孔祥雷

(遼寧科技學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院,遼寧 本溪117004)

采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理軟土地基是修建道路的一種重要的軟基礎(chǔ)處理方法[1-3]。在處理軟土基礎(chǔ)的工藝流程中,錘擊法沉樁施工引起周圍地表土層的振動(dòng),是在附近有居民住宅、醫(yī)院及廠房的環(huán)境下不容忽視的一個(gè)安全問題,作者曾對(duì)樁基沖擊成孔產(chǎn)生的振動(dòng)問題進(jìn)行了較詳細(xì)的研究[4],鑒于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁錘擊法沉樁施工[5]的工藝流程、技術(shù)原理等與樁基沖擊成孔[6]均不同,文章基于工程實(shí)際,對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理軟土地基中的錘擊法沉樁產(chǎn)生的振動(dòng)影響問題進(jìn)行初步研究。

1 工程問題

丹東大東港疏港高速公路路基橋涵工程(高速公路主線K11+826-K11+900)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行軟基處理。管樁采用PC-400A95型的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(包含接樁和樁尖),設(shè)計(jì)單樁承載力為680 kN～750 kN,樁長(zhǎng)根據(jù)單樁承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算確定,一般樁端宜穿過軟弱土層進(jìn)入穩(wěn)定持力層至少2 m,對(duì)于樁端為基巖的進(jìn)入強(qiáng)分化層不少于0.5 m,采用錘擊法進(jìn)行沉樁施工,機(jī)械設(shè)備選用筒式柴油打樁機(jī),型號(hào)為JZL-90。管樁施工的順序采用“先中間后周邊”或“一邊推向一邊”,為了降低打樁應(yīng)力,對(duì)于所需的打擊能量,使用重錘低打,每根管樁嚴(yán)格按該項(xiàng)目的《預(yù)應(yīng)力管樁施工方案》進(jìn)行施工。由于軟基處理施工區(qū)域緊鄰居民住宅區(qū),因此,確定打樁施工振動(dòng)對(duì)附近居民住宅建筑物是否產(chǎn)生影響以及影響范圍是該項(xiàng)目施工協(xié)調(diào)中亟須解決的問題。工程施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 工程施工現(xiàn)場(chǎng)情況

2 研究方法

對(duì)于振動(dòng)影響的研究一般可以采用儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法,也可以采用理論分析法或者數(shù)值分析法,對(duì)于丹東大東港疏港高速公路路基橋涵工程(K11+826-K11+900),需處理的軟基礎(chǔ)范圍大,管樁施工數(shù)量多,并且附近居民戶數(shù)也比較多,單純依靠?jī)x器進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)起來難度大、工期長(zhǎng)、成本高,單純采用理論分析方法或者數(shù)值分析法,沒有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐也不能科學(xué)地解決現(xiàn)場(chǎng)工程的實(shí)際問題,因此,文章采用儀器監(jiān)測(cè)和理論分析相結(jié)合的方法,它具備了科學(xué)性、高效性和實(shí)用性,是當(dāng)前施工方和附近居民都樂于接受的科學(xué)解決方法。

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)施工方和附近居民的協(xié)商,確定本次打樁共進(jìn)行4個(gè)樁位的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工,樁位選擇在軟基處理區(qū)邊緣且離附近居民住宅建筑物最近的位置,根據(jù)樁位分布情況以及附近居民住宅建筑物的分布情況,布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(包括機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)),采用線性布點(diǎn)形式,如圖2所示。

圖2 樁位與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面示意圖

監(jiān)測(cè)儀器選用TC-4850型測(cè)振儀,傳感器固設(shè)一般分為理想條件和非理想條件兩大類情況[7],本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在建筑物內(nèi)堅(jiān)固平坦的地面,條件較好,傳感器與測(cè)點(diǎn)采用黃甘油快速耦合,如圖3所示。監(jiān)測(cè)指標(biāo)為住宅建筑物質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與主振頻率。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位測(cè)振儀

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次共對(duì)4個(gè)樁位的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁過程產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),累計(jì)測(cè)得393組有效數(shù)據(jù),其中部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示,部分質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波形圖如圖4所示。

表1 部分振動(dòng)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)

a. X方向振動(dòng)波形

初步分析所監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù),從主振頻率看,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工引起的振動(dòng)頻率較小,多數(shù)在10 Hz以內(nèi),從質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度看,隨著與振源距離的增大振動(dòng)速度逐漸減小。另外,從各個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的質(zhì)點(diǎn)峰值、振動(dòng)速度,可以直接判定當(dāng)次振動(dòng)對(duì)保護(hù)對(duì)象是否產(chǎn)生安全影響。

初步分析所監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)波形,振動(dòng)波形圖較好地反映了高速公路軟基礎(chǔ)工程地質(zhì)的復(fù)雜性以及工程施工的實(shí)際過程,從振動(dòng)波形圖上基本可以得到每一個(gè)樁位、樁管的最大振動(dòng)速度情況、墜垂的沖擊周期、振動(dòng)持續(xù)過程等詳細(xì)信息,這是單憑人員觀測(cè)、感知所達(dá)不到的。

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,在距離振源一定范圍內(nèi)的建筑物均產(chǎn)生了振動(dòng),也能夠確定振動(dòng)對(duì)個(gè)別(測(cè)點(diǎn)處)的建筑物是否產(chǎn)生影響,但卻不能全面地確定振動(dòng)對(duì)所有住宅建筑物的影響,因此,需要進(jìn)一步研究預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工振動(dòng)對(duì)附近住宅建筑物的影響范圍。

4.1 安全標(biāo)準(zhǔn)

建筑物的安全允許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是判定振動(dòng)影響范圍的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50868-2013)中第8章給出了關(guān)于錘擊打樁處理地基對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的容許振動(dòng)值標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合本次實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主頻分布情況,確定本次打樁的容許振動(dòng)值為3.0 mm/s[8]。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

理論分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是研究打樁振動(dòng)在特定的地質(zhì)和施工條件下傳播規(guī)律的又一關(guān)鍵數(shù)據(jù),從所監(jiān)測(cè)的393組數(shù)據(jù)中選取具有較好代表性、完整性的4組數(shù)據(jù),滿足在振源處具有較大的振速、在一定范圍內(nèi)衰減又比較小、能夠體現(xiàn)最大振動(dòng)影響范圍的要求,作為確定振動(dòng)影響范圍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),詳見表2。

表2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

4.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)本次監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以得到這樣的規(guī)律,該預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工產(chǎn)生的振動(dòng)在土層介質(zhì)中的傳播,隨著距離不斷增大,振動(dòng)能量不斷衰減,振動(dòng)速度逐漸減小,即在一定的振源和介質(zhì)條件下,振速和距離是成反比的?？紤]到工程應(yīng)用成熟、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn),以薩式公式(1)為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型。

(1)

其中:v是質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度,單位mm/s;K、α是反映特定地質(zhì)條件、施工條件等的系數(shù),在不同的巖土體進(jìn)行施工K、α值是不同的,定量研究振動(dòng)傳播規(guī)律的關(guān)鍵便是求解K、α;R為振源到測(cè)點(diǎn)的距離,單位m;Q為打樁機(jī)單次擊打樁帽所輸出的最大能量。

由于打樁機(jī)墜錘質(zhì)量、落距、施工及操作方式等在整個(gè)施工期間基本保持不變,令Q=1,建立反映本次預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工振動(dòng)傳播規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為:

(2)

4.4 回歸分析

所建立數(shù)學(xué)模型為非線性問題,為便于分析,將其轉(zhuǎn)化為線性問題,然后利用最小二乘法進(jìn)行回歸分析,對(duì)公式(2)兩邊取對(duì)數(shù),得:

lnv=lnK-α·lnR

(3)

令vi=lnv,a0=lnK,a1=-α,Ri=lnR,則有:

vi=a0+a1·Ri

(4)

將表2中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(v,R)相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為(vi,Ri),轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)見表3。

表3 轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)表

因此,原問題便轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的一元線性問題,對(duì)表3中的數(shù)據(jù)依公式(4)進(jìn)行回歸分析,應(yīng)用最小二乘法[9],取φ0(x)=1,φ1(x)=x,ω(x) ≡1,得:

(φ0,φ0)=4

(φ0,φ1)=(φ1,φ0)=12.85

(φ1,φ1)=43.53

(φ0,f)=4.87

(φ1,f)=13.82

則法方程為:

解得a0=3.82,a1=-0.81,則可以計(jì)算得K=45.6,α=0.81,即表征該區(qū)域巖土及施工特征的參數(shù)為K=45.6,α=0.81。

將K、α代入公式(2),得到反映本次預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工振動(dòng)傳播規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為:

v=45.6R-0.81

(5)

將公式(5)變形得到本次預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工振動(dòng)影響范圍計(jì)算公式為:

R=(45.6/v)1.23

(6)

將容許振動(dòng)值v容=3.0 mm/s代入公式(6),得到R安=28.5 m。

可以初步確定,本次預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工振動(dòng)對(duì)附近住宅建筑物的影響范圍為28.5 m。

5 結(jié)論

文章結(jié)合工程實(shí)踐介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理高速公路軟基礎(chǔ)打樁施工振動(dòng)監(jiān)測(cè)與影響范圍確定的方法,可供類似工程借鑒參考。

(1)通過對(duì)大量的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得到了在特定軟基礎(chǔ)地質(zhì)及預(yù)應(yīng)力混凝土管樁打樁施工條件下振動(dòng)傳播的一般規(guī)律。

(2)通過對(duì)典型振動(dòng)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步回歸分析,得到了振動(dòng)的實(shí)際影響范圍。

(3)通過分析振動(dòng)波形圖,能夠得到比人員觀測(cè)感知更加全面詳細(xì)的振動(dòng)情況信息。

(4)利用儀器監(jiān)測(cè)和理論分析相結(jié)合的方法,便于技術(shù)人員掌握影響范圍,使現(xiàn)場(chǎng)問題能更加科學(xué)、高效地得以解決。

(5)施工單位可以參考本次監(jiān)測(cè)得到的相關(guān)參數(shù)來確定軟基礎(chǔ)處理工程中的振動(dòng)影響范圍以解決相關(guān)問題。