冲击钻孔桩施工对临近建筑影响的数值模拟分析

2020-09-14罗鸿丁艳超周银唐小清

中外公路 2020年4期

罗鸿, 丁艳超, 周银*, 唐小清

(1.云南省公路工程监理咨询有限公司, 云南昆明 650021；2.重庆交通大学土木工程学院)

冲击钻孔施工工法的主要能量源为冲击钻头的重力势能，冲击钻头接触岩层的一瞬间产生强大冲击波，冲击波沿着岩层传播到临近建筑基础，造成临近建筑产生受迫振动。对于老旧建筑，必须对冲击振动影响进行可靠评估，为冲击钻孔施工中实时监测提供数据支撑。利用Midas/GTS丰富的岩层材料本构关系和强大的非线性时程分析功能，可较为真实地模拟冲击过程造成的影响，预判冲击钻孔施工对临近建筑的影响。

1 工程概况

重庆某大桥桥型为(4×60+2×120+40) m的钢筋混凝土连拱桥，修建于1994年(图1)。由于近年来经济快速发展，该桥的交通量远远超过设计承受范围，在大桥各个部位均出现了较为严重的裂缝，承载能力降低，为一座待拆除的危桥。现拟在大桥原址重建一座新桥，新桥的基础工作完成后再拆除老桥。在老桥主跨正下方将进行新桥桩基施工，钻孔施工高度不能满足要求，拟采用冲击钻孔施工工法,新桥桩基距老桥桥墩最短距离为31 m。

图1 某大桥桥型布置图(单位:cm)

2 冲击影响数值模拟

2.1 建模原则

2.1.1 材料处理

根据地勘资料，桥址下方岩层依次为卵石、泥岩、砂岩层，各层的材料特性不同，需要对各层单独划分网格并赋予对应的材料参数。岩土材料本构关系采用德鲁克-普拉格准则，该准则较摩尔-库仑准则能够计入静水压力和主应力的影响，使得材料屈服面与实际更为接近。计算土层主要参数见表1。

表1 土层参数

2.1.2 边界处理

实际的岩层为半无限大，需通过边界条件来缩减有限元模拟区域。在无限大岩层中，冲击波沿四周传播并逐渐衰减为零，当有限元区域边界处理不当时，冲击波会在边界反射产生噪声。模型的侧面及底面采用面弹性支撑，支撑刚度等效于实际岩体刚度，并且赋予较大的阻尼，使得冲击波传递到边界上反射过程中迅速衰减。模型建立区域为主要影响区域并向外延伸50 m，经验证冲击波在传播到边界并反射，反射波振动幅值大幅降低，对计算结果影响较小。

2.1.3 网格缩减处理

由于非线性时程分析的计算量远大于静力分析，根据有限元的计算原理，动力计算时网格的尺寸应小于波长，在波源与受影响的旧桥桥墩之间的岩层，网格尺寸应控制在1 m以内。远离主要冲击波传递最短路径的区域，网格尺寸加大至3 m。由于主要考察旧桥的动力特性，旧桥网格尺寸为2 m，能够较为准确地反映该桥的质量分布和刚度分布。建立有限元模型，该模型共有221 032个实体单元，139 221个节点。

2.2 冲击荷载

冲击钻头与岩层冲击的过程，持续时间短，瞬间释放能量大，冲击荷载较大，由此产生的冲击波传播距离远。而冲击过程异常复杂，冲击过程本身应当进行详细的数值模拟，这将导致模型的计算规模和计算时间极大增加。为简化冲击过程计算，冲击荷载模型采用常用的三角模型(图2)，三角模型计算更为简便且时程荷载分析结果较为稳定。

图2 三角荷载波形图

三角荷载模型的计算表达式为：

F(t)=

(1)

(2)

式中：s为重锤冲程；ρ为重锤密度；g为重力加速度；M为重锤质量；E为岩层的弹性模量；υ为岩层的泊松比。

将表1中不同岩层的特性以及重锤的物理特性代入式(2)中，得到冲击时间，将冲击时间代入式(1)，可得到冲击荷载波函数。其中砂岩层冲击荷载波函数图形见图3。

图3 砂岩层冲击荷载波

3 实测对比分析

在靠近冲击影响区域的桥墩、墩顶、主跨跨中、边跨跨中布置4个测点，测量冲击波对旧桥机构产生的影响，有限元计算模型中同样提取实测对应点的时程曲线。图4为冲击钻头冲击卵石层、泥岩层以及砂岩层的有限元加速度时程曲线。图4表明：边跨跨中加速度峰值较其他部位更大，受冲击振动更为敏感；冲击卵石层对旧桥产生的影响最大，加速度最大峰值达到0.7 m/s2，这是由于冲击产生波主要向四周和冲击方向传播，而桥墩主要埋入在卵石层中，所以随着冲击深度加大，冲击对旧桥产生的影响逐渐减小。

图5为冲击不同岩层时，边跨跨中加速度的计算值与实测对比。

由图5可知：有限元计算值能够很好地描述旧桥受到的冲击影响，两者频率相同，加速度幅值实测较计算更为平滑，且实测加速度绝对幅值较计算值要小，这是由于冲击荷载等效为三角形荷载引起的。