关于冲孔桩施工的地面振动效应的研究

2018-07-04贾云龙严仁军

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2018年3期

贾云龙徐琳崔进严仁军

(武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室武汉 430063)

0 引言

在道路桥梁的桩基施工过程中，冲击锤的强烈激振力所引发的振动会对周围的建筑、敏感仪器和人员产生不利的影响，为控制打桩振动的影响，除了选用一定的桩锤类型、桩锤质量、落距、击桩频率等参数外，必要时也常在需保护的设施前采用隔振沟处理，以减轻振动的影响[1].

文献[2]研究了既有隧道对打桩振动的动力响应，提出了针对类似工程打桩距离的建议值及施工控制方案.文献[3]利用ABAQUS有限元软件分析了不同夯击方式下的地表土体的振动衰减规律.文献[4]采用阻尼抽取法研究了无限地基法结构动力相互作用并分析打桩对海堤的影响.文献[5]利用LS-DYNA有限元软件对强夯过程中的土体的振动效应进行了数值模拟，并且采用量纲分析方法得到了垂直振动速度与距离和夯锤重量的关系式.文献[6]研究了隔振沟的隔振效果.文献[7]的研究指出，在冲孔桩施工时，岩土介质中冲击振动能量随传播距离的增加呈乘幂关系衰减；随着桩孔深度的增加，同一水平距离的振动速度逐渐降低，其衰减幅度与桩孔一定深度的地质条件有关.

本文采用ABAQUS 6.13有限元软件对冲孔桩施工所引起的近场振动进行了有限元模拟，通过将有限元计算结果与实际测量结果进行比较对该问题的有限元模型进行验证，同时基于实验结果给出最大垂向位移的拟合公式，在此基础上，将不同打桩深度的有限元计算结果和拟合公式的计算结果进行了比较.

1 工程概况

在某桥梁桩基冲孔桩施工时，为确保某车辆段站内连锁设备的安全和铁路信号的正常工作，需要将桥墩施工的振动强度控制在合理的范围内.根据建设场地勘探资料，场地地基土自上而下分布为

1) 素填土黄褐色，稍密～中密，主要成份为黏性土，夹杂建筑垃圾和少量生活垃圾，表层为越30 cm厚混凝土地坪.

2) 粉质黏土黄褐色，可塑，切面光滑，干强度中等，含铁锰质氧化物.

3) 黏土黄褐色、红褐色，硬塑，切面较光滑，干强度中等，含铁锰质氧化物和高龄土团块.

4) 红黏土褐黄色、黄红色，可塑，切面较光滑，干强度中等，局部含夹灰岩碎块.

5) 强风化泥灰岩灰黄色，隐晶质结构，厚层状构造，节理裂隙很发育，岩体破碎，岩芯风化呈碎块夹土状.

6) 中风化泥灰岩灰色，青灰色，局部棕红色，隐晶质结构，厚层状构造，节理裂隙很发育，岩芯较完整.

2 实验测量及数据分析

振动测试采用DH3822便携式数据采集系统采集数据，采用2D001型磁电式加速度传感器进行振动强度的测量.在距振源中心水平距离6，11，16，21，26和31 m地面处分别布置垂向位移传感器，在打桩深度12 m时共测得多组数据.

由于测试环境的多变性，在测量过程中，极易出现不能真实反应振动的数据，因此，本文根据莱茵达(PanTa)准则对测得的数据进行检验.通常，莱茵达准则又叫3σ准则，置信度为99.74%，假设实验数据符合正态分布，如果数据xi满足式(1)，则认为该数据为异常数据，舍去此组数据，反之则为正常数据.

(1)

图1 最大垂向位移的空间分布

图2为测量数据垂向位移分布图，纵坐标反映了各测点的最大垂向位移；横坐标是多组测试数据按时间先后顺序排列的序号，反映了桩锤冲击地面时，各测点的最大垂向位移随时间的变化.

图2 测量数据垂向位移分布

由图3可知，桩锤每次冲击地面时，在地表所产生的最大垂向位移沿距振源振中的水平距离具有相似的趋势，因此，此次测量结果能够反映真实的振动规律.同时，距振源越近的位置，其最大垂向位移对打桩越敏感，即在打桩附近，其最大垂向位移随距振源振中水平距离的增大而急剧减小，而在距振源振中一定水平距离后，其变化趋于平缓，近似呈乘幂关系衰减.

3 拟合公式

文献[5]中基于量纲分析，得到了地面振动最大速度关系：

(2)

式中：ks为常系数;R为距落锤冲击中心的距离;I为落锤冲击地面的冲量.

为得到最大位移的关系式，根据振动的特性，假定位移

A=A0sin(ωt+φ)

(3)

根据式(3)对时间t求导可得位移幅值A0与速度幅值v0的关系

v0=ωA0

(4)

因此，可得位移幅值A0

(5)

式中：ω为振动圆频率，结合本工程所测数据，ks/ω取0.003 3;I取7 500 kg·mm/s.

4 有限元计算

4.1 计算模型

鉴于计算区域的对称性，取深为44 m，半径为40 m的1/4圆柱作为土体的计算模型，使用无限单元CIN3D8来模拟无限边界，同理，夯锤也取1/4，见图3.

图3 土体有限元模型

材料模型的选择是有限元计算中的一个非常重要的环节，因为它直接影响到有限元计算结果的准确性.实际中，土体的应力和应变关通常具有非线性、弹塑性、剪胀性和各向异性等.至今，仍然没有一种模型能够全面地、科学地表示任何加载条件下某类土的主要特性.本计算采用岩土工程中常用的摩尔库伦(Mohr-Coulomb)模型

(6)

(7)

(8)

式中:φ,c分别为内摩擦角和黏聚力.

ABAQUS中的Mohr-Coulomb模型是经典M-C模型的拓展，其屈服函数能够体现土体各向同性硬化或软化特性.由于Mohr-Coulomb模型采用了非关联流动法则，因此，须采用非对称求解器，否则易导致计算不收敛.鉴于夯锤的弹性模量和强度极限远大于土体的，夯锤采用线弹性材料模型.

在桩基施工过程中，振动能量以空间波和表面波两种形式分布.当桩锤在地表面以下时，振动主要以空间波形式分布.由于阻尼的作用，波在介质中传播时，会出现振幅会随着传播距离的增大而逐渐减小的衰减现象，因此，还需要确定土体材料的阻尼参数.实际分析中，要精确地确定阻尼矩阵是相当困难的，因此通常采用Rayleigh阻尼，即假定阻尼矩阵与质量矩阵和刚度矩阵成正比

C=αM+βK

(9)

式中:α为质量阻尼,α取为0.25;β为刚度阻尼，β取为0.5[8].

因为在桩锤冲击处的应力变化非常剧烈，所以桩锤冲击处需要精细的网格.人工截断边界处的单元类型选择无限元网格单元CIN3D8，其余网格类型选择C3D8R，该模型共有29 990个单元，其网格划分情况见图5～6.上表面采用自由表面，下表面采用简支边界，侧平面使用对称边界条件，侧圆柱面使用无限边界元模拟无限边界.ABAQUS中的无限元网格单元，保证了远场处的波对分析区域的影响是微乎其微的.桩锤和土体的接触关系采用General contact模拟.

桩锤冲击载荷的施加有两种方法.①施加力载荷的时程函数；②施加初速度.两种方法的计算精度一样[9].本计算采用赋予桩锤以初速度的方法来模拟夯锤冲击对地面的冲击作用.根据工程实际情况，桩锤质量取为1.75 t，落地速度取为1 m/s.采用考虑大变形的动态隐式分析步进行分析，因为对于动力问题，隐式分析相对于显示分析在较光滑的非线性问题中收敛速度更快，其具有二阶收敛速度.