形象地将包裹PZT片的混凝土块称为压电智能骨料，如图1(a)所示，基于其特性，近年来利用压电智能骨料的混凝土结构健康监测技术引起高度重视。压电智能骨料由环氧树脂防水层、PZT片、屏蔽导线与同轴电缆接头(bayonet nut connector，BNC)接头、细石混凝土外包保护层组成，如图1(b)所示。通过结构试验，将压电智能骨料埋入混凝土桩内部，基于压电陶瓷的正压电效应，将智能骨料作为传感器测定冻融循环过程中瞬态激励下基桩的波动响应。在冻融循环作用下，由于孔隙水的存在，大量冰晶的形成会造成土体的力学性质发生改变，并通过压电传感器接收到的信号反映出来。通过分析压电信号的特性，来探究冻融过程中，土体发育对桩-土耦合刚度的影响。

图1 压电智能骨料及其组成Fig.1 Piezoelectric intelligent aggregate and its composition

1.2 时域分析法基本原理

时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。黏土的力学性质随温度变化而不同，随着温度的降低，土中孔隙水冻结，土会产生冻胀，从而使得土体对桩的约束变大，即桩-土耦合刚度增大。在水平瞬态激励下，桩与黏土之间应力波的传播与桩-土耦合刚度有着密切的关系。应用时域分析法，研究试验中压电传感器接收到的波动信号，利用波动信号的能量指数衡量冻融循环桩-土耦合刚度的影响。能量指数是反映波动信号能量大小的标量，通过计算波动信号在相同的时间段内的能量指数，从一定程度上可以反映波动信号的能量大小。能量指数计算公式为

X=(x1,x2,…,xn)

(1)

(2)

式中：X为由采样后传感器在一定时间(试验中取0.1 s)内接收到的一组离散的信号数据；xi为在该段时间内各离散信号数据，即为采集到的所有数据点的电压值，mV；采样频率为7 160 Hz，故n取为716；E为这段时间采集到的波动信号的能量指数。

2 试验概况

2.1 试验设计

试验按黏土含水率的不同分为2个工况(表1)，不同工况下土样如图2所示。试验中采用混凝土试验桩模拟桩基，试验桩半径为40 mm，压电智能骨料距桩外表面7 mm，桩长为1 500 mm，混凝土试验桩钢筋笼及桩截面尺寸如图3所示。压电智能骨料尺寸为20 mm×15 mm×16 mm。试验设计的智能骨料是由细石混凝土包裹并和整体混凝土桩一起浇筑并在同条件下养护而成，整体性良好且由环氧树脂包裹的PZT片可视为混凝土中的粗骨料，因此不影响试验准确性，试验混凝土桩选用C30混凝土。

表1 试验工况Table 1 Test conditions

图2 不同含水率土样Fig.2 Soil samples with different moisture content

图3 混凝土试验桩钢筋笼及桩截面尺寸示意图Fig.3 Schematic diagram of reinforcement cage and pile section size of concrete test pile

2.2 加载方案及测点布置

试验用到的水平瞬态激励采用小锤撞击的方法得到(图4)。为了使每次撞击产生的荷载相同，在试验桩顶端安装一个转动支架将小锤悬挂，并且让小锤的敲击位置正好落在撞击点处(距方钢管顶部25 cm，如图5所示)。将小锤拉离试验桩外表面固定距离(10 cm，如图4所示)，此距离可以用直尺测量，根据直尺上的刻度来确定小锤离壁面的距离。压电智能骨料浇筑于试验桩内部特定位置，由上至下分别为SA1、SA2、SA3、SA4，如图5所示。图5中，SA4距离试验桩底面150 mm，其余智能骨料每隔200 mm布置一个，一共布置4个，SA2所在位置与土层上表面等高。

图4 加载装置Fig.4 Loading device

图5 试验测点布置示意图Fig.5 Layout of test points

2.3 试验装置及试验步骤

信号采集仪采用北京东方振动和噪声技术研究所的INV306U智能信号采集处理分析仪。信号分析软件采用与之配套的Coinv Dasp 2006专业版信号分析处理软件。测试箱采用可控式冰箱，箱体内尺寸为630 mm(长)×400 mm(宽)×600 mm(高)(不包括压缩机)。冰箱内土体垫层厚30 mm，试验桩埋入土体深度为55 mm。试验装置和现场如图6所示。试验步骤如下。

(1)在冰箱内进行整个试验的冻融循环过程。将土体填至指定高度，黏土的弹性模量E=2.6×1010Pa，泊松比ν=0.167，密度为1 391 kg/m3，通过改变含水率(分别为6%、12%)分别进行两次试验。在土中埋置电子温度计记录土体内部的温度。土体的初始温度为5 ℃，启动冰箱进行冷冻，完整的冷冻过程结束时的温度为-15 ℃，随即切断冰箱电源转为解冻过程，整个冻融过程结束时的温度为5 ℃，然后开始下一次冻融循环，温度要求与上述相同。土中温度每变化5 ℃采样一次，每次试验共进行了4次冻融循环。

(2)施加水平激励荷载。

(3)数据采集。在施加水平振动激励的同时，用数据采集软件采集数据。试验数据采集采用2 s的时间步长，采样频率为7 160 Hz。最后将采集到的信号数据保存到电脑中。

图6 试验装置Fig.6 Test device

3 实验结果及分析

3.1 不同埋置深度下的激励信号波动响应

图7为冻融过程中不同温度下的时域波形图。由于土体对试验桩的约束作用，埋置在试验桩中的智能骨料接收到信号波的电压幅值随着智能骨料的埋置深度的增大逐渐减小。SA1位置未埋置在土中，未受到土体约束，在水平瞬态激励下，激励端产生的波动信号大部分由试验桩直接传递给智能骨料，其能量消散相对较小，因此接收到的波动信号幅值较大，而埋置在土体中的桩体，由于受到土体约束作用，激励端产生的波动信号由方钢管传递给智能骨料的同时还会在约束土体中发生扩散，随着智能骨料埋置深度的增大，其传递路径变长，信号扩散程度变大，智能骨料接收到的波动信号能量变小，信号幅值相应变小。

此外，如图7所示，由于土体对试验桩的约束作用，波动信号的衰减速度随着压电片埋置深度的增大而增大，其中SA1波动信号衰减速度最慢，信号持续时间最长，其他埋置在土中的智能骨料波动信号衰减速度相对较快，且随着埋置深度的增加其衰减速度越快，信号持续时间越短。

3.2 冻融循环作用下土体发育对桩-土耦合刚度的影响

土体在冻融循环作用下，会使土体内部的水分重新分布，改变黏土原有骨架和组构。在冻结过程中，随着温度降低，土粒间部分游离水凝结成冰晶体积膨胀，以及在土壤水势梯度作用下未冻区的水分向冻结缘迁移、聚集，并冻结膨胀，即产生土的冻胀[15]，增大了颗粒的胶结作用，从而使得土体和构件的约束变大，且桩-土间的摩阻力增大，即黏土和试验桩的耦合刚度增大。通常会发生冻融循环地区土体中的含水率在5%～15%。试验以-5～15 ℃为一次冻融循环。由图7可知，在土体的冻结过程中，随着温度的降低，瞬态水平激励下各点的时域波形幅值减小，而在土体的融化即升温过程中，随着温度的升高，各点的时域波形幅值增大。

此外，土体的力学性质还与冻融循环的次数有关，4次冻融分别用①、②、③、④表示。2种不同土体含水率工况下4次冻融循环过程各点的时域波形幅值曲线如图8和图9所示。由图8、图9还可以看出，随着冻融循环次数的增加，瞬态水平激励下各点的时域波形幅值随之增大，在含水率6%时4次冻融循环中后一次离敲击点最近的PZT幅值分别比前一次增大了3%、9%、6%；而最远处的更是增大了12%、22%、16%。而在含水率12%时其幅值变化为4%、7%、8%和10%、21%、23%。这是由于随着冻融循环次数的增加，黏土的原始胶结状态逐渐被破坏，颗粒重新排列，土的结构越来越疏松，冻胀力对试验桩作用越小，从而使得土体和试验桩的约束和摩阻力减小，即桩-土耦合刚度减小。

通过计算波动信号在相同的时间段内的能量指数，从一定程度上可以反映波动信号的能量大小。根据试验方法中计算式(1)、式(2)可得出瞬态水平激励下冻融循环过程中各点不同温度下的波动信号能量指数，2种不同含水率工况下4次冻融循环过程各点的波动信号能量指数曲线如图10和图11所示。由图10、图11可以看出，在含水率为6%的试验中，4次冻融循环中后一次离敲击点最近的PZT能量指数分别比前一次增大了4%、7.5%、6.7%；而在含水率12%时其能量指数增大比例为8.3%、10%、11%，明显高于在含水率6%时的变化。

图7 时域波形图Fig.7 Time domain waveform

图8 含水率6%时冻融循环4次各点时域波形幅值Fig.8 The amplitude of wave form at four points of freeze-thaw cycle at 6% water content

图11 含水率12%时冻融循环4次各点波动信号能量指数Fig.11 Energy index of four wave signals in four freezing thawing cycles at 12% water content

与时域波形幅值曲线类似，每次冻融循环过程中，各点的波动信号能量指数随着温度的降低而减小，随着温度的升高而增大，且随着冻融循环次数的增加，相同温度下各点的波动信号能量指数增大，即在瞬态水平激励下，波动信号能量的衰减减小，传感器接收到的能量增大。因此，从波动信号能量的大小同样证明了，冻融循环作用下桩-土耦合刚度减小。更高含水率的土体中桩-土耦合刚度受冻融循环的影响更大，在12%与6%对比中，桩-土耦合刚度的影响系数大约高68%。

在冻融循环过程中，土的力学性质与土的含水率有关，土体中水分含量将大大影响土体冻结行为，从而影响土体和构件的耦合刚度。图12为土体含水率分别为6%、12%时4次冻融循环过程中各智能骨料接收到的信号时域波形幅值对比，图13为各点波动信号能量指数对比。由图13可以看出，土体含水率越高，各智能骨料接收到的信号时域波形幅值和对应的能量指数越大。在不同含水率时，离瞬态激励点最近的两块PZT的能量指数平均差别分别为30%、25%，原因是含水率越高，在冻结过程中，随着温度的降低，冻土内冰晶数量越多，土颗粒间胶结作用越强，土体冻结膨胀越明显，冻胀力越大，使得土体对试验桩约束越大，桩-土间的摩阻力越大，在瞬态水平激励下，智能骨料接收到的信号时域波形幅值也就随之减小，对应的波动信号能量指数同样减小。在融化过程中，土体中固态冰变成液态水，土颗粒间冻胀形成的空隙变大，土结构变得疏松，密实度变小，且含水率越高，这样的现象越明显，土的结构越疏松，使得土体对方钢管的约束越小，桩-土间的摩阻力越小，从而智能骨料接收到的信号时域波形幅值也就越小，对应的波动信号能量指数越小。由图13可以看出，在含水率为6%时，平均每一次冻融循环会使桩-土耦合刚度减小约6%，而在含水率为12%时，平均每一次冻融循环会使桩-土耦合刚度减小约10%。12%的含水率相比6%的含水率，其对桩-土耦合刚度的影响大约高68%。

图12 不同含水率下时域波形图对比Fig.12 Comparison of time domain waveforms under different water content

图13 不同含水率下波动信号能量指数对比Fig.13 Comparison of fluctuation signal energy index under different water cut

4 结论

在水平瞬态激励作用下，埋置在土体以下桩体中的智能骨料接收到的波动信号相对于未埋入的智能骨料明显减小，且随着埋置深度的增加，智能骨料接收到的波动信号逐渐减小。这说明土体约束所产生的摩阻力对智能骨料接收的波动信号有明显的影响。随着智能骨料埋置深度的增加，桩体受到的土体约束增大，导致智能骨料接收到的波动信号的绝对最大幅值和能量指数减小。

土体在冻融循环过程中，随着温度的变化，土体的力学性质会随之发生变化，从而导致土体和桩体耦合刚度发生变化。在土体冻结过程中，随着温度的降低，由于土的冻胀等，导致土体对桩体的约束增大，摩阻力增大，各点在瞬态激励下的时域波形幅值减小，即结构的动力响应减小，桩-土耦合刚度增大。在土体解冻即升温过程中，随着温度的升高，土中冻结水逐步融化，土体对桩体的约束减小，摩阻力减小，各点的时域波形幅值增大，即结构的动力响应增大，桩-土耦合刚度减小。

土的力学性质与土的含水率有关，在冻融循环过程中，土体含水率不同，会影响土体冻结行为，从而对土体和桩体的耦合刚度产生影响。含水率越高，土体的冻结程度越明显，土体和构件的约束大小改变越明显，土体对桩体的摩阻力改变也越明显，在瞬态水平激励下，压电陶瓷传感器接收到的时域波形幅值随之减小，构件的动力响应减小。