張智梅,黃海濤,張繼紅

(1.上海大學(xué)土木工程系,上?！?00072；

2.上海地固巖土工程有限公司,上?！?00092)

高頻振動(dòng)沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境的影響

張智梅1,黃海濤1,張繼紅2

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200072；

2.上海地固巖土工程有限公司,上海200092)

從振動(dòng)樁錘、樁體和土層情況3個(gè)方面入手,系統(tǒng)分析了高頻振動(dòng)沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境影響的作用機(jī)理.首先建立振動(dòng)沉樁三維有限元模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)沉樁全過程的再現(xiàn)分析；然后驗(yàn)證模型的正確性,并對(duì)模型進(jìn)行變參數(shù)分析.研究表明：樁錘激振頻率越高,沉樁對(duì)環(huán)境影響越小；樁錘靜載力和樁徑越大,沉樁對(duì)環(huán)境影響越大；砂質(zhì)土場(chǎng)地比黏土場(chǎng)地更易受振動(dòng)沉樁影響,且土質(zhì)越硬,沉樁產(chǎn)生的環(huán)境影響越嚴(yán)重.最后,根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果提出了減小沉樁施工影響的工程措施.

高頻振動(dòng)沉樁；環(huán)境影響；有限元；參數(shù)分析

高頻振動(dòng)沉樁技術(shù)相較于錘擊法沉樁具有土層適應(yīng)性強(qiáng)、噪音和震感低、施工機(jī)動(dòng)靈活、工效高等優(yōu)點(diǎn)[1].然而,大量的工程實(shí)踐表明,在高頻振動(dòng)沉樁施工過程中周邊地區(qū)經(jīng)常會(huì)發(fā)生一定的地面振動(dòng)和地面豎向位移[2],如果處理不當(dāng),將造成周邊建筑物開裂、道路損壞、地下管線偏移甚至爆裂等嚴(yán)重后果.這在某種程度上制約了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,因此有必要研究高頻振動(dòng)沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境影響的作用機(jī)理.

近年來,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)高頻振動(dòng)沉樁施工過程及該過程對(duì)環(huán)境的影響開展了廣泛的研究.Masoumi等[3-4]利用有限元和邊界元耦合建模,研究了高頻振動(dòng)沉樁引起的自由場(chǎng)振動(dòng),并建立了高頻振動(dòng)沉樁施工引起的自由場(chǎng)振動(dòng)的預(yù)測(cè)數(shù)值模型.Athanasopoulos等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到地面質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度(peak particle velocity,PPV)隨樁心距的衰減規(guī)律,并給出了振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn).Hwang等[6]通過大規(guī)模的沉樁實(shí)測(cè),得到了沉樁過程中地面振動(dòng)速度和地表沉降等地面響應(yīng)的變化規(guī)律.林奇[7]研究了高頻振動(dòng)沉樁過程中振動(dòng)頻率對(duì)砂土動(dòng)力特性的影響.陳福全等[8]對(duì)高頻振動(dòng)沉樁引起的地基土中超靜孔隙水壓力的增長(zhǎng)情況進(jìn)行了分析,并且研究了超靜孔隙水壓力對(duì)樁可打入性的影響.董軍鋒等[9]論述了沉樁引起的振動(dòng)特性和沉樁對(duì)相鄰建筑物的影響形式,并對(duì)打樁振動(dòng)測(cè)試的具體方法及影響評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析.黃延琦[10]在確定了沉樁振動(dòng)條件下海底管道的振動(dòng)控制速度和土體側(cè)向位移控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模型分析了沉樁振動(dòng)對(duì)海底管道產(chǎn)生的影響.

以上關(guān)于高頻振動(dòng)沉樁施工對(duì)環(huán)境影響的研究大多基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),相關(guān)的有限元數(shù)值模擬分析將實(shí)際工程簡(jiǎn)化為二維分析模型,并且將土體簡(jiǎn)化為單一均質(zhì)土體,與實(shí)際工程不相符,因此研究成果具有一定的局限性.另一方面,高頻振動(dòng)沉樁機(jī)理涉及樁、樁錘及土層情況等因素,目前對(duì)這些因素與沉樁施工引發(fā)的環(huán)境影響之間相關(guān)性的認(rèn)識(shí)十分有限.

為此,本工作借助數(shù)值分析工具,對(duì)高頻振動(dòng)沉樁引起的環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)性的分析研究.首先,建立三維有限元模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)沉樁全過程的再現(xiàn)分析,并利用某工程的沉樁振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性；然后,從振動(dòng)樁錘、樁體和土層情況3個(gè)方面進(jìn)行參數(shù)分析,研究這些因素與高頻振動(dòng)沉樁施工引發(fā)的環(huán)境影響之間的相關(guān)性；最后,根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果提出減小沉樁施工影響的工程措施,為高頻振動(dòng)沉樁的工程實(shí)踐提供參考.

1　沉樁模型的建立及其驗(yàn)證

1.1有限元建模

本工作主要利用有限元軟件ABAQUS對(duì)沉樁全過程進(jìn)行數(shù)值模擬.在有限元建模過程中,要注意以下幾個(gè)方面的問題.

(1)沉樁全過程的實(shí)現(xiàn).

已有研究表明,在使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行沉樁全過程模擬時(shí),如果直接將樁插入完整的土體表面,則樁土接觸面附近的土體網(wǎng)格將隨樁的下沉而發(fā)生嚴(yán)重扭曲,這使得模型計(jì)算難以收斂,無法模擬樁體貫入的過程.這是由于ABAQUS中土體單元之間不會(huì)自動(dòng)破壞裂開,樁無法擠開土體單元而達(dá)到貫入土體的目的.為此,本工作參考Henke等[11]的研究提出了一種建模方法,實(shí)現(xiàn)了使用ABAQUS建立三維有限元模型來模擬沉樁全過程及其環(huán)境影響.具體方法如下：在土體中心建立一個(gè)半徑5 mm的細(xì)圓孔,樁下端設(shè)置一個(gè)半徑5 mm的細(xì)圓管,樁和下端的圓管采用平滑過渡連接；然后,將樁和下端圓管裝配至沉樁初始位置,并將樁下端的圓管和土體圓孔之間設(shè)置為光滑硬接觸(見圖1).本方法使得樁在樁頂作用力下通過預(yù)留圓孔將土體擠開,解決了收斂問題并實(shí)現(xiàn)了對(duì)土體破壞過程的模擬.

(2)有限邊界處波反射的處理.

通常,為降低模型的計(jì)算量,將無限半空間土體用有限大小的土體模型來模擬,并在土體四周施加相應(yīng)的邊界條件.然而沉樁引起的振動(dòng)波在傳遞到有限邊界處會(huì)發(fā)生反射,與實(shí)際情況不符.為模擬波在地基土體中傳播的無限性,消除邊界的波反射問題,本工作對(duì)土體采用有限元和無限元耦合建模.樁貫入模型如圖1所示,其中土體中央?yún)^(qū)域采用C3D8R有限單元模擬,四周側(cè)面及底面區(qū)域則采用CIN3D8無限單元模擬.

圖1　樁貫入模型Fig.1　Model of pile penetration

(3)土層情況的模擬.

以往的研究中,有限元數(shù)值模擬分析大多將土體簡(jiǎn)化為單一均質(zhì)土體,與實(shí)際土質(zhì)不相符.本工作先將有限元土體部件按照實(shí)際土層厚度分割,再按照實(shí)際土層參數(shù)分層賦予屬性,與實(shí)際工程的層狀土更為相符.

(4)模型網(wǎng)格的劃分.

本工作模型中的樁體采用4節(jié)點(diǎn)剛性四邊形的R3D4單元模擬,單元數(shù)為2 920個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 960個(gè).由于在沉樁過程中,樁尖擠開土體,樁體和土體之間的接觸比較復(fù)雜,因此需要細(xì)化樁尖處的網(wǎng)格(見圖2).

土體的網(wǎng)格劃分如圖3所示.模型中土體網(wǎng)格的劃分以預(yù)留細(xì)圓孔Z軸為中心,輻射狀地向外展開.由于樁土接觸處土體變形很大,需要將土體單元細(xì)分以有利于計(jì)算收斂.但同時(shí)網(wǎng)格劃分過密,則計(jì)算量增加較大,所以網(wǎng)格密度由中心向外逐步擴(kuò)大,網(wǎng)格寬度由0.33 m逐步擴(kuò)大為5.00 m.土體在厚度方向上每0.50 m一個(gè)網(wǎng)格.土體單元總數(shù)為68 000個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為72 720個(gè),單元類型為8節(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元C3D8R；四周及底面為無限元,單元數(shù)為4 680,節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 884個(gè),單元類型為8節(jié)點(diǎn)線性六面體無限單元CIN3D8.

圖2　樁尖網(wǎng)格細(xì)化示意圖Fig.2　Schematic diagram of pile tip mesh refinement

圖3　土體網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3　Schematic diagram of soil mesh

1.2有限元分析中的基本假定及條件

(1)采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析計(jì)算,只考慮沉樁過程中沉樁對(duì)周邊環(huán)境的振動(dòng)和位移影響,不考慮沉樁之后的孔壓消散和土體固結(jié)的影響.

(2)采用ABAQUS/Explicit進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,以解決高度非線性、復(fù)雜接觸、高速動(dòng)荷載等問題.

(3)由于樁體剛度遠(yuǎn)大于土體剛度,且本工作研究重點(diǎn)為土體在沉樁工程中的響應(yīng),而非樁體的響應(yīng),因此對(duì)樁體作適當(dāng)簡(jiǎn)化,采用離散剛體模擬.土體采用變形體進(jìn)行模擬,并考慮為彈塑性材料,其本構(gòu)采用Mohr-Coulomb彈塑性模型.

(4)考慮樁土接觸問題.切向接觸：樁土之間采用罰接觸,圓管和土體圓孔之間無摩擦.法向接觸：兩種界面均采用硬接觸.

(5)考慮土體的初始地應(yīng)力的影響.

1.3沉樁數(shù)值模型的實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述建模方法的正確性,對(duì)錘擊法沉樁的工程實(shí)例進(jìn)行有限元建模.該工程現(xiàn)場(chǎng)的土層地質(zhì)情況、樁和樁錘參數(shù)等詳見文獻(xiàn)[12].數(shù)值模擬時(shí)取土的彈性模量E=15 MPa,泊松比v=0.4,密度ρ=1 900 kg/m3.該工程對(duì)樁入土深度為12～24 m的過程進(jìn)行了實(shí)測(cè),獲得了與樁心水平距離分別為5,10,20,30,40 m處的地表土體峰值振動(dòng)速度.數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中的實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4所示.

圖4　實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算的對(duì)比Fig.4　Comparison of measured values and calculated values of model

從圖4可以看出,地面土體峰值振動(dòng)速度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間存在一定偏差.產(chǎn)生偏差的主要原因在于：建模時(shí)對(duì)土體性質(zhì)和樁土接觸作用進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,且為保證模型中的樁體能夠順利貫入土體而采用的平滑過渡形式的樁尖與工程實(shí)際不完全相符.但總體看來,二者之間的誤差均控制在較小的范圍之內(nèi),具有良好的一致性,這說明利用本工作建立的三維分析模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉樁全過程的模擬.

2　高頻振動(dòng)沉樁環(huán)境影響的參數(shù)分析

本工作首先建立高頻振動(dòng)沉樁的三維有限元模型,并確定高頻振動(dòng)沉樁對(duì)環(huán)境影響的評(píng)估指標(biāo),然后分別從樁錘、樁體以及土體3個(gè)方面對(duì)振動(dòng)沉樁施工造成的環(huán)境影響進(jìn)行參數(shù)分析,研究這些因素與高頻振動(dòng)沉樁環(huán)境影響評(píng)估指標(biāo)之間的相關(guān)性,并在此基礎(chǔ)上為工程實(shí)踐提出減小振動(dòng)沉樁施工影響的相應(yīng)措施.

2.1計(jì)算模型

按照上述方法建模,其中按有限元?jiǎng)澐值耐馏w區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)×寬×高=70 m×70 m×20 m,并按照上海地區(qū)某工程的地質(zhì)勘查報(bào)告[13]提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行土層劃分,具體參數(shù)如表1所示.

表1　土體參數(shù)[13]Table 1　Soil parameters[13]

樁位于模型中央,采用?500δ125的PHC樁,樁長(zhǎng)取15 m,采用離散剛體殼模擬,在樁頂定義參考點(diǎn),在參考點(diǎn)上施加樁體質(zhì)量、邊界條件和樁頂荷載,具體如下：

(1)樁體質(zhì)量參考我國(guó)PHC樁標(biāo)準(zhǔn)圖集10G409,取為5.745 t；

(2)為保證樁垂直貫入,限制樁在其他方向的自由度,僅保留豎向的自由度；

(3)施加在樁頂?shù)暮奢dFd由靜載力F0和動(dòng)載力Fv兩部分組成,其中靜載力F0由樁錘和夾具自重構(gòu)成,動(dòng)載力Fv由一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的偏心質(zhì)量塊產(chǎn)生的正弦形式的豎向合力構(gòu)成,可由樁錘的偏心力矩Me和角頻率ω求得.

為使本工作的樁錘參數(shù)分析具有普遍意義,選取PTC-32HFV型高頻振動(dòng)樁錘進(jìn)行分析,這是因?yàn)樵摌跺N的各項(xiàng)性能指標(biāo)在高頻振動(dòng)樁錘中具有代表性.該情況下ω=240.6 rad/s, f=38.3 Hz,φ0=0,因此有

2.2環(huán)境影響評(píng)估指標(biāo)

高頻振動(dòng)沉樁產(chǎn)生的環(huán)境影響主要指：沉樁引起的振動(dòng)以波的形式在土體中傳播擴(kuò)散,使周圍一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生振動(dòng),造成附近建(構(gòu))筑物發(fā)生振動(dòng)破壞；振動(dòng)使土體強(qiáng)度降低并產(chǎn)生沉降,加之沉樁過程中樁對(duì)周邊土體的擠土效應(yīng),使周邊土體產(chǎn)生不均勻位移,從而引起附近建(構(gòu))筑物發(fā)生沉降破壞.已有研究表明,建(構(gòu))筑物所經(jīng)受的振動(dòng)破壞與地面質(zhì)點(diǎn)豎向峰值振動(dòng)速度的相關(guān)性比加速度等參數(shù)更為密切[14],因此地面PPV可作為振動(dòng)破壞評(píng)價(jià)指標(biāo).地面豎向位移可以用來評(píng)估地面土體的隆起或沉降的程度,以此來反映建(構(gòu))筑物在振動(dòng)沉樁過程中因不均勻沉降而發(fā)生的破壞.綜上所述,高頻振動(dòng)沉樁的環(huán)境影響可以通過地面PPV和地面豎向位移兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)估.

2.3樁錘參數(shù)

對(duì)于高頻振動(dòng)樁錘,可控制變量主要有樁錘的激振頻率、靜載力和動(dòng)載力,因此可通過這3個(gè)參數(shù)研究樁錘與高頻振動(dòng)沉樁造成的環(huán)境影響的相關(guān)性.

2.3.1激振頻率

PTC-32HFV樁錘的最大激振頻率為38.3 Hz.選取5.0,10.0,20.0,30.0,38.3 Hz共5組頻率參數(shù),分析沉樁深度為10 m時(shí)不同頻率下振動(dòng)沉樁施工對(duì)環(huán)境的影響,結(jié)果如圖5～8所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn),地面PPV和地面豎向位移U基本上都是隨著振動(dòng)樁錘激振頻率的升高而逐漸降低的,其中地面豎向位移的變化在與樁心距離為1,3 m處最為明顯.因此,適當(dāng)提高振動(dòng)樁錘的激振頻率對(duì)減小振動(dòng)沉樁施工造成的環(huán)境影響非常有利.

圖5　不同頻率下地面PPV的對(duì)比Fig.5　Ground PPV contrast under different frequencies

圖6　近場(chǎng)處地面PPV與樁錘頻率的關(guān)系Fig.6　Relationships between PPV and frequency of hammer at near field

圖7　不同頻率下地面豎向位移的對(duì)比Fig.7　Vertical ground displacement contrast under different frequencies

圖8　近場(chǎng)處地面豎向位移與樁錘頻率的關(guān)系Fig.8　Relationships between vertical ground displacement and frequency of hammer at near field

2.3.2靜載力

靜載力由樁錘和夾具的自重構(gòu)成,分別設(shè)定樁錘靜載力為0.2F0,0.4F0,0.6F0,0.8F0, 1.0F0,其中F0=89.15 kN,其他模型參數(shù)保持不變.同樣將沉樁深度設(shè)為10 m,然后分析靜載力與高頻振動(dòng)沉樁引發(fā)的環(huán)境影響的相關(guān)性,結(jié)果如圖9～12所示.

圖9　不同靜載力下地面PPV的對(duì)比Fig.9　Ground PPV contrast under different static surcharge forces

圖10　近場(chǎng)處地面PPV與樁錘靜載力的關(guān)系Fig.10　RelationshipsbetweengroundPPV and static surcharge force at near field

圖11　不同靜載力下地面豎向位移的對(duì)比Fig.11　Vertical ground displacement contrast under different static surcharge forces

圖12　近場(chǎng)處地面豎向位移與樁錘靜載力的關(guān)系Fig.12　Relationships between vertical ground displacement and static surcharge force at near field

從圖9和11中可以發(fā)現(xiàn),靜載力不同時(shí)沉樁施工對(duì)環(huán)境影響的規(guī)律不是非常明顯,但隨著靜載力的增大,地面PPV和地面豎向位移增大,即環(huán)境影響越大.從圖10和12中可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在距離樁心1 m處該規(guī)律比較明顯,而距樁心較遠(yuǎn)處,靜載力的影響沒有明顯規(guī)律.綜上所述,樁錘靜載力越大,高頻振動(dòng)沉樁對(duì)近場(chǎng)環(huán)境的影響也越大.因此,在能滿足沉樁深度要求的前提下,適當(dāng)降低靜載力有助于減輕沉樁引發(fā)的環(huán)境影響.

2.3.3動(dòng)載力

PTC-32HFV樁錘的最大動(dòng)載力Fv=1 893 kN.分別選取0.2Fv,0.4Fv,0.6Fv,0.8Fv, 1.0Fv作為高頻振動(dòng)樁錘的動(dòng)載力,其他模型參數(shù)保持不變,分析沉樁深度為10 m時(shí)動(dòng)載力與高頻振動(dòng)沉樁引發(fā)的環(huán)境影響的相關(guān)性,結(jié)果如圖13～16所示.從圖13和15中可以發(fā)現(xiàn),樁錘的動(dòng)載力與兩項(xiàng)環(huán)境影響評(píng)估指標(biāo)(地面PPV和地面豎向位移)之間的相關(guān)性都不是很明確.從圖14和16中也可以發(fā)現(xiàn),隨著樁錘動(dòng)載力的增大,地面PPV和地面豎向位移在數(shù)值上基本相近.因此,改變樁錘動(dòng)載力對(duì)改善高頻振動(dòng)沉樁對(duì)周邊環(huán)境影響的作用不大.

2.4樁體參數(shù)影響分析

本工作主要針對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC管樁)進(jìn)行沉樁施工影響的研究.樁體參數(shù)主要為樁體直徑和樁體入土長(zhǎng)度.由于沉樁過程中樁體逐步壓入土中,樁體入土長(zhǎng)度與沉樁施工引發(fā)的環(huán)境影響的相關(guān)性已經(jīng)體現(xiàn),故不再對(duì)此進(jìn)行參數(shù)分析,而只考慮樁體直徑.

圖13　不同動(dòng)載力下地面PPV的對(duì)比Fig.13　Ground PPV contrast under different centrifugal forces

圖14　近場(chǎng)處地面PPV與樁錘動(dòng)載力的關(guān)系Fig.14　RelationshipsbetweengroundPPV and centrifugal force at near field

圖15　不同動(dòng)載力下地面豎向位移的對(duì)比Fig.15　Vertical ground displacement contrast under different centrifugal forces

圖16　近場(chǎng)處地面豎向位移與樁錘動(dòng)載力的關(guān)系Fig.16　Relationships between vertical ground displacement and centrifugal force at near field

參照標(biāo)準(zhǔn)圖集10G409中PHC管樁的尺寸規(guī)格,分別選取樁徑為300,400,500,600, 700 mm的PHC管樁進(jìn)行分析,其他參數(shù)保持不變,結(jié)果如圖17～20所示.從圖17和18可以發(fā)現(xiàn),地面PPV隨不同樁徑的變化沒有明顯規(guī)律,在距樁心1 m處,樁徑為600 mm時(shí)產(chǎn)生的地面PPV最小,而在距樁心3 m處,不同樁徑的地面PPV卻基本相同.從圖19和20中可以發(fā)現(xiàn),改變樁徑大小對(duì)周邊地面的豎向位移影響較大,隨著PHC管樁樁徑的增大,沉樁施工引起的地面豎向位移也越大.在距樁心1 m處,樁徑為700 mm時(shí)產(chǎn)生的地面豎向位移是樁徑為300 mm時(shí)的6倍左右,地面豎向位移增加明顯.因此在滿足承載力要求的基礎(chǔ)上,可通過減小樁徑來減小地面的豎向位移.

2.5土體參數(shù)影響分析

已有研究表明,振動(dòng)沉樁施工引發(fā)的環(huán)境影響與施工現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件密切相關(guān),不同場(chǎng)地條件下的沉樁影響評(píng)估指標(biāo)相差較大.現(xiàn)保持樁錘、樁體和土體尺寸等模型參數(shù)不變,將分層建立的土體改為單一均質(zhì)的土體,土體參數(shù)分別按照表2中的6種典型土質(zhì)[15]設(shè)定,沉樁深度保持為10 m,分析不同土質(zhì)條件下沉樁施工所產(chǎn)生的環(huán)境影響,結(jié)果如圖21和22所示.

圖17　不同樁徑下地面PPV的對(duì)比Fig.17　Ground PPV contrast under different diameters of the pile

圖18　近場(chǎng)處地面PPV與樁徑的關(guān)系Fig.18　RelationshipsbetweengroundPPV and diameters of the pile at near field

圖19　不同樁徑下地面豎向位移的對(duì)比Fig.19　Vertical ground displacement contrast under different diameters of the pile

圖20　近場(chǎng)處地面豎向位移與樁徑的關(guān)系Fig.20　Relationships between vertical ground displacement and diameters of the pile at near field

表2　土體參數(shù)[15]Table 2　Soil parameters[15]

從圖21和22中可以發(fā)現(xiàn),不同土質(zhì)條件下高頻振動(dòng)沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境影響的趨勢(shì)基本相同,即隨樁心距的增大,地面PPV和地面豎向位移迅速減小.進(jìn)一步分析表3中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在施工近場(chǎng)處,較硬砂土地質(zhì)條件下高頻振動(dòng)沉樁施工影響比軟弱黏土地質(zhì)條件下更大,其中在距樁心1 m處,粗砂場(chǎng)地上沉樁產(chǎn)生的地面PPV是黏土的2倍左右,地面豎向位移則為6倍左右.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),在砂土地質(zhì)條件下,地面豎向位移減小的速度較快,從距樁心1 m處至樁心3 m處,地面豎向位移減小90%以上.另外,對(duì)于淤泥質(zhì)黏土,沉樁產(chǎn)生的環(huán)境影響也較大,尤其是地面豎向位移較大,約為粉質(zhì)黏土和普通黏土的2倍.

圖21　不同土質(zhì)條件下地面PPV的對(duì)比Fig.21　Ground PPV contrast under different soil conditions

圖22　不同土質(zhì)條件下地面豎向位移的對(duì)比Fig.22　Vertical ground displacement contrast under different soil conditions

表3　土體條件對(duì)周邊環(huán)境影響作用的對(duì)比Table 3　Comparative effects of soil conditions on the surrounding environment

3　結(jié)論

本工作根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件、常用的高頻振動(dòng)樁錘參數(shù)和PHC管樁規(guī)格參數(shù)建立三維有限元模型,再現(xiàn)了高頻振動(dòng)沉樁的全過程,并在此基礎(chǔ)上以質(zhì)點(diǎn)豎向峰值振動(dòng)速度和地面豎向位移作為評(píng)估高頻振動(dòng)沉樁對(duì)周邊環(huán)境影響的指標(biāo),系統(tǒng)地研究了樁錘、樁體和土體參數(shù)與高頻振動(dòng)沉樁在沉樁深度為10 m時(shí)引發(fā)的環(huán)境影響間的相關(guān)性.

(1)通過樁錘參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),激振頻率和靜載力與高頻振動(dòng)沉樁引發(fā)的環(huán)境影響具有明顯的相關(guān)性.激振頻率越高,沉樁對(duì)環(huán)境影響越小；靜載力越大,沉樁對(duì)環(huán)境影響越大.樁錘的動(dòng)載力與環(huán)境影響評(píng)估指標(biāo)間的相關(guān)性不是很明確.

(2)樁體參數(shù)分析主要針對(duì)樁徑尺寸進(jìn)行研究.參數(shù)分析結(jié)果表明：樁徑尺寸與高頻振動(dòng)沉樁引起的地面振動(dòng)相關(guān)性不大,而與地面位移響應(yīng)的相關(guān)性較大,即樁徑越大,沉樁施工引起的地面豎向位移越大.

(3)土體參數(shù)與高頻振動(dòng)沉樁施工引起的環(huán)境影響的相關(guān)性較大.在近場(chǎng)處,砂質(zhì)土場(chǎng)地比黏土場(chǎng)地更易受振動(dòng)沉樁的影響,且土質(zhì)越硬,沉樁產(chǎn)生的環(huán)境影響越嚴(yán)重.另外,在軟弱的淤泥質(zhì)黏土場(chǎng)地,沉樁產(chǎn)生的環(huán)境影響也較大.

綜上所述,在滿足沉樁深度和承載力要求的前提下,可以通過適當(dāng)提高樁錘的激振頻率、降低樁錘的靜載力以及減小樁徑等工程技術(shù)措施來降低高頻振動(dòng)沉樁對(duì)周邊環(huán)境的影響.同時(shí),研究結(jié)果表明在軟硬適中的黏土地質(zhì)條件下采用高頻振動(dòng)沉樁時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境影響較小,因而該地質(zhì)條件適宜應(yīng)用高頻振動(dòng)沉樁技術(shù).

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Surrounding environment impacts caused by high-frequency vibration pile-driving

ZHANG Zhimei1,HUANG Haitao1,ZHANG Jihong2
(1.Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China；
2.Shanghai Geo-Anchor Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China)

Considering a vibrating pile hammer,a pile and the soil conditions,the mechanism of influences of high frequency vibration pile construction on surrounding environment were analyzed.A three-dimensional finite element model of vibratory piling was established to reproduce the pile-driving process.Having confirmed validity of the model, variable parameters were investigated.The study showed that influences on the surrounding environment decrease with the frequency of pile hammer,and increase with static load of pile hammer and pile diameter.A sandy soil field was more easily affected by vibratory pile driving as compared to a clay soil field.Moreover,the harder the soil,the more serious environmental impact would be.To reduce the effects of pile construction,measures should be taken based on the analysis.

high-frequency vibration pile-driving；environment impact；finite element；parametric analysis

TU 472

A

1007-2861(2016)05-0680-11

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.001

2015-04-01

上海市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(1305H165500)

張智梅(1972—),女,副教授,博士,研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)抗震和加固. E-mail:zhangzhimei@staff.shu.edu.cn