海上樁基施工對(duì)鄰近既有污水管道的影響

張海順， 周冠南， 蔣小金， 唐友剛

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300350; 2. 中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司， 天津 300300)

在施工澳氹第四條跨海大橋(以下簡(jiǎn)稱澳氹四橋)的北棧橋和主橋邊跨臨時(shí)支架鋼管樁基時(shí)，其鋼管樁鄰近澳門市政既有海中污水管道。橋梁樁基施工的振動(dòng)沖擊荷載會(huì)對(duì)周圍建(構(gòu))筑物造成一定的不利影響，特別是距離鋼管樁基較近的污水管道，如果在鋼管樁基施工過(guò)程中未對(duì)鋼管樁振動(dòng)下沉加以控制，有可能對(duì)污水管道產(chǎn)生損傷。一旦發(fā)生污水管道泄露，將會(huì)造成難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要探究樁基施工對(duì)鄰近既有污水管道的影響。

考慮到樁基沖擊振動(dòng)施工、海上水文地質(zhì)條件、污水管道埋深深度等因素，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究管道的受振響應(yīng)問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)，一些學(xué)者大多采用數(shù)值模擬的方法解決此類問(wèn)題：黃延琦[1]為確定海底管道在沉樁振動(dòng)條件下的振動(dòng)控制速度和土體側(cè)向位移控制標(biāo)準(zhǔn)，確定可通過(guò)建立數(shù)值損傷模型來(lái)分析沉樁振動(dòng)對(duì)海底管道安全運(yùn)行產(chǎn)生的影響；宋春生等[2]在結(jié)合分析國(guó)內(nèi)的爆破振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、抗震設(shè)防等級(jí)及《樁基工程手冊(cè)》和國(guó)外瑞士的振動(dòng)安全判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析了沖擊鉆孔振動(dòng)對(duì)埋地管道影響的安全判據(jù)；張龍等[3]研究表明埋地管道周邊質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值和管道位移這兩個(gè)因素對(duì)埋地管道的影響最為直接顯著，在此基礎(chǔ)上提出了實(shí)際工程條件下近海埋地管道在沉樁振動(dòng)施工下的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

澳氹四橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工按照招標(biāo)文件要求優(yōu)先采用港澳當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)[4]，但是澳門地區(qū)沒(méi)有正式頒布有關(guān)污水管道受振的相關(guān)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，在工程初期確定合理的振動(dòng)安全判據(jù)，采取優(yōu)化的控制手段和有效的安全監(jiān)測(cè)手段，對(duì)確保污水管道的安全運(yùn)行具有重要意義，因此需要進(jìn)行相關(guān)研究以確保污水管道的安全運(yùn)行。

1 工程概況

1.1 相互位置關(guān)系

澳氹四橋由北向南依次是A區(qū)互通和口岸立交、北引橋、主橋、南引橋和E區(qū)口岸立交。在北引橋N1-G1棧橋施工時(shí)，根據(jù)施工方案、地質(zhì)與物探勘察報(bào)告，發(fā)現(xiàn)棧橋鋼管樁與既有污水管道臨近，以最近的編號(hào)為G7-3鋼管樁為例，該鋼管樁與污水管道軸心距離為8872 mm。北引橋棧橋施工完成后一段時(shí)間，施工主橋邊跨支架鋼管樁，以最近的編號(hào)為L(zhǎng)1-6鋼管樁為例，該鋼管樁與污水管道軸心距離為7183 mm。

污水管道采用Q235C鋼材，直徑為1800 mm，壁厚16 mm，底標(biāo)高-6.0 m，位于碎石層中。碎石層兩側(cè)為碎石混合料，其上為壓頂塊石100～150 kg，污水管道其下為厚度2 m的回填砂。污水管道和回填土均位于淤泥層中。北棧橋鋼管樁直徑為800 mm，壁厚為10 mm，底標(biāo)高為-25.0 m。主橋邊跨支架鋼管樁直徑為1200 mm，壁厚為14 mm，底標(biāo)高為-55.0 m。鋼管樁與污水管道的相互位置平面和立面關(guān)系見(jiàn)圖1,2所示。污水管道與兩種鋼管樁空間不在一個(gè)平面內(nèi)，為了建模分析方便，將三者置于一個(gè)2D模型中，設(shè)定好軸心距離保證2D模型分析三者的相互影響與3D模型吻合。

圖1 鋼管樁和既有污水管道的平面位置關(guān)系/mm

圖2 鋼管樁施工和既有污水管道的立面關(guān)系/mm

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，鋼管樁和污水管道周圍土體的水文地質(zhì)條件見(jiàn)表1所示。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

1.3 施工方法和機(jī)械設(shè)備

根據(jù)施工要求，包括吃水深度、船舶穩(wěn)定、 走錨可能性、錨纜布置、抗風(fēng)浪性能、起吊能力、樁架

高度等確定打樁船。此外根據(jù)吊樁鉤的吊重、龍口、傾斜機(jī)構(gòu)確定打樁機(jī)械設(shè)備。選用兩類振動(dòng)錘(YC-8，ICE 44B)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 振動(dòng)錘技術(shù)參數(shù)

北棧橋G7-3鋼管樁施工分為3個(gè)階段：第1階段為鋼管樁的靜壓沉樁，采用YC-8液壓振動(dòng)錘持續(xù)靜壓至無(wú)法繼續(xù)靜壓下沉；第2階段為鋼管樁的重錘低擊過(guò)程，采用YC-8液壓振動(dòng)錘施工，此過(guò)程沖擊能力為16 kN·m，沖擊頻率為低頻30 bpm(0.5 Hz)，工作行程定為200 mm，小于最大行程1500 mm；第3階段為鋼管樁的液壓振動(dòng)下沉直至施工結(jié)束的過(guò)程，采用ICE 44B 液壓振動(dòng)錘施工，此過(guò)程的激振力為1845 kN，振動(dòng)頻率控制為300 vpm(5 Hz)，小于最大頻率1800 vpm(30 Hz)。

主橋邊跨支架L1-6鋼管樁施工分為兩個(gè)階段：第1階段為鋼管樁的靜壓過(guò)程，采用YC-8液壓振動(dòng)錘持續(xù)靜壓至無(wú)法繼續(xù)靜壓下沉；第2階段為鋼管樁的重錘低擊直至施工完成的過(guò)程，采用YC-8液壓振動(dòng)錘施工，此過(guò)程沖擊能力為16 kN·m，工作行程為200 mm，沖擊頻率為低頻30 bpm(5 Hz)。

2 控制標(biāo)準(zhǔn)和安全判據(jù)

2.1 國(guó)內(nèi)外各行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范參考

目前國(guó)內(nèi)外在樁基沖擊鉆孔振動(dòng)對(duì)污水管道產(chǎn)生的影響方面并無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，遇到此類問(wèn)題時(shí)，工程一般處理方法是參考相近規(guī)范進(jìn)行類推來(lái)確定影響。相近規(guī)范歸納起來(lái)有：

(1)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[5]

一些工程在具體評(píng)價(jià)強(qiáng)夯類沖擊振動(dòng)環(huán)境影響時(shí)，基本都參照此規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定。然而，樁基振動(dòng)下沉和爆破振動(dòng)存在差異，爆破振動(dòng)速度快且是瞬時(shí)的，樁基振動(dòng)下沉速度慢且是持續(xù)的。因此，不能直接將爆破振動(dòng)安全判據(jù)作為樁基振動(dòng)下沉的安全判據(jù)。

(2)JB 16—2000《機(jī)械工程環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定》

有些工程按照機(jī)械振動(dòng)的相關(guān)規(guī)定來(lái)作為施工沖擊振動(dòng)的安全判據(jù)[6]。規(guī)定中提出對(duì)于有保護(hù)價(jià)值或?qū)φ駝?dòng)特別敏感的建筑，振源頻率在10～60 Hz范圍內(nèi)，其影響建筑物正常使用的振動(dòng)速度限值為3～5 mm/s。

(3)瑞士標(biāo)準(zhǔn)SN 640312—1992

瑞士標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)允許值按照質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度來(lái)選取，標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了施工振動(dòng)對(duì)埋地管線的安全判據(jù)為，在考慮頻率為10～60 Hz的情況下振動(dòng)速度限制范圍為8～12 mm/s。

(4)前聯(lián)邦德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIM 4150—1999

根據(jù)建筑物對(duì)振動(dòng)的靈敏性將其分為3類，并對(duì)每類建筑物給出了振動(dòng)速度上限對(duì)卓越頻率的函數(shù)曲線。在受連續(xù)振動(dòng)的情況下，Ⅰ類(商業(yè)建筑、工業(yè)建筑等)、Ⅱ類(住宅、公寓等)、Ⅲ類(對(duì)振動(dòng)特別敏感的建筑物和具有一定保護(hù)等級(jí)的歷史性古建筑物)其影響建筑物正常使用的振動(dòng)速度限值分別為10，5，2.5 mm/s。

(5)日本專家歸納的建筑物容許振動(dòng)限界

日本專家對(duì)一些研究者提出的建筑物振動(dòng)允許界限進(jìn)行了歸納，在振動(dòng)速度作為振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的情況下，建筑物基本沒(méi)有損壞的要求下振動(dòng)速度允許值為5 mm/s，可有輕微損壞的要求下振動(dòng)速度允許值為10 mm/s。

(6)香港地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)PNAP APP137

根據(jù)香港屋宇署頒布的認(rèn)可人士、注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師及注冊(cè)巖土工程師作業(yè)備考PNAP APP137 標(biāo)準(zhǔn)中，因打樁和類似操作而引起的振動(dòng)量度和建議的經(jīng)地下傳送振動(dòng)限度中規(guī)定：“對(duì)于因打樁工程引起的經(jīng)地下傳送震動(dòng)對(duì)相鄰構(gòu)筑物的影響，須以粒子移動(dòng)最高速度的最大值評(píng)估。而粒子移動(dòng)最高速度的最大值，須以有關(guān)構(gòu)筑物從地面水平所量度的三維直角軸線上的粒子移動(dòng)最高速度估計(jì)?！绷Ｗ右苿?dòng)最高速度的最大值指引數(shù)值如表3所示。

表3 粒子移動(dòng)最高速度的最大值指引數(shù)值 mm/s

同時(shí)也規(guī)定了因打樁和類似操作導(dǎo)致地面沉降的建議限度“AAA值”如表4所示。

表4 因打樁和類似操作導(dǎo)致地面沉降的建議限度

表4中“AAA值”在工程中的具體含義如下：以總沉降量u為例，當(dāng)u<12 mm時(shí)，不觸發(fā)預(yù)警，可不做處理；當(dāng)12 mm≤u<18 mm時(shí)，觸發(fā)預(yù)警，需做好相應(yīng)的準(zhǔn)備和應(yīng)急方案；當(dāng)18 mm≤u<25 mm時(shí)，觸發(fā)警報(bào)，需局部停工，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，調(diào)整施工方案；當(dāng)u≥25 mm時(shí)，暫停一切相關(guān)工作，確認(rèn)危險(xiǎn)解決后方可恢復(fù)施工。

2.2 安全判據(jù)的適用選取

在控制建筑物施工振動(dòng)的影響中，首先應(yīng)確定保護(hù)對(duì)象的允許振動(dòng)值，即安全判據(jù)[7]。目前對(duì)海上沉樁振動(dòng)破壞的理論研究還不充分，尚無(wú)適用的安全標(biāo)準(zhǔn)。雖然國(guó)內(nèi)外目前已頒布實(shí)施了一些技術(shù)規(guī)范或法規(guī)，但它們是對(duì)實(shí)際工作狀態(tài)的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量或做調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，并不是通過(guò)較為嚴(yán)密的理論分析而得出的真正的允許振動(dòng)[8]。

考慮到樁基沖擊鉆孔振動(dòng)與爆破振動(dòng)的不同，用《爆破安全規(guī)程》中的安全振速作為樁基沖擊鉆孔振動(dòng)的安全判據(jù)欠合理；同時(shí)考慮到?jīng)_擊鉆孔振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)也有不同，用《機(jī)械工程環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定》中的規(guī)定作為安全判據(jù)也欠妥。

定量評(píng)價(jià)施工振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的影響，目前較廣泛采用的是質(zhì)點(diǎn)峰值振速，如前文所述瑞士、前聯(lián)邦德國(guó)、日本和香港地區(qū)均采用該指標(biāo)。此外國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐表明，質(zhì)點(diǎn)峰值振速與建(構(gòu))筑物的破壞程度相關(guān)性最好，所以在衡量建(構(gòu))筑物的振動(dòng)效應(yīng)時(shí)，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)采用質(zhì)點(diǎn)峰值振速作為控制標(biāo)準(zhǔn)[9]。

通過(guò)有關(guān)專家進(jìn)行的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估工作，確定澳氹四橋鋼管樁施工對(duì)鄰近污水管道施工影響的安全判據(jù)為質(zhì)點(diǎn)峰值振速，以最與實(shí)際接近的香港地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)作為參考，對(duì)于重錘低擊過(guò)程中控制海床地基質(zhì)點(diǎn)峰值振速為7.5 mm/s，對(duì)于振動(dòng)沉樁過(guò)程中控制海床地基質(zhì)點(diǎn)峰值振速為3 mm/s，污水管道位移控制值為12 mm作為補(bǔ)充。由此可知，只要控制海床地基峰值振速在安全范圍內(nèi)，即可保證污水管道的安全。

3 仿真分析

3.1 有限元分析模型

針對(duì)鋼管樁周圍現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，污水管道在縱向相當(dāng)于無(wú)限長(zhǎng)，因此可以將該問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，采用二維平面模型。同時(shí)在回填土條件下，污水管道周圍土壓力都處于非極限狀態(tài)，鋼管樁施工引起的塑性區(qū)相對(duì)選取的土體范圍較小，污水管道、鋼管樁和周圍巖土均考慮采用線性模型。

模型計(jì)算域內(nèi)包括污水管道、鋼管樁、周圍巖土3種材料。有限元分析模型按照實(shí)際條件進(jìn)行建模分析。對(duì)研究范圍的巖土體進(jìn)行均質(zhì)連續(xù)單一性簡(jiǎn)化，不考慮巖土內(nèi)部裂隙及弱面的影響。

為使3種材料單元形成耦合，模型采用ALE算法，管道、鋼管樁和巖土層劃分為L(zhǎng)agrange網(wǎng)格，對(duì)管道和鋼管樁進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化加密，巖土層網(wǎng)格相對(duì)稀疏，保證其應(yīng)力應(yīng)變的精確模擬。

文獻(xiàn)[10]對(duì)于充水(滿水)管道和無(wú)水空管的振動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其中對(duì)于充水狀態(tài)的管道與水之間采用流固耦合算法。在同等規(guī)模的振動(dòng)作用下，管道的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳播特征基本一致。充水(滿水)狀態(tài)相比空管狀態(tài)，由于水增大了管道重量并且對(duì)于耗能減振的影響，充水管道的變形量、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度有所降低，管道中水的存在對(duì)管道的抗振起到積極作用，充水管道的抗變形能力更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。因此分析時(shí)按照最不利的影響，將空管狀態(tài)作為分析狀態(tài)。

3.2 邊界條件

考慮打樁引起的振動(dòng)隨著離樁距離增大而減小，為了消除端部效應(yīng)影響，模型計(jì)算寬度取60 m，深度方向取70 m。模型中除頂面為自由邊界，土體兩側(cè)和底部利用彈簧和阻尼設(shè)定為無(wú)反射邊界，以較為真實(shí)模擬振動(dòng)在土體間的傳遞。

為真實(shí)反映污水管道和鋼管樁與土體間的接觸特性，將管道與土體接觸部分設(shè)置為自動(dòng)點(diǎn)點(diǎn)接觸。污水管道建成已超過(guò)10年，按照污水管線與周圍土體共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。鋼管樁為新建構(gòu)件，按照鋼管樁與周圍土體建立摩擦單元進(jìn)行分析。

3.3 荷載形式

在有限元模型中，對(duì)于滿足不可壓縮的非線性連續(xù)性流體的海水建模分析較為困難，海水單元網(wǎng)格受振后將產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變, 進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算無(wú)法正常進(jìn)行，最終導(dǎo)致收斂失敗。對(duì)于低速流動(dòng)范疇的海水，有水模型與無(wú)水模型相比，對(duì)海床以下結(jié)構(gòu)和土體無(wú)明顯差異。通過(guò)建立無(wú)水模型和施加均布下壓力進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析，將海床以下結(jié)構(gòu)和土體達(dá)到有應(yīng)力無(wú)位移的狀態(tài)，以便分析樁基施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)和土體的影響。

重錘低擊狀態(tài)下，沖擊荷載在沖擊過(guò)程中按正弦函數(shù)變化，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法模擬重錘低擊鋼管樁施工中的沖擊荷載對(duì)既有污水管道產(chǎn)生的影響。

振動(dòng)沉樁狀態(tài)下，樁錘利用激振器沿樁柱的鉛垂力方向能產(chǎn)生正弦波規(guī)律變化的激振力。采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，按照施工時(shí)間時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，荷載按照正弦正半周期進(jìn)行施加。在施工主橋邊跨支架鋼管樁完成的工況下有限元分析模型見(jiàn)圖3所示，管壁內(nèi)為鈍化的土體單元。

圖3 有限元分析模型

4 分析結(jié)果

4.1 施工過(guò)程對(duì)污水管道的影響及安全判斷

為了研究北棧橋鋼管樁G7-3和主橋邊跨支架鋼管樁L1-6先后施工下沉過(guò)程對(duì)既有污水管道水平和豎向變形的變化情況，將兩鋼管樁以每下沉5 m為一工況點(diǎn)，其下沉過(guò)程見(jiàn)表5所示。污水管道水平和豎向位移變化見(jiàn)圖4，5所示。結(jié)合表3、圖4,5可以看出，鋼管樁的水平和豎向位移均小于12 mm，經(jīng)計(jì)算其矢量位移和同樣小于12 mm，滿足安全判據(jù)要求。

表5 鋼管樁施工下沉工況

由于沖擊振動(dòng)荷載的方向向下，對(duì)巖土地基的沖擊能力主要在豎向方向耗散，而對(duì)管道的影響比較大的是水平方向的沖擊能。水平和豎向位移最大值均出現(xiàn)在鋼管樁底部打入與污水管道距離最近的工況，即兩鋼管樁下沉-5 m(工況1和工況6)。隨著鋼管樁施工入土深度的增加，其對(duì)管道的影響逐漸減小。由圖4，5可以看出，沉樁過(guò)程對(duì)污水管道的位移影響為豎向位移為主，水平位移相對(duì)較小。樁基施工時(shí)，管道正下方處于迎振面，管道正上方處于背振面。迎振面直面振動(dòng)，其位移要比背振面大。

圖4 管道正上/正下節(jié)點(diǎn)水平位移隨鋼管樁施工變化曲線

圖5 管道左側(cè)/后側(cè)節(jié)點(diǎn)豎向位移隨鋼管樁施工變化曲線

4.2 污水管道質(zhì)點(diǎn)峰值振速分析

根據(jù)實(shí)際工況下的數(shù)值計(jì)算模型，按照最不利情況考慮選取上述模型中污水管道作為研究截面，以該管道壁16個(gè)質(zhì)點(diǎn)以及質(zhì)點(diǎn)所在的單元為研究對(duì)象如圖6所示。

圖6 管道截面質(zhì)點(diǎn)示意

為了研究管道截面單元質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)，現(xiàn)針對(duì)管道上各質(zhì)點(diǎn)的合振速及質(zhì)點(diǎn)所在單元應(yīng)力，分析其在管道截面的分布規(guī)律。以工況1和工況6為例，管道質(zhì)點(diǎn)峰值振速如圖7所示，管道截面單元應(yīng)力見(jiàn)圖8所示。

圖7 管道截面合振速分布

圖8 管道截面應(yīng)力增量分布

由圖7，8可知，實(shí)際施工工況下，管道截面最大振動(dòng)速度出現(xiàn)在質(zhì)點(diǎn)A13處，合振速峰值2.85 mm/s，小于限制值3 mm/s。水下管道為鋼管，材質(zhì)為Q235C，全線鋪設(shè)于回填砂上的碎石層中，不存在海水沖刷而出現(xiàn)的管道懸浮狀態(tài)，管道本身整體應(yīng)力水平很低。壓力管道截面應(yīng)力增量峰值出現(xiàn)在A13點(diǎn)，應(yīng)力增加量8.34 MPa，對(duì)于管道無(wú)明顯影響。由上述分析可知，污水管道質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和單元應(yīng)力增量峰值均發(fā)生在迎振側(cè)底部。

此外，在振動(dòng)沉樁過(guò)程中，污水管道截面質(zhì)點(diǎn)振速表現(xiàn)為底部最大、中部次之、頂部最小的特征。管道迎振面有應(yīng)力增量大于背振面應(yīng)力增量，且大小分布規(guī)律與質(zhì)點(diǎn)峰值振速相似。

4.3 海床質(zhì)點(diǎn)峰值振速與管道質(zhì)點(diǎn)峰值振速的關(guān)系

由于污水管道位于海床下的回填碎石中，在鋼管樁施工過(guò)程中較難對(duì)鄰近污水管道本體進(jìn)行直接的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)管道質(zhì)點(diǎn)峰值振速進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，找到一種便于應(yīng)用于工程實(shí)際的管道受振質(zhì)點(diǎn)峰值振速預(yù)測(cè)方法至關(guān)重要。

選取實(shí)際工況下管道截面對(duì)于鋼管樁施工的迎振側(cè)質(zhì)點(diǎn)A13(管道底質(zhì)點(diǎn))與管道正上方海床質(zhì)點(diǎn)B13為研究對(duì)象如圖6所示。管道截面迎振質(zhì)點(diǎn)峰值振速與其正上方海床質(zhì)點(diǎn)峰值振速分布見(jiàn)圖9所示。

圖9 管道截面峰值振速和正上方海床質(zhì)點(diǎn)振速分布

由圖9可知，管道正上方海床質(zhì)點(diǎn)B13振速vc小于管道質(zhì)點(diǎn)A13振速vp，兩者均呈現(xiàn)出隨著激振力的增加，質(zhì)點(diǎn)峰值振速增加的規(guī)律。管道質(zhì)點(diǎn)A13與其正上方海床質(zhì)點(diǎn)B13振速具有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，海床質(zhì)點(diǎn)B13振速在一定程度上可以反映其在正下方管道截面質(zhì)點(diǎn)A13的振動(dòng)速度特征。根據(jù)數(shù)值模擬分析找到管道截面A13振動(dòng)速度與其正上方海床B13振動(dòng)速度相互關(guān)系如圖10所示。

圖10 管道截面底部質(zhì)點(diǎn)與正上方海床質(zhì)點(diǎn)峰值振速關(guān)系擬合

由此，得到對(duì)應(yīng)相關(guān)關(guān)系式(1)如下：

vp=1.1464vc+0.0055

(1)

式中:vp為管道A13質(zhì)點(diǎn)峰值振速；vc為正上方海床B13質(zhì)點(diǎn)峰值振速。根據(jù)前文振動(dòng)控制條件，對(duì)于振動(dòng)沉樁過(guò)程海床地基質(zhì)點(diǎn)峰值振速控制值為3 mm/s，代入式(1)可獲得管道截面質(zhì)點(diǎn)峰值振速允許值為3.44 mm/s。通過(guò)樁基施工過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，確保海床地基質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在允許范圍內(nèi)，進(jìn)而確保污水管道安全。

5 結(jié) 論

通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

(1)初步探討了沖擊鉆孔施工振動(dòng)對(duì)鄰近污水管道影響的安全判據(jù)。對(duì)于重錘低擊過(guò)程中控制海床地基質(zhì)點(diǎn)峰值振速為7.5 mm/s，對(duì)于振動(dòng)沉樁過(guò)程中控制海床地基質(zhì)點(diǎn)峰值振速為3 mm/s，污水管道位移控制值為12 mm作為補(bǔ)充。

(2)運(yùn)用二維平面應(yīng)變問(wèn)題建立污水管道 - 鋼管樁 - 周圍土體有限元模型，可以模擬分析鋼管樁施工對(duì)鄰近污水管道的影響，并且可以有效指導(dǎo)鋼管樁施工。根據(jù)分析結(jié)果，可通過(guò)調(diào)整鋼管樁施工技術(shù)措施來(lái)保證污水管道在施工期間的安全。

(3)在海中振動(dòng)施工監(jiān)測(cè)中，污水管道主要以豎向位移為主，而污水管道的應(yīng)力與振速分布規(guī)律較為相似。因此，針對(duì)鄰近污水管道受鋼管樁施工的振動(dòng)，主要監(jiān)測(cè)管道上方海床的豎向振動(dòng)速度。管道質(zhì)點(diǎn)峰值振速大于海床質(zhì)點(diǎn)峰值振速，兩者存在線性關(guān)系，根據(jù)公式可由海床質(zhì)點(diǎn)峰值振速預(yù)測(cè)出管道質(zhì)點(diǎn)峰值振速。