钢管桩振动沉桩动力响应分析

时林丰，谢建斌，王卓蕾，孙孝海，赵一锦

（云南大学建筑与规划学院，云南 昆明 650500）

0 引言

振动沉桩是在桩顶安装振动桩锤，利用振动桩锤产生的激振力使桩产生振动而沉入土中，这种施工方法具有贯入力强、沉桩效率高、沉桩质量好、沉桩过程对桩头损坏小、噪音低、操作简单等突出优点。

20世纪30年代起，国内外众多学者对振动沉桩过程进行了相应研究。O′Neil研究沉桩引起的超静孔隙水压力的产生，认为降低有效应力有利于沉桩[1]。Viking通过大量现场足尺试验，对钢板桩在非黏性土中利用振动法的可打入性情况进行研究[2]。Piet Meijers对振动沉钢板桩时的地表沉降进行了深入的研究[3]。陈岱杰通过小型模型试验研究模拟桩体贯入深度随激振频率（20～80 Hz）的变化规律[4]。陈福全研究了国内外振动打桩锤贯入土体的原理模型、假设条件和判定方法[5]。李小彭等人借助ANSYS、AMESim软件，建立桩-土系统有限元模型，研究了激振力幅值、频率以及土的刚度和阻尼对沉桩速度和沉桩量的影响和激振力频率和土质条件对桩-土系统的振动摩擦特性的影响[6-7]。张智梅等人利用有限元软件ABAQUS对沉桩全过程进行数值模拟，从振动桩锤、桩体和土层情况3个方面入手，系统分析了振动沉桩施工对周边环境影响的作用机理[8-9]。

本文针对云南省昆明市昆纺原址改造项目钢管桩液压振动沉桩工程实例，利用Midas GTSNX软件建立三维动力有限元模型，开展钢管桩液压振动沉桩动力响应分析。

1 工程概况

云南省昆明市昆纺原址改造项目深基坑位于昆明市盘龙区白龙路西端与白塔路交叉路口西南侧原昆明纺织厂东区、星耀大厦以西约30 m处。该基坑场地土层自地表向下依次为杂填土①、粉质黏土②1、圆砾②2、粉砂③1、粉质黏土③2和粉砂③3（表1）。工程勘察同时揭示，该基坑场地地下水为第四系松散层孔隙潜水及基岩岩溶水，基坑开挖范围涉及的含水层主要为②2圆砾、③1粉砂和③3粉砂层，但含水量总体较小；另外，基坑开挖范围内各含水层间分布有相对隔水的粉质黏土②1和粉质黏土③2，各土层的水力联系较差。因此，整体深基坑开挖深度范围内，地下水相对较少。

表1 土体参数Table1 Parameters of soil

本工程的基坑侧壁为层状结构的土质地基模型，自稳性差，基坑侧壁破坏模式以变形滑移或剪出破坏为主，局部存在坍塌危害。为确保周边环境、基坑开挖和基础施工的安全，基坑支护选排桩+锚索+挂网喷混凝土联合支护方式，支护桩采用可回收钢管桩，型号为Q235φ830×12，桩长18 m，钢管桩采用ICE液压振动锤施工。

2 建立钢管桩振动沉桩三维有限元模型

2.1 基坑土层物理力学性能指标

在昆纺二号场地基坑开挖支护施工前，开展了基坑场地补充勘察，并取场地土样，配合标准贯入试验、重型动力触探试验、地震波速测试、地微振观测进行工程场地内土体物理力学特性试验研究。土体物理力学性能指标见表1，同时本工程采用的Q235钢管桩重度为78 kN/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28。

2.2 加载模型

桩位于模型中央，采用Q235φ830×12的钢管桩，桩长L=18 m，振动沉桩模型所施加于桩顶的打桩力为：

式中：F0为静载力；Fv为激振力；Fc为离心力；ω为角频率；t为振动时间；φ0为初始相位角。本工程采用ICE液压振动锤进行施工，该情况下F0=85.5 kN；Fc=1 250 kN；ω=157 rad/s；f=25 Hz；φ0=0。故式（1）可表示为：

模型边界采用黏弹性吸收边界，土体采用六面体实体单元，网格划分采用播种线尺寸控制，钢管桩竖直以下方向土体采用局部加密划分。三维整体有限元计算模型边界尺寸范围为：24 m×24 m×36 m。模型底部为固定约束，四周边界采用黏弹性边界，桩土之间采用界面单元模拟，建立三维地层-结构动力相互作用模型。网格划分后的模型如图1所示，模型共有79 098个单元，46 610个节点。

图1 三维有限元整体模型Fig.1 Three dimensional finite element integral module

3 动力沉桩过程模拟及结果分析

3.1 振动沉桩过程模拟

为保证本模型建立过程的合理性，分别模拟钢管桩5种不同入土深度的工况，工况1的预埋深度为-0.20 m，工况2的预埋深度为-3.00 m，工况3的预埋深度为-4.90 m，工况4的预埋深度为-8.50 m，工况5的预埋深度为-15.50 m。在桩顶施加激振力模拟沉桩过程中，作用时间为10 s（即250个循环周期）。

3.2 振动沉桩位移场分析

5种不同工况下钢管桩沉桩位移时程曲线整理如图2所示。

图2 各工况下钢管桩沉桩位移时程曲线Fig.2 Time history curve of displacement of steel pipe pile sinking under working conditions

由图2可知，随着贯入深度增加，振动沉桩位移随着减少，钢管桩沉桩位移的减少主要是受桩端阻力和桩动侧摩阻力的影响。随着贯入深度的增加，钢管桩桩端土体逐渐被剪切压密，从而导致桩端阻力逐渐增加，且随着桩土接触面积的增加，桩土之间动侧摩阻力也逐渐增加，因而使得工况1、工况2、工况3、工况4、工况5的钢管桩在10 s激振力作用下沉桩位移逐渐减少。

5种工况钢管桩下地表竖向位移沉降值随着钢管桩管壁距离的变化曲线整理如图3所示。

图3 各工况下地表竖向沉降位移Fig.3 The vertical settlement displacement of the surface under working conditions

由图3可知，在工况1位置进行振动沉桩时，土体扰动范围主要发生在距离钢管桩管壁2 m范围内，随着与钢管桩管壁距离的增大，地表沉降位移值逐渐减少，在接近土体边界处地表竖向沉降值减少至0；其他几种工况与工况1的规律大致相同，总体趋势为随着与钢管桩管壁距离的增大而逐渐减少。但随着钢管桩入土深度的增加，振动沉桩所引起的土层地表竖向沉降范围将增加。

3.3 振动沉桩速度场分析

通过数值模拟分析结果可知，在钢管桩沉桩开始阶段，桩周土体相对松散，钢管桩桩端沉桩速度相对较大，随着时间推移，钢管桩桩端土体逐渐被剪切压密，钢管桩桩端阻力及桩测动摩阻力逐渐增大，从而导致钢管桩沉桩速度逐渐减小，故随着贯入深度的增大，钢管桩越来越难以贯入。

不同工况下钢管桩桩周地表土体竖向速度随着距钢管桩管壁距离的变化曲线整理如图4所示。

图4 各工况下地表竖向速度Fig.4 Vertical surface velocity under working conditions

由图4可知，随着贯入深度的增加，振动沉桩引起的桩周地表土体竖向速度增加，随着距钢管桩管壁距离的增大，土体竖向速度逐渐递小。

3.4 振动沉桩加速度响应分析

通过数值模拟分析结果可知，钢管桩沉桩初期，钢管桩桩端加速度大小关系为：工况5＞工况4＞工况3＞工况2＞工况1，随着振动锤的持续作用各工况的钢管桩桩端加速度持续放大，此时桩端加速度的大小关系为：工况5＜工况4＜工况3＜工况2＜工况1。这是由于贯入深度的增加导致动摩阻力的增大，能量消耗逐渐增大，故在一定时间内初始埋深小的钢管桩桩端加速度值越大。

5种不同工况下地表土体竖向加速度值随着钢管桩管壁距离的变化曲线整理如图5所示。

图5 各工况下地表竖向加速度Fig.5 Vertical surface acceleration under working conditions

由图5可知，沉桩预埋深度较浅时，随着沉桩的贯入所引起周围的土体加速度随之降低。当沉桩预埋深度较大时，埋深大的引起土体扰动初期大些，而后随着沉桩的深入所引起周围的土体加速度随之降低。

4 结语

基于昆明市昆纺原址改造项目钢管桩液压振动沉桩工程实例，采用Midas GTSNX建立三维动力有限元模型。通过建立钢管桩预埋深度的5种不同工况，对比研究了钢管桩在不同入土深度时钢管桩和桩周土体的位移场、速度场、加速度场分布情况，结果表明：

1）在钢管桩振动沉桩过程中，随着桩贯入土层深度的增加，钢管桩桩端阻力和动侧摩阻力值随之增加，导致钢管桩沉桩位移逐渐减少。

2）钢管桩贯入土体过程中会引起桩周地表土体轻微振动。随着桩入土深度的增加，桩周地表土层竖向扰动范围逐渐增大，但桩周地表土体扰动大小均随着距钢管桩距离的增大而降低。

3）各工况在振动沉桩过程中，随着贯入深度的增加，钢管桩桩端阻力和动侧摩阻力值随之增加，钢管桩桩端速度逐渐减小，且在沉桩过程中，各工况桩钢管桩端速度大小的关系为：工况5＜工况4＜工况3＜工况2＜工况1；随着钢管桩贯入深度的增大，沉桩引起的桩周地表土体竖向速度也随之增加。

4）在振动沉桩初始阶段，钢管桩桩端加速度大小的关系为：工况5＞工况4＞工况3＞工况2＞工况1，随着时间的推移，振动锤给予振动沉桩系统的能量逐渐增大，从而引起钢管桩桩端竖向加速度逐渐放大，在10 s时，钢管桩桩端加速度大小的关系变化为：工况5＜工况4＜工况3＜工况2＜工况1。