沉桩隔振措施有限元动力分析

冀天竹，凌穆峰，徐 岚

(上海友为工程设计有限公司，上海 200082)

上海市苏州河(嘉定区)堤防专项维修工程施工过程中，某段新建防汛墙后有一取水泵站，与防汛墙距离仅有6m。新建防汛墙设置了钢筋混凝土板桩截断渗流通道，而该取水泵站需保留不可拆除，因此防汛墙施工过程中要保证泵站房屋结构的稳定与安全。经方案比选，若防汛墙前采用拉森钢板桩加固，则可减小打桩振动对泵站房屋造成的损害，又能减少挤土效应，但拉森钢板桩费用较高，维修工程项目经费有限，不宜选用；若采用静压桩法施工来减轻振动影响，静压桩机械较为庞大，而施工进场道路狭窄，设备无法进场作业。因此只能选择预制桩以振动沉桩的方式进行施工。同时，要采取恰当有效的隔振措施，以保证泵站房屋的结构稳定与施工安全。

预制桩有着施工方便、工期短、质量可靠等优点，但其施工时带来的振害影响，往往会对周围临近建筑物造成破坏性的危害。因此需在施工期采取恰当有效的隔振措施，确保泵站房屋的结构稳定与施工安全。

工程中，常用隔振措施有隔振沟、钻孔砂桩、桩屏蔽等。采用有限元软件ABAQUS，模拟振动沉桩的动态施工过程[1]，研究分析不同隔振措施的隔振效果，特别是周围建筑物的变形与位移情况，对研究和预测振动沉桩给临近建筑物造成的伤害有着重要的意义，为类似工程项目提供一定的参考依据。

1 常用隔振措施

打桩产生的振动是一种冲击型振动，产生的振动波向四周幅射，形成振动影响场，沉桩能量通过桩侧面和底端传到地基中[2]。从阻挡和释放应力波的角度出发，常采用以下三种隔振措施来降低振动沉桩对周围建筑物的振动影响。

(1)隔振沟

隔振沟断面一般呈梯形，沟宽应大于60cm；沟深应为地面波波长的1/4，在被保护建筑物基础深度的两倍以上；沟长应大于被保护目标沿道路方向的长度。

(2)钻孔砂桩

在距离打桩点约0.5倍桩长的位置，钻一排直径约700mm、间距为1m的应力释放孔，内部填满砂子用以削弱振动波。

(3)桩屏蔽

桩屏蔽方法可采用单排钢管桩、多排钢管桩、钢板桩对撑等形式，在打桩位置与被保护建筑物之间形成一道隔振墙，吸收和反射振动波能量，削弱振动波的传播[3]。

2 计算原理及方法

采用ABAQUS/Explicit模块，即显式积分格式对振动沉桩过程进行动态模拟。计算采用的力学模型如图1所示，桩锤m以速度Vh冲击桩垫K，桩垫K再把桩锤的能量传递给桩，获得能量后的桩向土中贯入，在贯入过程中桩体受到桩侧和桩端的阻力和阻尼作用[4]。

图1 振动沉桩力学模型

桩锤冲击荷载简化为一个垂直作用在桩顶的均布荷载[5]，荷载大小为随时间变化的谐函数，荷载波形取谐函数的正半波。

分析步类型选择显式动力分析[6]。同时，设置输出每一迭代步的计算结果，用以读取计算结果的时程曲线。

考虑桩-土之间的相互作用，计算模型中桩与土之间设置surface to surface接触，桩侧面与桩底面为主动面，土体与桩的接触面为从动面。

3 计算模型及参数

苏州河(嘉定区)堤防专项维修工程中新建低桩承台结构如图2所示。在原有挡墙岸后，新建C30钢筋混凝土挡墙，新建挡墙底板下布置300mm×300mm×12000mm@1200mm的C30钢筋混凝土方桩，挡墙岸后6m处有一取水泵房，泵房结构为钢筋混凝土材料。

振动沉桩施工机械桩锤重量为3.5t，冲程在1.8～2.2m范围时，可提供的冲击力为3000～4000kN。本文取3000kN作为冲击荷载，即动力荷载的峰值为3000kN，频率为50Hz，作用时间取0.01s。考虑到桩-土系统在受到冲击荷载后，产生的阻尼振动将持续一段时间，将动力计算时间设置为5.0s，以便从计算结果中读取振动衰减过程。

场地在勘察最大深度为25.00m内的土层部分，主要由填土、淤泥质土、粘性土、粉性土等组成。土体本构模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，考虑到振动沉桩持续时间较短，在计算时间内认为土体均为不排水土层。根据已有地质勘察资料，取得该模型的计算参数见表1。

表1 土体模型摩尔-库伦参数

为对比分析不同隔振措施的隔振效果，分别建立无隔振措施、隔振沟、钻孔砂桩、桩屏蔽(钢板桩对撑)这4种工况的计算模型进行模拟计算。

图2 新建低桩承台结构图

4 结果与分析

如图3所示为无隔振措施时，打桩振动一次后的竖向位移分布云图。如图4—6所示分别为采取隔振沟、钻孔砂桩、钢板桩对撑措施时，打桩振动一次后的竖向位移分布云图。

图3 无隔振措施(U3/m)

图4 设置隔振沟(U3/m)

图5 设置钻孔砂桩(U3/m)

图6 设置钢板桩对撑(U3/m)

由分布云图可看出，隔振沟、钻孔砂桩和钢板桩对撑对阻断振动传播都可以起到一定的效果。其中，隔振沟，由于场地大小限制，其开挖面较小、开挖深度较浅，隔振效果并不明显，且隔振沟边坡无约束，存在不稳定的隐患。钻孔砂桩，由于砂的松散与大孔隙特性，其阻尼较大，可有效减弱振动波的传播，并使得地基土沉降变形较为均匀。钢板桩对撑措施，使打桩点与建筑物之间形成一道空气隔墙，钢板桩也可反射部分振动波，隔振效果较好。

取泵房临近打桩点侧墙面上的一点，读取该点竖向位移随时间变化的时程曲线，如图7—10所示分别为这4种工况下U3～T的时程变化曲线。由图可得各工况下，泵房侧墙的最大位移量和最终沉降量见表2。

表2 各工况下泵房侧墙的最大位移量 单位：mm

图7 无隔振措施(U3/m～T/s)

图8 设置隔振沟(U3/m～T/s)

图9 设置钻孔砂桩(U3/m～T/s)

图10 设置钢板桩对撑(U3/m～T/s)

对比在不同隔振措施下泵房墙体的最大竖向位移量，可知采用钻孔砂桩和钢板桩对撑措施的隔振效果最好，而在隔振沟措施下，由于施工场地条件的限制，开挖小断面隔振沟未能起到很好的隔振效果。在实际工程中，苏州河(嘉定区)堤防专项维修工程采用了钢板桩对撑的方法对临近取水泵房进行保护，桩基施工过程中，打桩振动未对泵房造成结构损害，证实了方案的可行性。

5 结论

当振动打桩位置与周围建筑物距离较近时，需采取有效的隔振措施对建筑物加以保护，控制振动影响在允许范围之内。针对不同的工程特性与实际情况，可采用有限元动态模拟计算方法，对不同隔振措施进行科学的分析评估，为减轻振动沉桩给临近建筑物带来的影响提供参考依据，以便及时做出有效的设计方案，保证工程建设安全与顺利施工。