沉樁隔振措施有限元?jiǎng)恿Ψ治?/h1>
2019-08-08 08:00:20冀天竹凌穆峰
水利技術(shù)監(jiān)督 2019年4期
冀天竹，凌穆峰，徐 嵐
(上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200082)
上海市蘇州河(嘉定區(qū))堤防專(zhuān)項(xiàng)維修工程施工過(guò)程中，某段新建防汛墻后有一取水泵站，與防汛墻距離僅有6m。新建防汛墻設(shè)置了鋼筋混凝土板樁截?cái)酀B流通道，而該取水泵站需保留不可拆除，因此防汛墻施工過(guò)程中要保證泵站房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。經(jīng)方案比選，若防汛墻前采用拉森鋼板樁加固，則可減小打樁振動(dòng)對(duì)泵站房屋造成的損害，又能減少擠土效應(yīng)，但拉森鋼板樁費(fèi)用較高，維修工程項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)有限，不宜選用；若采用靜壓樁法施工來(lái)減輕振動(dòng)影響，靜壓樁機(jī)械較為龐大，而施工進(jìn)場(chǎng)道路狹窄，設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng)作業(yè)。因此只能選擇預(yù)制樁以振動(dòng)沉樁的方式進(jìn)行施工。同時(shí)，要采取恰當(dāng)有效的隔振措施，以保證泵站房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全。
預(yù)制樁有著施工方便、工期短、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其施工時(shí)帶來(lái)的振害影響，往往會(huì)對(duì)周?chē)R近建筑物造成破壞性的危害。因此需在施工期采取恰當(dāng)有效的隔振措施，確保泵站房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全。
工程中，常用隔振措施有隔振溝、鉆孔砂樁、樁屏蔽等。采用有限元軟件ABAQUS，模擬振動(dòng)沉樁的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程[1]，研究分析不同隔振措施的隔振效果，特別是周?chē)ㄖ锏淖冃闻c位移情況，對(duì)研究和預(yù)測(cè)振動(dòng)沉樁給臨近建筑物造成的傷害有著重要的意義，為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供一定的參考依據(jù)。
1 常用隔振措施
打樁產(chǎn)生的振動(dòng)是一種沖擊型振動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)波向四周幅射，形成振動(dòng)影響場(chǎng)，沉樁能量通過(guò)樁側(cè)面和底端傳到地基中[2]。從阻擋和釋放應(yīng)力波的角度出發(fā)，常采用以下三種隔振措施來(lái)降低振動(dòng)沉樁對(duì)周?chē)ㄖ锏恼駝?dòng)影響。
(1)隔振溝
隔振溝斷面一般呈梯形，溝寬應(yīng)大于60cm；溝深應(yīng)為地面波波長(zhǎng)的1/4，在被保護(hù)建筑物基礎(chǔ)深度的兩倍以上；溝長(zhǎng)應(yīng)大于被保護(hù)目標(biāo)沿道路方向的長(zhǎng)度。
(2)鉆孔砂樁
在距離打樁點(diǎn)約0.5倍樁長(zhǎng)的位置，鉆一排直徑約700mm、間距為1m的應(yīng)力釋放孔，內(nèi)部填滿砂子用以削弱振動(dòng)波。
(3)樁屏蔽
樁屏蔽方法可采用單排鋼管樁、多排鋼管樁、鋼板樁對(duì)撐等形式，在打樁位置與被保護(hù)建筑物之間形成一道隔振墻，吸收和反射振動(dòng)波能量，削弱振動(dòng)波的傳播[3]。
2 計(jì)算原理及方法
采用ABAQUS/Explicit模塊，即顯式積分格式對(duì)振動(dòng)沉樁過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。計(jì)算采用的力學(xué)模型如圖1所示，樁錘m以速度Vh沖擊樁墊K，樁墊K再把樁錘的能量傳遞給樁，獲得能量后的樁向土中貫入，在貫入過(guò)程中樁體受到樁側(cè)和樁端的阻力和阻尼作用[4]。
圖1 振動(dòng)沉樁力學(xué)模型
樁錘沖擊荷載簡(jiǎn)化為一個(gè)垂直作用在樁頂?shù)木己奢d[5]，荷載大小為隨時(shí)間變化的諧函數(shù)，荷載波形取諧函數(shù)的正半波。
分析步類(lèi)型選擇顯式動(dòng)力分析[6]。同時(shí)，設(shè)置輸出每一迭代步的計(jì)算結(jié)果，用以讀取計(jì)算結(jié)果的時(shí)程曲線。
考慮樁-土之間的相互作用，計(jì)算模型中樁與土之間設(shè)置surface to surface接觸，樁側(cè)面與樁底面為主動(dòng)面，土體與樁的接觸面為從動(dòng)面。
3 計(jì)算模型及參數(shù)
蘇州河(嘉定區(qū))堤防專(zhuān)項(xiàng)維修工程中新建低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在原有擋墻岸后，新建C30鋼筋混凝土擋墻，新建擋墻底板下布置300mm×300mm×12000mm@1200mm的C30鋼筋混凝土方樁，擋墻岸后6m處有一取水泵房，泵房結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土材料。
振動(dòng)沉樁施工機(jī)械樁錘重量為3.5t，沖程在1.8～2.2m范圍時(shí)，可提供的沖擊力為3000～4000kN。本文取3000kN作為沖擊荷載，即動(dòng)力荷載的峰值為3000kN，頻率為50Hz，作用時(shí)間取0.01s?？紤]到樁-土系統(tǒng)在受到?jīng)_擊荷載后，產(chǎn)生的阻尼振動(dòng)將持續(xù)一段時(shí)間，將動(dòng)力計(jì)算時(shí)間設(shè)置為5.0s，以便從計(jì)算結(jié)果中讀取振動(dòng)衰減過(guò)程。
場(chǎng)地在勘察最大深度為25.00m內(nèi)的土層部分，主要由填土、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉性土等組成。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，考慮到振動(dòng)沉樁持續(xù)時(shí)間較短，在計(jì)算時(shí)間內(nèi)認(rèn)為土體均為不排水土層。根據(jù)已有地質(zhì)勘察資料，取得該模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 土體模型摩爾-庫(kù)倫參數(shù)
為對(duì)比分析不同隔振措施的隔振效果，分別建立無(wú)隔振措施、隔振溝、鉆孔砂樁、樁屏蔽(鋼板樁對(duì)撐)這4種工況的計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算。
圖2 新建低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
4 結(jié)果與分析
如圖3所示為無(wú)隔振措施時(shí)，打樁振動(dòng)一次后的豎向位移分布云圖。如圖4—6所示分別為采取隔振溝、鉆孔砂樁、鋼板樁對(duì)撐措施時(shí)，打樁振動(dòng)一次后的豎向位移分布云圖。
圖3 無(wú)隔振措施(U3/m)
圖4 設(shè)置隔振溝(U3/m)
圖5 設(shè)置鉆孔砂樁(U3/m)
圖6 設(shè)置鋼板樁對(duì)撐(U3/m)
由分布云圖可看出，隔振溝、鉆孔砂樁和鋼板樁對(duì)撐對(duì)阻斷振動(dòng)傳播都可以起到一定的效果。其中，隔振溝，由于場(chǎng)地大小限制，其開(kāi)挖面較小、開(kāi)挖深度較淺，隔振效果并不明顯，且隔振溝邊坡無(wú)約束，存在不穩(wěn)定的隱患。鉆孔砂樁，由于砂的松散與大孔隙特性，其阻尼較大，可有效減弱振動(dòng)波的傳播，并使得地基土沉降變形較為均勻。鋼板樁對(duì)撐措施，使打樁點(diǎn)與建筑物之間形成一道空氣隔墻，鋼板樁也可反射部分振動(dòng)波，隔振效果較好。
取泵房臨近打樁點(diǎn)側(cè)墻面上的一點(diǎn)，讀取該點(diǎn)豎向位移隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線，如圖7—10所示分別為這4種工況下U3～T的時(shí)程變化曲線。由圖可得各工況下，泵房側(cè)墻的最大位移量和最終沉降量見(jiàn)表2。
表2 各工況下泵房側(cè)墻的最大位移量 單位：mm
圖7 無(wú)隔振措施(U3/m～T/s)
圖8 設(shè)置隔振溝(U3/m～T/s)
圖9 設(shè)置鉆孔砂樁(U3/m～T/s)
圖10 設(shè)置鋼板樁對(duì)撐(U3/m～T/s)
對(duì)比在不同隔振措施下泵房墻體的最大豎向位移量，可知采用鉆孔砂樁和鋼板樁對(duì)撐措施的隔振效果最好，而在隔振溝措施下，由于施工場(chǎng)地條件的限制，開(kāi)挖小斷面隔振溝未能起到很好的隔振效果。在實(shí)際工程中，蘇州河(嘉定區(qū))堤防專(zhuān)項(xiàng)維修工程采用了鋼板樁對(duì)撐的方法對(duì)臨近取水泵房進(jìn)行保護(hù)，樁基施工過(guò)程中，打樁振動(dòng)未對(duì)泵房造成結(jié)構(gòu)損害，證實(shí)了方案的可行性。
5 結(jié)論
當(dāng)振動(dòng)打樁位置與周?chē)ㄖ锞嚯x較近時(shí)，需采取有效的隔振措施對(duì)建筑物加以保護(hù)，控制振動(dòng)影響在允許范圍之內(nèi)。針對(duì)不同的工程特性與實(shí)際情況，可采用有限元?jiǎng)討B(tài)模擬計(jì)算方法，對(duì)不同隔振措施進(jìn)行科學(xué)的分析評(píng)估，為減輕振動(dòng)沉樁給臨近建筑物帶來(lái)的影響提供參考依據(jù)，以便及時(shí)做出有效的設(shè)計(jì)方案，保證工程建設(shè)安全與順利施工。
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預(yù)制樁有著施工方便、工期短、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其施工時(shí)帶來(lái)的振害影響，往往會(huì)對(duì)周?chē)R近建筑物造成破壞性的危害。因此需在施工期采取恰當(dāng)有效的隔振措施，確保泵站房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全。
工程中，常用隔振措施有隔振溝、鉆孔砂樁、樁屏蔽等。采用有限元軟件ABAQUS，模擬振動(dòng)沉樁的動(dòng)態(tài)施工過(guò)程[1]，研究分析不同隔振措施的隔振效果，特別是周?chē)ㄖ锏淖冃闻c位移情況，對(duì)研究和預(yù)測(cè)振動(dòng)沉樁給臨近建筑物造成的傷害有著重要的意義，為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供一定的參考依據(jù)。
1 常用隔振措施
打樁產(chǎn)生的振動(dòng)是一種沖擊型振動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)波向四周幅射，形成振動(dòng)影響場(chǎng)，沉樁能量通過(guò)樁側(cè)面和底端傳到地基中[2]。從阻擋和釋放應(yīng)力波的角度出發(fā)，常采用以下三種隔振措施來(lái)降低振動(dòng)沉樁對(duì)周?chē)ㄖ锏恼駝?dòng)影響。
(1)隔振溝
隔振溝斷面一般呈梯形，溝寬應(yīng)大于60cm；溝深應(yīng)為地面波波長(zhǎng)的1/4，在被保護(hù)建筑物基礎(chǔ)深度的兩倍以上；溝長(zhǎng)應(yīng)大于被保護(hù)目標(biāo)沿道路方向的長(zhǎng)度。
(2)鉆孔砂樁
在距離打樁點(diǎn)約0.5倍樁長(zhǎng)的位置，鉆一排直徑約700mm、間距為1m的應(yīng)力釋放孔，內(nèi)部填滿砂子用以削弱振動(dòng)波。
(3)樁屏蔽
樁屏蔽方法可采用單排鋼管樁、多排鋼管樁、鋼板樁對(duì)撐等形式，在打樁位置與被保護(hù)建筑物之間形成一道隔振墻，吸收和反射振動(dòng)波能量，削弱振動(dòng)波的傳播[3]。
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圖1 振動(dòng)沉樁力學(xué)模型
樁錘沖擊荷載簡(jiǎn)化為一個(gè)垂直作用在樁頂?shù)木己奢d[5]，荷載大小為隨時(shí)間變化的諧函數(shù)，荷載波形取諧函數(shù)的正半波。
分析步類(lèi)型選擇顯式動(dòng)力分析[6]。同時(shí)，設(shè)置輸出每一迭代步的計(jì)算結(jié)果，用以讀取計(jì)算結(jié)果的時(shí)程曲線。
考慮樁-土之間的相互作用，計(jì)算模型中樁與土之間設(shè)置surface to surface接觸，樁側(cè)面與樁底面為主動(dòng)面，土體與樁的接觸面為從動(dòng)面。
3 計(jì)算模型及參數(shù)
蘇州河(嘉定區(qū))堤防專(zhuān)項(xiàng)維修工程中新建低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在原有擋墻岸后，新建C30鋼筋混凝土擋墻，新建擋墻底板下布置300mm×300mm×12000mm@1200mm的C30鋼筋混凝土方樁，擋墻岸后6m處有一取水泵房，泵房結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土材料。
振動(dòng)沉樁施工機(jī)械樁錘重量為3.5t，沖程在1.8～2.2m范圍時(shí)，可提供的沖擊力為3000～4000kN。本文取3000kN作為沖擊荷載，即動(dòng)力荷載的峰值為3000kN，頻率為50Hz，作用時(shí)間取0.01s?？紤]到樁-土系統(tǒng)在受到?jīng)_擊荷載后，產(chǎn)生的阻尼振動(dòng)將持續(xù)一段時(shí)間，將動(dòng)力計(jì)算時(shí)間設(shè)置為5.0s，以便從計(jì)算結(jié)果中讀取振動(dòng)衰減過(guò)程。
場(chǎng)地在勘察最大深度為25.00m內(nèi)的土層部分，主要由填土、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉性土等組成。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，考慮到振動(dòng)沉樁持續(xù)時(shí)間較短，在計(jì)算時(shí)間內(nèi)認(rèn)為土體均為不排水土層。根據(jù)已有地質(zhì)勘察資料，取得該模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 土體模型摩爾-庫(kù)倫參數(shù)
為對(duì)比分析不同隔振措施的隔振效果，分別建立無(wú)隔振措施、隔振溝、鉆孔砂樁、樁屏蔽(鋼板樁對(duì)撐)這4種工況的計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算。
圖2 新建低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
4 結(jié)果與分析
如圖3所示為無(wú)隔振措施時(shí)，打樁振動(dòng)一次后的豎向位移分布云圖。如圖4—6所示分別為采取隔振溝、鉆孔砂樁、鋼板樁對(duì)撐措施時(shí)，打樁振動(dòng)一次后的豎向位移分布云圖。
圖3 無(wú)隔振措施(U3/m)
圖4 設(shè)置隔振溝(U3/m)
圖5 設(shè)置鉆孔砂樁(U3/m)
圖6 設(shè)置鋼板樁對(duì)撐(U3/m)
由分布云圖可看出，隔振溝、鉆孔砂樁和鋼板樁對(duì)撐對(duì)阻斷振動(dòng)傳播都可以起到一定的效果。其中，隔振溝，由于場(chǎng)地大小限制，其開(kāi)挖面較小、開(kāi)挖深度較淺，隔振效果并不明顯，且隔振溝邊坡無(wú)約束，存在不穩(wěn)定的隱患。鉆孔砂樁，由于砂的松散與大孔隙特性，其阻尼較大，可有效減弱振動(dòng)波的傳播，并使得地基土沉降變形較為均勻。鋼板樁對(duì)撐措施，使打樁點(diǎn)與建筑物之間形成一道空氣隔墻，鋼板樁也可反射部分振動(dòng)波，隔振效果較好。
取泵房臨近打樁點(diǎn)側(cè)墻面上的一點(diǎn)，讀取該點(diǎn)豎向位移隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線，如圖7—10所示分別為這4種工況下U3～T的時(shí)程變化曲線。由圖可得各工況下，泵房側(cè)墻的最大位移量和最終沉降量見(jiàn)表2。
表2 各工況下泵房側(cè)墻的最大位移量 單位：mm
圖7 無(wú)隔振措施(U3/m～T/s)
圖8 設(shè)置隔振溝(U3/m～T/s)
圖9 設(shè)置鉆孔砂樁(U3/m～T/s)
圖10 設(shè)置鋼板樁對(duì)撐(U3/m～T/s)
對(duì)比在不同隔振措施下泵房墻體的最大豎向位移量，可知采用鉆孔砂樁和鋼板樁對(duì)撐措施的隔振效果最好，而在隔振溝措施下，由于施工場(chǎng)地條件的限制，開(kāi)挖小斷面隔振溝未能起到很好的隔振效果。在實(shí)際工程中，蘇州河(嘉定區(qū))堤防專(zhuān)項(xiàng)維修工程采用了鋼板樁對(duì)撐的方法對(duì)臨近取水泵房進(jìn)行保護(hù)，樁基施工過(guò)程中，打樁振動(dòng)未對(duì)泵房造成結(jié)構(gòu)損害，證實(shí)了方案的可行性。
5 結(jié)論
當(dāng)振動(dòng)打樁位置與周?chē)ㄖ锞嚯x較近時(shí)，需采取有效的隔振措施對(duì)建筑物加以保護(hù)，控制振動(dòng)影響在允許范圍之內(nèi)。針對(duì)不同的工程特性與實(shí)際情況，可采用有限元?jiǎng)討B(tài)模擬計(jì)算方法，對(duì)不同隔振措施進(jìn)行科學(xué)的分析評(píng)估，為減輕振動(dòng)沉樁給臨近建筑物帶來(lái)的影響提供參考依據(jù)，以便及時(shí)做出有效的設(shè)計(jì)方案，保證工程建設(shè)安全與順利施工。
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