高频振动沉桩施工对周边环境的影响

张智梅,黄海涛,张继红

(1.上海大学土木工程系,上海　200072；

2.上海地固岩土工程有限公司,上海　200092)

高频振动沉桩施工对周边环境的影响

张智梅1,黄海涛1,张继红2

(1.上海大学土木工程系,上海200072；

2.上海地固岩土工程有限公司,上海200092)

从振动桩锤、桩体和土层情况3个方面入手,系统分析了高频振动沉桩施工对周边环境影响的作用机理.首先建立振动沉桩三维有限元模型,实现对沉桩全过程的再现分析；然后验证模型的正确性,并对模型进行变参数分析.研究表明：桩锤激振频率越高,沉桩对环境影响越小；桩锤静载力和桩径越大,沉桩对环境影响越大；砂质土场地比黏土场地更易受振动沉桩影响,且土质越硬,沉桩产生的环境影响越严重.最后,根据参数分析结果提出了减小沉桩施工影响的工程措施.

高频振动沉桩；环境影响；有限元；参数分析

高频振动沉桩技术相较于锤击法沉桩具有土层适应性强、噪音和震感低、施工机动灵活、工效高等优点[1].然而,大量的工程实践表明,在高频振动沉桩施工过程中周边地区经常会发生一定的地面振动和地面竖向位移[2],如果处理不当,将造成周边建筑物开裂、道路损坏、地下管线偏移甚至爆裂等严重后果.这在某种程度上制约了该技术的发展和应用,因此有必要研究高频振动沉桩施工对周边环境影响的作用机理.

近年来,国内外众多学者对高频振动沉桩施工过程及该过程对环境的影响开展了广泛的研究.Masoumi等[3-4]利用有限元和边界元耦合建模,研究了高频振动沉桩引起的自由场振动,并建立了高频振动沉桩施工引起的自由场振动的预测数值模型.Athanasopoulos等[5]通过现场实测得到地面质点峰值振动速度(peak particle velocity,PPV)随桩心距的衰减规律,并给出了振动控制标准.Hwang等[6]通过大规模的沉桩实测,得到了沉桩过程中地面振动速度和地表沉降等地面响应的变化规律.林奇[7]研究了高频振动沉桩过程中振动频率对砂土动力特性的影响.陈福全等[8]对高频振动沉桩引起的地基土中超静孔隙水压力的增长情况进行了分析,并且研究了超静孔隙水压力对桩可打入性的影响.董军锋等[9]论述了沉桩引起的振动特性和沉桩对相邻建筑物的影响形式,并对打桩振动测试的具体方法及影响评价进行了分析.黄延琦[10]在确定了沉桩振动条件下海底管道的振动控制速度和土体侧向位移控制标准的基础上,通过数值模型分析了沉桩振动对海底管道产生的影响.

以上关于高频振动沉桩施工对环境影响的研究大多基于现场实测数据,相关的有限元数值模拟分析将实际工程简化为二维分析模型,并且将土体简化为单一均质土体,与实际工程不相符,因此研究成果具有一定的局限性.另一方面,高频振动沉桩机理涉及桩、桩锤及土层情况等因素,目前对这些因素与沉桩施工引发的环境影响之间相关性的认识十分有限.

为此,本工作借助数值分析工具,对高频振动沉桩引起的环境影响进行系统性的分析研究.首先,建立三维有限元模型,实现对振动沉桩全过程的再现分析,并利用某工程的沉桩振动实测数据验证模型的正确性；然后,从振动桩锤、桩体和土层情况3个方面进行参数分析,研究这些因素与高频振动沉桩施工引发的环境影响之间的相关性；最后,根据参数分析结果提出减小沉桩施工影响的工程措施,为高频振动沉桩的工程实践提供参考.

1　沉桩模型的建立及其验证

1.1有限元建模

本工作主要利用有限元软件ABAQUS对沉桩全过程进行数值模拟.在有限元建模过程中,要注意以下几个方面的问题.

(1)沉桩全过程的实现.

已有研究表明,在使用有限元软件ABAQUS进行沉桩全过程模拟时,如果直接将桩插入完整的土体表面,则桩土接触面附近的土体网格将随桩的下沉而发生严重扭曲,这使得模型计算难以收敛,无法模拟桩体贯入的过程.这是由于ABAQUS中土体单元之间不会自动破坏裂开,桩无法挤开土体单元而达到贯入土体的目的.为此,本工作参考Henke等[11]的研究提出了一种建模方法,实现了使用ABAQUS建立三维有限元模型来模拟沉桩全过程及其环境影响.具体方法如下：在土体中心建立一个半径5 mm的细圆孔,桩下端设置一个半径5 mm的细圆管,桩和下端的圆管采用平滑过渡连接；然后,将桩和下端圆管装配至沉桩初始位置,并将桩下端的圆管和土体圆孔之间设置为光滑硬接触(见图1).本方法使得桩在桩顶作用力下通过预留圆孔将土体挤开,解决了收敛问题并实现了对土体破坏过程的模拟.

(2)有限边界处波反射的处理.

通常,为降低模型的计算量,将无限半空间土体用有限大小的土体模型来模拟,并在土体四周施加相应的边界条件.然而沉桩引起的振动波在传递到有限边界处会发生反射,与实际情况不符.为模拟波在地基土体中传播的无限性,消除边界的波反射问题,本工作对土体采用有限元和无限元耦合建模.桩贯入模型如图1所示,其中土体中央区域采用C3D8R有限单元模拟,四周侧面及底面区域则采用CIN3D8无限单元模拟.

图1　桩贯入模型Fig.1　Model of pile penetration

(3)土层情况的模拟.

以往的研究中,有限元数值模拟分析大多将土体简化为单一均质土体,与实际土质不相符.本工作先将有限元土体部件按照实际土层厚度分割,再按照实际土层参数分层赋予属性,与实际工程的层状土更为相符.

(4)模型网格的划分.

本工作模型中的桩体采用4节点刚性四边形的R3D4单元模拟,单元数为2 920个,节点数为2 960个.由于在沉桩过程中,桩尖挤开土体,桩体和土体之间的接触比较复杂,因此需要细化桩尖处的网格(见图2).

土体的网格划分如图3所示.模型中土体网格的划分以预留细圆孔Z轴为中心,辐射状地向外展开.由于桩土接触处土体变形很大,需要将土体单元细分以有利于计算收敛.但同时网格划分过密,则计算量增加较大,所以网格密度由中心向外逐步扩大,网格宽度由0.33 m逐步扩大为5.00 m.土体在厚度方向上每0.50 m一个网格.土体单元总数为68 000个,节点数为72 720个,单元类型为8节点线性六面体减缩积分单元C3D8R；四周及底面为无限元,单元数为4 680,节点数为9 884个,单元类型为8节点线性六面体无限单元CIN3D8.

图2　桩尖网格细化示意图Fig.2　Schematic diagram of pile tip mesh refinement

图3　土体网格划分示意图Fig.3　Schematic diagram of soil mesh

1.2有限元分析中的基本假定及条件

(1)采用总应力法进行分析计算,只考虑沉桩过程中沉桩对周边环境的振动和位移影响,不考虑沉桩之后的孔压消散和土体固结的影响.

(2)采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟,以解决高度非线性、复杂接触、高速动荷载等问题.

(3)由于桩体刚度远大于土体刚度,且本工作研究重点为土体在沉桩工程中的响应,而非桩体的响应,因此对桩体作适当简化,采用离散刚体模拟.土体采用变形体进行模拟,并考虑为弹塑性材料,其本构采用Mohr-Coulomb弹塑性模型.

(4)考虑桩土接触问题.切向接触：桩土之间采用罚接触,圆管和土体圆孔之间无摩擦.法向接触：两种界面均采用硬接触.

(5)考虑土体的初始地应力的影响.

1.3沉桩数值模型的实例验证

为验证上述建模方法的正确性,对锤击法沉桩的工程实例进行有限元建模.该工程现场的土层地质情况、桩和桩锤参数等详见文献[12].数值模拟时取土的弹性模量E=15 MPa,泊松比v=0.4,密度ρ=1 900 kg/m3.该工程对桩入土深度为12～24 m的过程进行了实测,获得了与桩心水平距离分别为5,10,20,30,40 m处的地表土体峰值振动速度.数值模拟计算的结果与文献[12]中的实测值对比如图4所示.

图4　实测值与模型计算的对比Fig.4　Comparison of measured values and calculated values of model

从图4可以看出,地面土体峰值振动速度的计算值与实测值之间存在一定偏差.产生偏差的主要原因在于：建模时对土体性质和桩土接触作用进行了简化处理,且为保证模型中的桩体能够顺利贯入土体而采用的平滑过渡形式的桩尖与工程实际不完全相符.但总体看来,二者之间的误差均控制在较小的范围之内,具有良好的一致性,这说明利用本工作建立的三维分析模型可以实现对沉桩全过程的模拟.

2　高频振动沉桩环境影响的参数分析

本工作首先建立高频振动沉桩的三维有限元模型,并确定高频振动沉桩对环境影响的评估指标,然后分别从桩锤、桩体以及土体3个方面对振动沉桩施工造成的环境影响进行参数分析,研究这些因素与高频振动沉桩环境影响评估指标之间的相关性,并在此基础上为工程实践提出减小振动沉桩施工影响的相应措施.

2.1计算模型

按照上述方法建模,其中按有限元划分的土体区域为长×宽×高=70 m×70 m×20 m,并按照上海地区某工程的地质勘查报告[13]提供的数据进行土层划分,具体参数如表1所示.

表1　土体参数[13]Table 1　Soil parameters[13]

桩位于模型中央,采用ϕ500δ125的PHC桩,桩长取15 m,采用离散刚体壳模拟,在桩顶定义参考点,在参考点上施加桩体质量、边界条件和桩顶荷载,具体如下：

(1)桩体质量参考我国PHC桩标准图集10G409,取为5.745 t；

(2)为保证桩垂直贯入,限制桩在其他方向的自由度,仅保留竖向的自由度；

(3)施加在桩顶的荷载Fd由静载力F0和动载力Fv两部分组成,其中静载力F0由桩锤和夹具自重构成,动载力Fv由一对反向旋转的偏心质量块产生的正弦形式的竖向合力构成,可由桩锤的偏心力矩Me和角频率ω求得.

为使本工作的桩锤参数分析具有普遍意义,选取PTC-32HFV型高频振动桩锤进行分析,这是因为该桩锤的各项性能指标在高频振动桩锤中具有代表性.该情况下ω=240.6 rad/s, f=38.3 Hz,φ0=0,因此有

2.2环境影响评估指标

高频振动沉桩产生的环境影响主要指：沉桩引起的振动以波的形式在土体中传播扩散,使周围一定范围内土体产生振动,造成附近建(构)筑物发生振动破坏；振动使土体强度降低并产生沉降,加之沉桩过程中桩对周边土体的挤土效应,使周边土体产生不均匀位移,从而引起附近建(构)筑物发生沉降破坏.已有研究表明,建(构)筑物所经受的振动破坏与地面质点竖向峰值振动速度的相关性比加速度等参数更为密切[14],因此地面PPV可作为振动破坏评价指标.地面竖向位移可以用来评估地面土体的隆起或沉降的程度,以此来反映建(构)筑物在振动沉桩过程中因不均匀沉降而发生的破坏.综上所述,高频振动沉桩的环境影响可以通过地面PPV和地面竖向位移两个指标来评估.

2.3桩锤参数

对于高频振动桩锤,可控制变量主要有桩锤的激振频率、静载力和动载力,因此可通过这3个参数研究桩锤与高频振动沉桩造成的环境影响的相关性.

2.3.1激振频率

PTC-32HFV桩锤的最大激振频率为38.3 Hz.选取5.0,10.0,20.0,30.0,38.3 Hz共5组频率参数,分析沉桩深度为10 m时不同频率下振动沉桩施工对环境的影响,结果如图5～8所示.从图中可以发现,地面PPV和地面竖向位移U基本上都是随着振动桩锤激振频率的升高而逐渐降低的,其中地面竖向位移的变化在与桩心距离为1,3 m处最为明显.因此,适当提高振动桩锤的激振频率对减小振动沉桩施工造成的环境影响非常有利.

图5　不同频率下地面PPV的对比Fig.5　Ground PPV contrast under different frequencies

图6　近场处地面PPV与桩锤频率的关系Fig.6　Relationships between PPV and frequency of hammer at near field

图7　不同频率下地面竖向位移的对比Fig.7　Vertical ground displacement contrast under different frequencies

图8　近场处地面竖向位移与桩锤频率的关系Fig.8　Relationships between vertical ground displacement and frequency of hammer at near field

2.3.2静载力

静载力由桩锤和夹具的自重构成,分别设定桩锤静载力为0.2F0,0.4F0,0.6F0,0.8F0, 1.0F0,其中F0=89.15 kN,其他模型参数保持不变.同样将沉桩深度设为10 m,然后分析静载力与高频振动沉桩引发的环境影响的相关性,结果如图9～12所示.

图9　不同静载力下地面PPV的对比Fig.9　Ground PPV contrast under different static surcharge forces

图10　近场处地面PPV与桩锤静载力的关系Fig.10　RelationshipsbetweengroundPPV and static surcharge force at near field

图11　不同静载力下地面竖向位移的对比Fig.11　Vertical ground displacement contrast under different static surcharge forces

图12　近场处地面竖向位移与桩锤静载力的关系Fig.12　Relationships between vertical ground displacement and static surcharge force at near field

从图9和11中可以发现,静载力不同时沉桩施工对环境影响的规律不是非常明显,但随着静载力的增大,地面PPV和地面竖向位移增大,即环境影响越大.从图10和12中可以进一步发现,在距离桩心1 m处该规律比较明显,而距桩心较远处,静载力的影响没有明显规律.综上所述,桩锤静载力越大,高频振动沉桩对近场环境的影响也越大.因此,在能满足沉桩深度要求的前提下,适当降低静载力有助于减轻沉桩引发的环境影响.

2.3.3动载力

PTC-32HFV桩锤的最大动载力Fv=1 893 kN.分别选取0.2Fv,0.4Fv,0.6Fv,0.8Fv, 1.0Fv作为高频振动桩锤的动载力,其他模型参数保持不变,分析沉桩深度为10 m时动载力与高频振动沉桩引发的环境影响的相关性,结果如图13～16所示.从图13和15中可以发现,桩锤的动载力与两项环境影响评估指标(地面PPV和地面竖向位移)之间的相关性都不是很明确.从图14和16中也可以发现,随着桩锤动载力的增大,地面PPV和地面竖向位移在数值上基本相近.因此,改变桩锤动载力对改善高频振动沉桩对周边环境影响的作用不大.

2.4桩体参数影响分析

本工作主要针对预应力高强度混凝土管桩(PHC管桩)进行沉桩施工影响的研究.桩体参数主要为桩体直径和桩体入土长度.由于沉桩过程中桩体逐步压入土中,桩体入土长度与沉桩施工引发的环境影响的相关性已经体现,故不再对此进行参数分析,而只考虑桩体直径.

图13　不同动载力下地面PPV的对比Fig.13　Ground PPV contrast under different centrifugal forces

图14　近场处地面PPV与桩锤动载力的关系Fig.14　RelationshipsbetweengroundPPV and centrifugal force at near field

图15　不同动载力下地面竖向位移的对比Fig.15　Vertical ground displacement contrast under different centrifugal forces

图16　近场处地面竖向位移与桩锤动载力的关系Fig.16　Relationships between vertical ground displacement and centrifugal force at near field

参照标准图集10G409中PHC管桩的尺寸规格,分别选取桩径为300,400,500,600, 700 mm的PHC管桩进行分析,其他参数保持不变,结果如图17～20所示.从图17和18可以发现,地面PPV随不同桩径的变化没有明显规律,在距桩心1 m处,桩径为600 mm时产生的地面PPV最小,而在距桩心3 m处,不同桩径的地面PPV却基本相同.从图19和20中可以发现,改变桩径大小对周边地面的竖向位移影响较大,随着PHC管桩桩径的增大,沉桩施工引起的地面竖向位移也越大.在距桩心1 m处,桩径为700 mm时产生的地面竖向位移是桩径为300 mm时的6倍左右,地面竖向位移增加明显.因此在满足承载力要求的基础上,可通过减小桩径来减小地面的竖向位移.

2.5土体参数影响分析

已有研究表明,振动沉桩施工引发的环境影响与施工现场的场地条件密切相关,不同场地条件下的沉桩影响评估指标相差较大.现保持桩锤、桩体和土体尺寸等模型参数不变,将分层建立的土体改为单一均质的土体,土体参数分别按照表2中的6种典型土质[15]设定,沉桩深度保持为10 m,分析不同土质条件下沉桩施工所产生的环境影响,结果如图21和22所示.

图17　不同桩径下地面PPV的对比Fig.17　Ground PPV contrast under different diameters of the pile

图18　近场处地面PPV与桩径的关系Fig.18　RelationshipsbetweengroundPPV and diameters of the pile at near field

图19　不同桩径下地面竖向位移的对比Fig.19　Vertical ground displacement contrast under different diameters of the pile

图20　近场处地面竖向位移与桩径的关系Fig.20　Relationships between vertical ground displacement and diameters of the pile at near field

表2　土体参数[15]Table 2　Soil parameters[15]

从图21和22中可以发现,不同土质条件下高频振动沉桩施工对周边环境影响的趋势基本相同,即随桩心距的增大,地面PPV和地面竖向位移迅速减小.进一步分析表3中的数值计算结果可以发现：在施工近场处,较硬砂土地质条件下高频振动沉桩施工影响比软弱黏土地质条件下更大,其中在距桩心1 m处,粗砂场地上沉桩产生的地面PPV是黏土的2倍左右,地面竖向位移则为6倍左右.同时可以发现,在砂土地质条件下,地面竖向位移减小的速度较快,从距桩心1 m处至桩心3 m处,地面竖向位移减小90%以上.另外,对于淤泥质黏土,沉桩产生的环境影响也较大,尤其是地面竖向位移较大,约为粉质黏土和普通黏土的2倍.

图21　不同土质条件下地面PPV的对比Fig.21　Ground PPV contrast under different soil conditions

图22　不同土质条件下地面竖向位移的对比Fig.22　Vertical ground displacement contrast under different soil conditions

表3　土体条件对周边环境影响作用的对比Table 3　Comparative effects of soil conditions on the surrounding environment

3　结论

本工作根据实际工程地质条件、常用的高频振动桩锤参数和PHC管桩规格参数建立三维有限元模型,再现了高频振动沉桩的全过程,并在此基础上以质点竖向峰值振动速度和地面竖向位移作为评估高频振动沉桩对周边环境影响的指标,系统地研究了桩锤、桩体和土体参数与高频振动沉桩在沉桩深度为10 m时引发的环境影响间的相关性.

(1)通过桩锤参数分析发现,激振频率和静载力与高频振动沉桩引发的环境影响具有明显的相关性.激振频率越高,沉桩对环境影响越小；静载力越大,沉桩对环境影响越大.桩锤的动载力与环境影响评估指标间的相关性不是很明确.

(2)桩体参数分析主要针对桩径尺寸进行研究.参数分析结果表明：桩径尺寸与高频振动沉桩引起的地面振动相关性不大,而与地面位移响应的相关性较大,即桩径越大,沉桩施工引起的地面竖向位移越大.

(3)土体参数与高频振动沉桩施工引起的环境影响的相关性较大.在近场处,砂质土场地比黏土场地更易受振动沉桩的影响,且土质越硬,沉桩产生的环境影响越严重.另外,在软弱的淤泥质黏土场地,沉桩产生的环境影响也较大.

综上所述,在满足沉桩深度和承载力要求的前提下,可以通过适当提高桩锤的激振频率、降低桩锤的静载力以及减小桩径等工程技术措施来降低高频振动沉桩对周边环境的影响.同时,研究结果表明在软硬适中的黏土地质条件下采用高频振动沉桩时产生的环境影响较小,因而该地质条件适宜应用高频振动沉桩技术.

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本文彩色版可登陆本刊网站查询：http://www.journal.shu.edu.cn

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业技术创新基金资助项目(1305H165500)

张智梅(1972—),女,副教授,博士,研究方向为工程结构抗震和加固. E-mail:zhangzhimei@staff.shu.edu.cn