基于灰色關(guān)聯(lián)度理論的鋼管支護(hù)樁沉樁位移

，，，，

(1.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500；2.十四冶建設(shè)云南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650031；3.昆明軍龍巖土工程有限公司，云南 昆明 650021)

鋼管樁具有成樁效率高、樁身質(zhì)量好、樁身抗剪強(qiáng)度高、施工操作簡單、噪音低、可回收等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于湖相沉積土層的高層及超高層建筑基坑支護(hù)。目前國內(nèi)外已有部分關(guān)于鋼管樁成樁機(jī)理的研究。其中，陳岱杰等[1]通過模型試驗(yàn)研究了沉樁貫入度隨振動(dòng)頻率的變化規(guī)律。陳福全等[2-3]采用數(shù)值模擬方法對高頻振動(dòng)沉樁進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，研究了振動(dòng)錘、樁體、土體各種參數(shù)對高頻振動(dòng)沉樁位移和對樁周孔壓性狀的影響，從超靜孔隙水壓力角度解釋了各參數(shù)與沉樁位移之間的相關(guān)性。韓鈞等[4]、王學(xué)紅[5]采用顆粒離散元方法模擬土體顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從細(xì)觀角度研究了各影響參數(shù)對鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁能力的影響。羅春雷等[6]運(yùn)用有限元差分軟件FLAC3D的流固耦合動(dòng)力時(shí)程分析模塊，研究了激振頻率、靜載荷和土體彈性模量對振動(dòng)沉樁位移和液化特性的影響。李小彭等[7-9]通過數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了激振力、激振頻率、土體剛度和旋轉(zhuǎn)閥等因素對樁體沉樁速度和沉樁位移的影響，同時(shí)也研究了激振頻率和土體對樁-土系統(tǒng)振動(dòng)摩擦特性的影響。張楠等[10]通過建立同步振動(dòng)沉樁系統(tǒng)的軟式非線性振動(dòng)模型，探討了沉樁系統(tǒng)參數(shù)(激振頻率、土的剛度和阻尼、激振器的偏心距等)對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響。肖勇杰等[11]基于Gudehus-Bauer亞塑性本構(gòu)模型建立沉樁計(jì)算模型，通過參數(shù)分析，研究了地基土體孔隙比、激振頻率和套管直徑對貫入速率的影響規(guī)律。O’Neil等[12]通過對沉樁過程中樁周超靜孔隙水壓力的研究，認(rèn)為超靜孔隙水壓力的產(chǎn)生有利于沉樁。Viking[13]通過大量現(xiàn)場足尺試驗(yàn)，研究了振動(dòng)錘、板樁和無粘性土的相關(guān)參數(shù)對可打入性的影響。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者已從振動(dòng)錘(激振力、激振頻率、靜載力、偏心距等)、樁(樁徑、樁體剛度、樁型等)和土體(剛度、阻尼、孔隙比等)3個(gè)角度對沉樁位移的影響進(jìn)行了大量參數(shù)分析，但是以往研究大多只針對單一因素的變化對沉樁位移的影響，并沒有考慮多個(gè)因素同時(shí)發(fā)生變化時(shí)對沉樁位移的影響，也沒有對高頻振動(dòng)沉樁位移量的影響因素進(jìn)行敏感性分析來確定最主要的影響因素。因此，本研究針對深基坑鋼管支護(hù)樁振動(dòng)沉樁工程實(shí)例，基于三維動(dòng)力有限元方法，采用數(shù)值模擬、正交試驗(yàn)和灰色關(guān)聯(lián)度理論，對影響湖相沉積土層中深基坑鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁位移量的因素進(jìn)行了正交分析和敏感性分析，旨在深入揭示深基坑鋼管支護(hù)樁成樁機(jī)理，加強(qiáng)振動(dòng)沉樁精細(xì)控制技術(shù)，優(yōu)化深基坑鋼管支護(hù)樁成樁工藝。

1 湖相沉積土層鋼管支護(hù)樁工程實(shí)例

云南省昆明市昆紡原址改造項(xiàng)目(下稱昆紡二號場地)深基坑位于昆明市盤龍區(qū)白龍路西端與白塔路交叉路口西南側(cè)，原昆明紡織廠東區(qū)、星耀大廈以西約30 m處。該深基坑場地土層自地表往下依次為雜填土①、粉質(zhì)黏土②1、圓礫②2、粉砂③1、粉質(zhì)黏土③2和粉砂③3。表1為工程勘察及室內(nèi)土工試驗(yàn)所得的深基坑場地土層物理力學(xué)性能指標(biāo)。工程勘察同時(shí)揭示，該深基坑場地地下水為第四系松散層孔隙潛水及基巖巖溶水，基坑開挖范圍涉及的含水層主要為②2圓礫、③1粉砂和③3粉砂層，但含水量總體較小；另外，基坑開挖范圍內(nèi)各含水層間分布有相對隔水的粉質(zhì)黏土②1和粉質(zhì)黏土③2，各土層的水力聯(lián)系較差。因此，整體深基坑開挖深度范圍內(nèi)，地下水相對較少。

表1 土體參數(shù)

本工程的基坑側(cè)壁為層狀結(jié)構(gòu)的土質(zhì)地基模型，自穩(wěn)性差，基坑側(cè)壁破壞模式以變形滑移或剪出破壞為主，局部存在坍塌危害。為確保周邊環(huán)境、基坑開挖和基礎(chǔ)施工的安全，基坑支護(hù)選“排樁+錨索+掛網(wǎng)噴砼”聯(lián)合支護(hù)方式，支護(hù)樁采用可回收鋼管樁，型號為Q235，樁長18 m，鋼管支護(hù)樁采用ICE815C高頻振動(dòng)錘施工。

2 鋼管支護(hù)樁沉樁三維動(dòng)力有限元模型

表2 鋼管樁參數(shù)

2.1 土層物理力學(xué)性能指標(biāo)

在昆紡二號場地深基坑開挖支護(hù)前，開展了深基坑場地補(bǔ)充勘察，通過取場地土樣，配合標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、地震波速測試、地微振觀測進(jìn)行工程場地內(nèi)土體物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究。土體和鋼管樁物理力學(xué)性能參數(shù)見表1和表2。

2.2 鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁激振力

鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁過程中，施加于樁頂?shù)拇驑读?/p>

Fd=F0+Fv=F0+Fcsin(ωt+φ0),

(1)

其中：F0為靜載力；Fv為激振力；Fc為離心力；ω為角頻率；t為振動(dòng)時(shí)間；φ0為初始相位角。本工程采用ICE815C高頻液壓振動(dòng)錘進(jìn)行施工，該情況下F0=85.5 kN；Fc=1 250 kN；ω=157 rad/s；f=25 Hz；φ0=0。故公式(1)可表示為：

Fd=85.5+1 250sin(157t)。

(2)

為了便于觀看曲線趨勢，現(xiàn)只截取5T(T為自振周期)=0.2 s的沉樁荷載曲線如圖1所示。

2.3 模型參數(shù)

土體采用六面體實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分采用播種線尺寸控制，鋼管樁豎直以下方向土體采用局部加密劃分。三維整體動(dòng)力有限元計(jì)算模型邊界尺寸為：24 m×24 m×36 m。模型底部為固定約束，四周邊界采用粘彈性邊界，樁土之間采用界面單元模擬，建立三維地層-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用模型。網(wǎng)格劃分后的三維模型如圖2所示，模型共有 79 098個(gè)單元，46 610節(jié)點(diǎn)。

圖1 沉樁荷載曲線圖

圖2 三維有限元整體模型

3 基于正交試驗(yàn)的有限元數(shù)值模擬

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考察了鋼管樁直徑、振動(dòng)錘激振力、振動(dòng)錘激振頻率和土體4種不同因素對鋼管支護(hù)樁沉樁位移的影響，進(jìn)行正交試驗(yàn)(4因素4水平)。鑒于現(xiàn)場采用不同樁徑的鋼管支護(hù)樁進(jìn)行施工，應(yīng)用于現(xiàn)場施工的鋼管樁直徑分別為0.83、1.00、1.20和1.40 m；采用的沉樁激振力為1 200 kN，分別采用0.8Fc、1.0Fc、1.2Fc、1.5Fc4種不同激振荷載進(jìn)行沉樁位移正交分析。根據(jù)文獻(xiàn)[14]劃分，低頻錘≤15 Hz，中頻錘15～25 Hz，高頻錘25～60 Hz，超高頻錘≥60 Hz，分別采用20、25、30和35 Hz 4種不同激振頻率進(jìn)行沉樁位移正交分析，以此來研究振動(dòng)沉樁在不同頻段的沉樁位移變化；分別采用動(dòng)彈性模量為160 MPa的雜填土、210 MPa的粉質(zhì)黏土、327 MPa的粉砂、482 MPa的圓礫進(jìn)行沉樁位移正交分析。各因素及其水平詳見表3所示。

表3 振動(dòng)沉樁正交試驗(yàn)因子與水平表

表4 正交試驗(yàn)方案

針對上述試驗(yàn)，選用正交表。正交表由4列構(gòu)成(其中第5列為空閑列)，允許安排4個(gè)因素，每列各數(shù)字代表各因素不同水平；正交表共有16橫行，代表16個(gè)不同試驗(yàn)工況。以表3為基礎(chǔ)進(jìn)行正交表設(shè)計(jì)，并列出試驗(yàn)工況。正交試驗(yàn)方案如表4所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4正交試驗(yàn)方案分別建立16個(gè)不同工況下的三維動(dòng)力有限元模型。在樁頂施加1 s激振力，采用線性時(shí)程直接積分法進(jìn)行計(jì)算。從16個(gè)不同工況中選取4種影響因子均不相同的工況進(jìn)行重點(diǎn)分析，現(xiàn)將工況2、7、9、16作用下鋼管支護(hù)樁沉樁位移云圖的剖面圖整理如圖3所示。由圖3可知，在4個(gè)不同工況作用下鋼管樁及其周邊土體的豎向沉降位移均不同，且差異較大，但總體規(guī)律都是隨著距鋼管樁管壁距離的增加，土體豎向沉降位移減小。通過在鋼管樁底部設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)可得各試驗(yàn)工況的沉樁位移，從工況1到工況16的沉樁位移依次為：-17.882 23、-19.478 83、-14.311 49、-13.094 03、-20.350 17、-12.191 48、-9.668 902、-17.032 64、-9.868 68、-5.377 552、-16.698 59、-29.044 57、-5.809 715、-6.697 58、-18.372 07和-16.203 98 mm。

在DPS(data processing system)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)矩陣的編寫與完善，開展正交試驗(yàn)。通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可得16種試驗(yàn)工況的結(jié)果如表5～8所示。由表5可知，沉樁激振力和激振頻率F值均達(dá)到顯著水平；由表6～8可知，鋼管支護(hù)樁沉樁激振力和激振頻率的極差分居第一、第二位，兩者是影響鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁的關(guān)鍵性因子，其次是樁徑和土體參數(shù)。由表5～8可進(jìn)行水平選優(yōu)和組合選優(yōu)，開展鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁工藝優(yōu)化。由極差分析總和結(jié)果、極差分析均值結(jié)果和極差分析比較結(jié)果可知：在鋼管支護(hù)樁所貫入土層參數(shù)不變的情況下，A取A1，B取B4，C取C2為最佳試驗(yàn)工況，即鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁位移最大值應(yīng)首選的試驗(yàn)工況組合為：d=0.83 m，F(xiàn)c=1 875 kN，f=20 Hz。

圖3 正交試驗(yàn)各工況沉樁位移云圖(剖面圖)

變異來源平方和自由度均方F值P-顯著水平第1列43.860 1314.620 08.441 9 0.056 6 第2列390.065 63130.021 975.077 7 0.002 5 第3列130.728 8343.576 325.162 0 0.012 5 第4列13.039 434.365 02.509 8 0.234 8 空閑列*5.195 531.731 8誤差5.195 531.731 8總和582.889 4

表6 極差分析總和結(jié)果

表7 極差分析均值結(jié)果

表8 極差分析比較

4 基于正交試驗(yàn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

采用GTMS 3.0灰色系統(tǒng)理論建模軟件，依據(jù)上述16種不同正交試驗(yàn)工況下的沉樁位移量作為一套數(shù)據(jù)體系，對影響湖相沉積土層中深基坑鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁位移量的影響因素進(jìn)行敏感性分析，獲得各影響因素與振動(dòng)沉樁位移量之間的關(guān)聯(lián)性。

4.1 灰色關(guān)聯(lián)度模型計(jì)算

(3)

表9 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)表

最后按照公式(4)求解關(guān)聯(lián)序，通過關(guān)聯(lián)序可直接得知各因素影響沉樁位移量的敏感性大小。將鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁的沉樁位移量和其他因子關(guān)聯(lián)序整理如表10所示。

(4)

表10 沉樁位移量和因子關(guān)聯(lián)序

4.2 結(jié)果分析

由鋼管支護(hù)樁沉樁位移量和因子關(guān)聯(lián)序結(jié)果可知：湖相沉積土層中深基坑鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁過程與土層參數(shù)、振動(dòng)激振力、激振頻率和鋼管樁樁徑等因素關(guān)系密切；鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁工藝參數(shù)中與沉樁位移量關(guān)聯(lián)度最高者是高頻振動(dòng)錘所施加的激振力，其次是高頻振動(dòng)沉樁激振頻率，然后分別是鋼管樁樁徑和土層參數(shù)。

5 結(jié)論

1) 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析方法可知，在鋼管支護(hù)樁所貫入土層參數(shù)不變的情況下，鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁的最優(yōu)施工工況組合為：鋼管支護(hù)樁直徑0.83 m，振動(dòng)激振力1 875 kN，激振頻率20 Hz。

2) 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法可知，湖相沉積土層中鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁施工效率與土層參數(shù)、沉樁激振力、激振頻率和鋼管樁樁徑等工藝參數(shù)關(guān)系密切。

3) 在鋼管樁高頻振動(dòng)沉樁過程中，與鋼管樁貫入土體位移值關(guān)聯(lián)性最好的是高頻振動(dòng)錘所施加的激振力，其次是振動(dòng)錘激振頻率，然后為鋼管樁樁徑，最后為樁所貫入土體的動(dòng)彈性模量。

4) 在鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁實(shí)際工程應(yīng)用中，為了達(dá)到更高的沉樁效率，在振動(dòng)沉樁精細(xì)控制技術(shù)方面，宜選擇較小的鋼管樁直徑；同時(shí)給予樁頂較大的激振力；激振頻率應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的土質(zhì)情況進(jìn)行選擇，以引起樁周土體的共振，從而增大沉樁效率。基于敏感性分析結(jié)果可知，在鋼管樁直徑和土質(zhì)相同的情況下，為提高深基坑鋼管支護(hù)樁高頻振動(dòng)沉樁施工效率，在實(shí)際工程應(yīng)用中建議優(yōu)先考慮提高沉樁激振力，其次為振動(dòng)錘激振頻率。