振沖沉樁對穿河倒虹供水管的動力響應分析

張 云

（1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061；2.上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海市200061）

0 引 言

上海地區(qū)防汛墻是指沿河地面以上阻擋潮水漫溢的墻式建筑物，作為平原地區(qū)城市堤防，其兼具擋水、擋土等功能，對城市防洪起著重要作用。供水管線是城市供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是城市中較為重要的基礎設施。防汛墻樁基施工過程中難免遇到近距離的既有供水管線，若樁基施工控制不當，可能造成供水中斷，進而影響居民生活、工廠生產(chǎn)[1]。因此需研究樁基施工對既有管線的影響。振沖沉樁是上海地區(qū)防汛墻樁基施工常采用的一種施工方式，為了避免防汛墻沉樁施工對既有倒虹供水管產(chǎn)生不利影響，合理地控制兩者的相對距離及樁群的施工順序是關鍵因素。

Henke等[2]提出了評估打樁對鄰近建筑影響的三維有限元分析方法，并比較了靜壓打入和振動打入對周圍土體的影響。張楊楊等[3]分析了打樁對河道護岸的影響，且同時提出預防和減輕打樁施工影響的設計、施工、監(jiān)測措施。李怡聞等[4]通過有限元分析，研究了振沖沉樁引起隧道振動與位移的規(guī)律，確定了樁基相對間距、相對深度以及樁基動力等參數(shù)。莫鼎革等[5]總結了不同施工振動的類型、振沖沉樁的振動特性，分析了打樁振害與地震震害的區(qū)別以及打樁振動對建筑物的影響形式。羅雪貴[6]、尹洪樺等[7]分析了樁基施工的不同水平距離對鄰近隧道的影響差異，發(fā)現(xiàn)樁基施工對鄰近隧道的豎向變形（與水平變形相比）影響較大；隨水平位移增大，鄰近隧道的水平、豎向位移都近似呈指數(shù)減小。但是研究打樁對地下埋管或隧道的振動影響并不多。

本文根據(jù)上海臨港地區(qū)某工程穿河倒虹供水管與河道擋墻施工的實例，采用動力有限元法模擬了振沖沉樁對周邊倒虹供水管的影響。通過改變樁基與倒虹供水管的水平凈距，研究樁基振動施工對不同距離處管道的影響。選定合理水平凈距后，模擬群樁施工對管道的綜合影響，分析對管道有影響的樁基范圍并提出是否應該進行預鉆孔沉樁或加固處理等施工措施。

1 基本理論及方法

1.1 樁基影響機理

振沖沉樁在施工過程中，對周圍土體及其他構筑物的影響主要有振動和擠土效應兩種，其中更為明顯的是擠土效應。沉樁擠土的物理過程是在很短時間內將與樁身同體積的土擠向周圍[8]，樁周圍的土體受到擠壓產(chǎn)生水平和豎向位移，并產(chǎn)生擾動和重塑[9]。根據(jù)斯凱普頓理論，由于打樁時樁周圍存在較高的土壓力，導致塑性超孔隙水壓力急劇升高，最終產(chǎn)生“水裂”現(xiàn)象。沉樁對周圍土體影響示意圖見圖1。

1.2 動力有限元基本理論

動力有限元法與靜力有限元法基本相同，僅需考慮幾個與時間相關函數(shù)如動荷載、相應的應力應變、位移等，同時計算模型邊界應考慮慣性力及阻尼力的作用。動力平衡方程為：

圖1 沉樁對周圍土體影響示意圖

2 模型建立

2.1 工程概況

上海地區(qū)某河道整治工程擬采用直立式鋼筋混凝土擋墻，下設C30鋼筋混凝土方樁2排，樁基尺寸為300mm×300mm，樁長7m。擬建工程位置現(xiàn)有1條直徑為500mm的供水管，采用倒虹方式穿越該河道下方，在打樁過程中必須對其進行保護。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 幾何模型及參數(shù)

為了模擬倒虹供水管周邊樁基打樁振動產(chǎn)生的影響，建立計算模型及網(wǎng)格劃分（見圖2）。模型總寬度55m，土層深度30 m，左右兩側為水平約束，底部為固定邊界；同時為了避免振動波在模型邊界處反射[10]，在底部和左右邊界設置標準吸收邊界。通過調整樁基與倒虹供水管的水平凈距，研究樁基振動施工對不同距離處管道的影響。

為正確模擬樁端土體在振動荷載作用下的非線性變形，土體本構選取Hardening soil small-strain model（以下簡稱HSS模型）。以勘察報告中“土層物理力學性質參數(shù)表”中各層土體的非飽和重度（γunsat）、標準三軸排水試驗割線剛度、側限壓縮試驗切線剛度）、卸載-再加載剛度剛度應力相關冪指數(shù)（m）、有效黏聚力、內摩擦角（φ）、GS=0.722G0時的剪切應變（γ0.7）、小應變參考剪切模量數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，確定各土層HSS模型參數(shù)，見表1。

圖2 樁基對供水管影響模型

樁體采用矩形實體單元模擬，選用線彈性本構模型，同時沿樁體設置界面單元來模擬樁-土相互作用。倒虹供水管采用板單元模擬，材料類型選用彈性。

為了模擬群樁施工對管道的綜合影響，建立計算模型及網(wǎng)格劃分（見圖3）。通過模擬供水管兩側各5根樁基的打樁振動，研究對供水管影響較大的因素，根據(jù)計算結果推薦合理的群樁施工順序。

圖3 群樁施工對供水管影響模型

2.2.2 模型邊界條件

進行樁基打樁動力時程分析時，首先進行模態(tài)分析，求取其特征周期。特征值分析時一般采取彈性邊界條件，其曲面彈簧計算公式為：

式中：kv為豎向地基反力系數(shù)；kv0為初始豎向地基反力系數(shù)其中的E0為地基的彈性系數(shù)，α 為系數(shù)，一般取為其中的Av為計算模型的豎直方向面的截面積；kh為水平地基反力系數(shù)；kh0為初始水平地基反力系數(shù)，kh0=kv0；其中的Ah是計算模型的水平方向面的截面積。

表1 HSS 模型參數(shù)及其物理含義表

在進行樁基振動時程分析時，采用靜力邊界誤差較大，應采用Lysmer[11]黏滯邊界，其相應的巖土體在X、Y方向上的縱向阻尼比CP、橫向阻尼比CS計算公式為:

式中：ρ 為密度；A為截面積；λ 為體積彈性系數(shù)；G為剪切彈性系數(shù)；γ 為重度。

2.2.3 樁基動力

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本樁錘作用簡化為半周期的正弦函數(shù)，振幅5 000，相位角0.000°，頻率50.00 Hz，其簡諧波函數(shù)如圖4所示。

圖4 錘擊簡諧波荷載曲線

3 結果分析

3.1 2 根樁基對供水管影響分析

根據(jù)施工方法，本次共模擬2種工況下沉樁對管道的影響：工況1為當完成1根樁基施工后，待擠土效應及超空隙水壓力完全消散后再施打另1根樁基；工況2為當完成1根樁基施工后，未待擠土效應及超空隙水壓力消散立即施打另1根樁基。

采用工況1的施工方法時，不同樁基與倒虹供水管的水平凈距對供水管道位移的影響見圖5。

根據(jù)模擬結果可知：待擠土效應及超空隙水壓力消散后，沉樁振動對供水管道的影響以豎向位移為主；當樁基與倒虹供水管水平凈距為0.3m，即1D（D為方樁截面長度，下同）時，供水管總位移（豎向位移）約12.35mm，隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大，對供水管道的影響逐漸減小，當水平凈距為0.9m（3D）及以上時，供水管總位移變化及豎向位移變化均趨于穩(wěn)定，分別約3.00~3.66 mm和2.00~2.86mm；樁基對供水管道側向位移的影響隨兩者水平凈距的增大而逐漸增大，當水平凈距大于0.9m（3D）及以上時，其對側向位移的影響趨于穩(wěn)定。

圖5 供水管變形影響趨勢圖（工況1）

為了減少樁基施工對供水管的影響，考慮對穿河倒虹管管截面豎向投影范圍進行加固處理。在供水管1倍管徑范圍內進行加固處理的模擬計算結果如圖6所示。

圖6 加固處理前后樁基施工對供水管總位移影響趨勢圖

根據(jù)模擬結果可知，當樁基與倒虹供水管水平凈距為1D時，加固可使供水管總位移減小7.1%；當凈距為2D~6D時，供水管總位移可以減小30%~40%。因此在控制樁基與供水管凈距的基礎上，對穿河倒虹管管截面豎向投影范圍進行加固處理，可以顯著減小樁基施工對倒虹供水管的影響。

采用工況2的施工方法時，不同樁基與倒虹供水管的水平凈距對供水管道位移的影響見圖7。

圖7 供水管變形影響趨勢圖（工況2）

根據(jù)模擬結果可知：在擠土效應及超空隙水壓力尚未消散時，沉樁對供水管道的影響以豎向位移為主，側向位移可忽略不計；隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大，沉樁振動對供水管道的影響逐漸減小，當水平凈距大于1.5m（5D）及以上時影響顯著減??；當水平凈距為0.3~1.2m（1D~4D）時，沉樁振動產(chǎn)生的總位移為2.59~42.51mm，明顯大于工況1下沉樁的總位移（0.73~2.60mm）；隨著水平凈距增大，工況1和工況2的數(shù)值逐漸接近。因此在1根樁基施工后，應待擠土效應及超空隙水壓力消散后再施打另1根樁基，如此可以顯著減輕對供水管的影響。

3.2 群樁對供水管影響分析

工程施工中，管線上方需要施打的樁基為群樁，如圖8所示。圖中樁基與倒虹供水管的水平凈距為0.9m，樁基間距為1.5m。

圖8 供水管兩側樁基分布圖

當分別采用F→E→G→D→H→C→I→B→J→A（施工順序1）及A→J→B→I→C→H→D→G→E→F（施工順序2）的施工順序時，每根樁基施工對倒虹供水管總位移的影響見圖9。

圖9 群樁施工對倒虹供水管位移的影響

根據(jù)模擬結果可知：在施工順序1中，對供水管影響較大的為前6根樁基，即供水管兩側各3根樁基的振動對其產(chǎn)生影響較大；施工順序2最終位移大于施工順序1。因此應采用由毗鄰管道處向兩側交替施打的施工順序，使靠近供水管道處樁基產(chǎn)生遮簾作用，使樁對土體的擠壓作用向背離供水管道的方向發(fā)展。

4 結語

（1）當管道兩側均需沉樁時，沉樁振動對管道的影響以豎向位移為主，隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大至3D及以上時，沉樁振動對管道的影響逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

（2）隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大，打樁振動對管道的影響逐漸減小。

（3）在合理控制樁基與供水管水平凈距的基礎上，對穿河倒虹管管截面豎向投影范圍進行加固處理可以顯著減小樁基施工對倒虹供水管的影響。

（4）在1根樁基施工后，應待擠土效應及超空隙水壓力消散后，再施打另1根樁基，可以顯著減輕沉樁對供水管的影響。

（5）群樁施工時，不同的樁基施打順序對供水管產(chǎn)生的影響不同。管道周邊樁基施工順序宜由毗鄰管道處向兩側交替施打，使靠近管道處樁基產(chǎn)生遮簾作用，使樁對土體的擠壓作用向背離管道方向發(fā)展。

（6）可采用預鉆孔沉樁措施來減小沉樁對管道的影響，預鉆孔孔徑可比樁基尺寸小50~100mm。