振动锤环境振动减振方案的数值模拟与现场测试

朱福民,杨鹏飞,万沈文,顾银梅,曹荣夏(.上海海事大学 物流工程学院,上海 0306; .上海振中机械制造有限公司,上海 0306)

振动锤环境振动减振方案的数值模拟与现场测试

朱福民1,杨鹏飞1,万沈文1,顾银梅1,曹荣夏2
(1.上海海事大学 物流工程学院,上海 201306; 2.上海振中机械制造有限公司,上海 201306)

振动锤打桩时引起的环境振动有可能偏大,在城市区域施工时有时会干扰人们正常的生活.鉴于此,提出了一种套筒减振方法,套筒将桩与土体浅层隔开,使桩在地下才与土体接触让其振动从地下开始传播,充分利用土体的几何阻尼效应和材料阻尼效应来减小地面环境振动.通过有限元软件分析了无套筒和有套筒两种情况地面的Z振动级.利用环境振动分析仪对不同工况下振动现场的多个位置进行了振动响应的实测和记录.对比数值模拟和现场实测的数据,可以发现套筒减振方法具有良好的减振效果.

振动锤; 减振; 套筒; 有限元分析; 现场实测

振动桩锤是随着振动机械的发展而发展起来的,通过偏心回转激振器产生纵向振动,利用振动降低桩上摩擦力和桩端阻力,使桩能轻松沉入地基中[1].振动桩锤凭借其沉桩效率高、对桩损害小、调速方便、体积小、质量轻、造价低等优点,一直受到施工单位的欢迎.但在城市区域施工时会产生环境振动和噪声.环境振动一般不会对人体造成直接的伤害,但它会干扰人们的正常生活,使人们感到极度不适和心烦,甚至还会影响到人们的睡眠和休息[2].为了防止或限制振动带来的影响与危害,现代工程中主要采用了以下几种减振措施[3]:① 减弱或消除振源;② 在施工过程中改变施工频率控制共振;③ 隔断振动波传递路径如隔振沟等.其中隔振沟是现在主要使用的减振方法,隔振沟的效果与振源至沟中心的距离、沟长、沟宽及沟内填充物的性质有关[2].隔振沟的长度可以用Woods[4]提出的计算公式来取值,沟的位置和深度等应按实际测试情况决定.但在施工区域设置隔振沟需要耗费大量的时间和人工,同时也受到场地等因素影响.本文针对振动锤提出一种套筒减振法可以快速建立隔振屏蔽,展开了基于Z振级测试方法的研究,从理论模型和现场实测两方面进行说明验证.

1 减振方案及振动衰减机理分析

1.1减振方案分析

套筒减振方法是在打桩前先在打桩点预埋一个内径大于桩径的圆形套筒,然后在套筒的中心垂直打入桩管,如图1所示.此方案的优点在于利用套筒将桩与土体浅层隔离,避免了打桩时桩管直接与地面接触,而是让桩在套管以下才与土体接触,这样其产生的振动便从地下开始传播,并且利用土体的几何阻尼效应和材料阻尼效应来减小地面环境振动.

图1 减振方案示意图Fig.1 Layout of vibration reduction method

1.2振动衰减机理分析

多项研究表明，弹性半空间表面在竖向谐和振动的圆型基础作用下,近场体波在表面的振幅与瑞利波相当,3种波的叠加产生特有的干涉波,干涉波的波长由频率和泊松比控制;一般情况下,瑞利波竖向位移分量随距离的衰减较水平分量的衰减快,体波的水平分量较竖向分量衰减慢[5].

体波的位移振动在介质内与距离呈r-1关系衰减,在变空间表面内与距离呈r-2关系衰减;瑞利波在半空间表面及内部引起的位移振幅与水平距离呈r-1/2关系,瑞利波在半空间内部引起的位移振幅与深度Z呈指数衰减关系.米勒根据一般功率计算法,得出了竖向谐和激励下由振源向外辐射的总功率为[6]

W=Wp+Ws+WR=

(1)

式中:Wp为纵波功率,kW;Ws为横波功率,kW;WR为瑞波功率,kW;Q为简谐力振幅,m;ρ为弹性半空间介质的密度,kg/m3;ω为圆频率,rad/s;Vp为纵波波速,m/s.式(1)中的0.333,1.246,3.257分别表示3种弹性波所占输出总能量的百分比,分别为:纵波占6.9%,横波占25.8%,瑞利波占67.0%.

为了方便工程应用,Bornitz[7]提出将几何阻尼效应和材料阻尼效应结合并加入土的实测参数的实用计算方法,即

(2)

式中:r1为距振源已知振幅点的距离,m;A1为距振源r1处R波竖向分量的振幅,m;r为距振源未知振幅点的距离,m;A为距振源r处R波竖向分量的振幅,m;α为土的材料阻尼性质的衰减系数.

靠近振源处体波影响大,远场处以面波为主,同时还需考虑一定距离因材料阻尼而引起的衰减,以及波源频率和面积变化等影响,这种情况使用我国《动力机械基础设计规范》(GB 50040—96)[8]中的振动衰减计算公式,即

(3)

式中:Ar为距振动基础中心r处地面上的振动线位移,m;A0为振动基础的振动线位移,m;f0为基础的固定频率,Hz;r0为基础的当量半径;ζ0为无量纲系数;α0为地基能量吸收系数,s/m.式(3)综合考虑了体波和面波产生的振动能量,并能反映频率与振幅衰减的关系.

2 振动锤引起环境振动的数值模拟分析

要想了解土壤受迫振动下的力学和运动响应,可以采用合适的分析工具对其进行仿真.本文采用岩石分析软件Plaxis对打桩时有套管和无套管两种情况进行了数值模拟.

2.1几何模型

为了能使数值模拟的情况尽可能地与实际测试情况相似,故几何模型中设置桩管长度L=10 m,直径d=700 mm×16 mm,套筒长度l=3 m,套筒直径尺寸D=1.4 m,壁厚δ=10 mm,打入土体深度为2.5 m,如图2所示.同时对建模和计算采用以下基本假定:① 桩与套管按轴对称问题进行建模分析;② 桩与套管有一定预埋深度,假设套管内土体与地表面齐平.

图2 几何模型图Fig.2 Geometric model diagram

Plaxis的网格生成是基于稳定的三角分割程序,形成非结构化网格.本模型尺寸为50 m×22.5 m,采用15节点三角形单元,全局疏密度设为细.此模型中共有393个单元,节点数3 279,应力点个数4 723,单位大小为1.97 m.图3为有限元网格划分图.

图3 有限元网格划分图(m)Fig.3 Finite element model

2.2材料特性

土体采用硬化土(Hardening Soil,HS)模型,HS模型是一个可以模拟包括软土和硬土的不同类型的土体行为的先进模型,在主偏量加载下,土体刚度下降,同时产生了不可逆的塑性应变[9].

土体硬化的思想源于三轴加载下竖向应变ε1和偏应力q之间的双曲线关系,其公式为

(4)

式中:qa为抗剪强度的近似值;qf为极限偏应力;Rf为破坏比;E50为主加载下与围压相关的刚度模量.

刚度模量E50公式如下:

(5)

极限偏应力qf公式如下:

(6)

土体简化为均匀的单层土,桩和套管采用线弹性模型,并考虑非多孔性.土体、桩和套管的参数分别如表1所示.

表1 土体、桩和套管参数表Tab.1 The parameters of soil,pile and sleeve

2.2边界条件及初始条件

有限元模型的两边采用约束水平方向,水平方向为0,固定模型的底部边界.由于振动锤打桩是动力学问题,须采用特殊的边界条件以防止波的反射而影响计算结构,因此采用了吸收边界.考虑地下水存在条件下的振动沉桩的响应,地下水位简单假设在地表面处[11].

2.3动力计算

本次测试的振动桩锤是上海振中机械制造有限公司的EP400偏心力矩无级可调电驱振动锤,主要性能参数如表2所示.

表2 EP400振动锤技术参数Tab.2 EP400 vibratory hammer technical parameter

施加在桩上的载荷由两部分组成:一部分是静定载荷F0,是一个常数;另一部分是正弦变化的激振力Fv.振动锤的力主要来自于振动锤的自身重力和偏心距振动产生的循环力,所以总的打桩力为

F=F0+Fcsin(ωt+φ0)

(7)

式中:F0为振动锤的静载荷力,kN;Fc为最大激振力,kN;ω为圆频率(ω=2πf),rad/s;φ0为初始相位角,°.

由表2知振动锤的静载荷力F0=271.5 kN(未包含夹具质量),最大激振力Fc=1 911 kN,振动频率f=12.67 Hz,初始相位角φ0=0°,周期为T=1/12.67 s.

3 现场实测及环境评价标准

3.1环境振动测试仪器

本次测试采用的仪器为杭州爱华仪器有限公司生产的AWA6256B+环境振动分析仪,适用于环境振动测量,并满足GB/T 10071—1988《环境振动测量方法》标准及JJTG 921—1996《公害噪声振动计》对振动测量仪器的要求.AWA6256B+环境振动分析仪执行的标准为GB/T 23716—2009《人体对振动的响应——测量仪器》,采样频率为750 Hz,统计采样间隔为0.1 s,A/D位数为24位.加速度传感器型号为AWA14400,灵敏度为40 mV/(m·s-2).

图4 现场实测Fig.4 Field measurement

3.2测点布置及选型

以振动桩锤为中心在其周围布置10个测点.每个测点距离振动桩锤的距离分别是5,10,15,20,25,30,35,40,45,50 m,并保证这10个测点在同一直线上,测点布局如图5所示.将测试仪器放置在平坦的地面上,分别对套管和无套管的两种情况进行测量,由于所测数据随时间不断变化,故取5 s内的平均示数作为评价量.

图5 测点示意图Fig.5 Layout of measuring point

综合考虑多种因素后,现场实测时选取的套筒外径为1 400 mm,内径为1 380 mm,长度为3 m,打入地面深度为2.5 m.桩管为φ700 mm×16 mm,长度为10 m.

3.3测试环境

为了研究振动锤作用下环境振动特性,选择在上海振中机械制造有限公司内的平地上进行测试.该场地平整,土地表面为黏土,测试场地周围无道路交通,测试期间无建筑施工,具备振动锤打桩地面振动传播规律测试的条件.并且在测试前先测量此地的环境振动来确定背景振动,经过多次测量发现,该区域的环境振动主要集中在66～72 dB.

图6 现场振动锤打桩Fig.6 Field vibration hammer piling

3.4环境振动的评价标准

根据我国《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—1988)[12]规定,环境振动采用Z振级(VLZ,dB)进行评价,其计算公式为

VLZ=20lg(a/a0)

(8)

式中:a为振动加速度均方值,m/s2;a0为基准加速度,m/s2,一般a0=10-6m/s2.

(9)

式中:at(t)为实测振动加速度时程,m/s2;T为振动加速度时间,s.

3.5城市区域环境振动标准

现在我国主要根据《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)[13]中的铅垂向Z振级VLZ的标准值来控制城市区域环境振动的污染,其标准如表3所示.

表3 城市区域铅垂向Z振级标准值Tab.3 Standard value of vertical Z in urban area

本次测试的振动桩锤主要工作区域是在商业和居民混合区附近,故以混合区、商业中心的标准作为评价依据.

4 数值计算和实测数据对比

通过Plaxis仿真得到各测点的垂直加速度曲线图,并计算其均方根值得出各测点的加速度值.将实测得到各点加速度的值与计算加速度值进行对比.从图7和图8中可以看出,有套管和无套管两种情况下计算加速度和实测加速度在距离振源20 m内差距较大,在超出20 m后加速度基本吻合.由于在理论分析时把土看成黏弹性体处理,并且数值计算中所设定的土体参数和实际情况有一定差距,靠近振源处土体对加速度的影响因素更明显.

用式(8)对数值模拟的20组振动加速度数据进行计算得到振动锤作用下各测点的VLZ.从图9和图10可以看出，数值计算的Z振动级VLZ和实际测试结果基本吻合,说明了该模型的可行性.但在35 m外模拟和实测的数据有所不同,这是由于实测时存在背景振动所致.

图7 无套管情况模拟和实测加速度图Fig.7 Simulated and measured accelerationwithout sleeve

图8 有套管情况模拟和实测加速度图Fig.8 Simulated and measuredacceleration with sleeve

图9 无套管情况地面振动的VLZFig.9 VLZ of ground vibration without sleeve

图10 有套管情况地面振动的VLZFig.10 VLZ of ground vibration with sleeve

由图11可知,在同一测点处有套管情况的VLZ明显小于无套管情况.在距离振源10 m外有套管情况的环境振动衰减明显.如果措施得当,距离振源20 m处VLZ就有望小于《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—1988)规定的75 dB.

图11 实测无套管和有套管情况下地面振动的VLZFig.11 Measuring ground vibration of VLZwithout sleeve and sleeve

5 结论

振动锤对地面环境振动的影响比较复杂,需要大量的现场测试和理论研究来掌握其规律,本文通过数值计算和现场测试,得出以下结论可供参考:

(1) 数值模拟得到在距离振源20 m内差距较大,在超出20 m后加速度基本吻合,在部分测点存在少量误差.由于在理论分析时把土看成黏弹性体处理,并且数值计算中所设定的土体参数和实际情况有一定差距的,靠近振源处土体对加速度的影响因素更明显.

(2) 套管减振方法对振动锤打桩引起的环境振动有着良好的减振作用,在距离振源10 m外即可看出明显的减振效果.如果措施得当,振动锤引起的环境振动在距离振源20 m外即有望低于国家标准规定的阈值.

(3) 本方法对实际工程的指导工作具有重大意义.但鉴于振动减振涉及因素很多,要想取得最佳的减振效果,还需在多个方面进行进一步的研究,比如套管的结构设计和材料选择、套管打入地下深度的确定以及套管和桩体之间填充材料的选择等.

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Numericalsimulationandfieldtestingofvibrationreductionschemeforenvironmentalvibrationinducedbyvibrationhammer

ZHUFumin1,YANGPengfei1,WANShenwen1,GUYinmei1,CAORongxia2
(1.Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306, China; 2.Shanghai Zhenzhong Machinery Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 201306, China)

Environmental vibration induced by vibration hammer may be too large,the construction stage of vibration hammer sometimes disturbs people’s normal life in the urban region.Sleeve vibration reduction method is proposed.The sleeve separates the pile from subsurface ground to make the pile contact with the deep soil.The vibration in the ground began to spread.Utilizing the geometrical damping effect and the material damping effect of the soil reduce environmental vibration.The Z direction vibration of the non-sleeve and the sleeve were analyzed by the finite element software.The vibration response at multiple locations is measured and recorded by the environment vibration analyzer under different working conditions.Comparison between numerical simulation and field measured data can find the good effect of the sleeve vibration reduction method.

vibratory hammer; vibration reduction; sleeve; finite element analysis; field experiment

TU 435; TU 413

： A

： 1672-5581(2017)03-0189-06

国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ02B06-05)

朱福民(1962—),男,高级工程师,博士.E-mail:2295393335@qq.com