打桩施工振动对周边建筑物影响的三维数值分析

徐 通

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州 510500）

0 引言

国际上将振动、大气污染、恶臭、噪音、水质污染、土壤污染和地基下沉等7 种现象定义为“七大典型公害”。进入21世纪以来，随着社会经济的迅速发展，城市的规模也越来越大，每年有大量的工程项目在城市中兴建。由于城市用地日益紧张，建筑物密度逐渐加大，工程项目的施工往往在已有建筑的周边进行，施工振动对周边建筑的影响问题已逐渐成为人们关注的焦点。

雷学文等人［1-4］通过现场试验研究表明，强夯引起的地面振动的振幅值随着水平距离增大按负幂函数曲线的形式急剧衰减，地面振动幅值随夯击数的增加而逐渐增大；武志明［5］以佛开高速扩建工程九江大桥主墩基础施工振动为背景，对2 座既有九江大桥主桥在扩建九江大桥主墩桩基础施工期间的安全性进行评价，全面评价了九江大桥主墩桩基础施工振动对既有2 座九江大桥主桥的影响程度及范围；许锡昌等人［6］对某在建粮库地基处理工地锤击沉管灌注桩进行了测试，测得临近房屋内最大峰值速度为4.92 mm/s，并结合国内外现有的相关规范，从而判定该项目施工振动的影响在安全范围以内；陈建峰等人［7］采用自主设计的加速度监测系统分析了钢板桩在施工过程中的振动衰减规律及对周边建筑物的影响；唐成［8］基于对桩基施工时附近房建结构的振动速度和振动频率的实测，研究了桩基施工对周围建筑物振动影响。然而，振动监测试验耗时长、成本高，且研究大多针对某一特定的施工场地测定建筑物对施工振动的响应，试验过程中没有考虑场地工程地质条件以及其他各种因素的影响，仅能反映某种地层结构和工程状况对强夯振动的响应。

随着计算机科学的飞速发展和理论水平的提高，在施工振动的研究中，有限元等数值方法得以广泛应用，大大减少了现场监测的成本及耗时。CHEN 等人［9］和WU［10］采用有限元数值模拟方法和模型试验模拟，分析了桩基础沉降对相邻建筑的影响；蒋鹏等人［11］通过建立考虑大变形的强夯冲击碰撞有限元模型，对夯击能量为2 400 kN·m强夯振动特性及其对建筑物的影响、隔振沟效果进行了定量分析。HANAZATO［12］用有限元与薄层法相结合，对打桩引起的地面振动进行了分析。徐通［13］采用三维有限差分方法针对强夯施工振动对周边环境的影响进行了非线性动力分析。

当前对施工振动的数值模拟研究主要采用有限元软件进行模拟，多采用弹性本构模型，用半无限均质弹性体来模拟土层，难以反映实际土层的各向异性和大变形特性，此外当前的研究在考虑施工过程时进行了很大的简化，无法反映实际状况，且对打桩施工振动的数值模拟研究较少。基于此，本文主要针对打桩施工振动对周边建筑的影响，根据场地的实际情况，采用FLAC3D 非线性动力分析模式下的Mohr-Coulomb 模型，建立了中山市某试验场地打桩振动影响的计算模型，并将模型求解结果与实际现场监测数据进行对比。结果表明FLAC3D 非线性数值计算方法在打桩施工振动对周边环境影响的评估中有较好的适用性和准确性。在今后的打桩施工中，可采用FLAC3D 非线性数值计算方法对振动危害进行评价。本文的研究成果可为今后打桩施工振动对周边环境影响的合理评估奠定基础，为打桩施工振害的防治提供参考和借鉴，具有重大的社会意义和实用价值。

1 FLAC3D模型建立

打桩施工振动影响的三维数值分析是一个较为复杂的课题，涉及到锤击荷载的施加，桩土界面的选择及动力边界设置等问题。本节将以中山市某试验场地为例，详细论述基于FLAC3D 的打桩施工振动对周边建筑物影响的数值分析方法。

1.1 模型的建立与网格的划分

根据场地的实际情况，建立了中山市某试验场地打桩振动影响的计算模型，如图1 所示。模型尺寸为60 m×40 m×60 m，共设置了162 976 个网格单元、186 739 个计算节点。为了真实模拟桩周土体对桩身的摩阻力以及桩端土的端阻力，在桩周和桩端均设置接触面单元，共设置了7 920 个接触面单元和4 081 个接触面单元节点，如图2所示。在锤击过程中，接触面单元可模拟桩周土体的滑移和桩端的贯入。

图1 单元网格Fig.1 Cell Gridlines

根据试验场地的勘察资料，将计算模型从地表开始划分为填土层、淤泥层、粉砂层、粉质粘土层和中砂层，土层厚度分别为1 m、31 m、10 m、3 m和15 m。

1.2 土层本构模型和计算参数的选择

本次数值模拟采用FLAC3D 非线性动力分析模式下的Mohr-Coulomb 模型，根据试验场地的勘察报告，选定各土层的计算参数如表1 所示。其中接触面的c、φ值根据对一些工程实例的模拟试验研究取为桩相邻土层的c、φ值的0.5 倍。法向刚度和剪切刚度根据FLAC3D 手册要求取周围“最硬”相邻区域的等效刚度的10倍。

表1 土层计算参数Tab.1 Calculation Parameter of Soil Layer

2 打桩动力荷载的施加及求解

2.1 动力荷载的施加

当前，对柴油锤的模拟计算主要采用三角冲击荷载模拟法，相关研究表明，以三角形荷载简化锤击荷载的冲量误差一般在10%以内。

当桩锤以速度Vh冲击桩顶时，其冲击力为：

式中：e为桩锤的效率系数，表示桩锤工作时往桩身传递的能量占设计能量的比例，随锤型的不同而不同；Et为锤的设计打击能量。

本次数值分析所采用的动力荷载计算参数如下：锤垫直径为0.4 m，锤垫厚度为0.1 m，锤垫刚度为193.0 MPa，锤重60.787 kN，桩锤效率为0.3，冲击能量为180 kJ，桩径0.4 m，桩弹性模量为38 GPa，波速为4 200 m/s。在FLAC3D中实现的打桩动力荷载曲线如图3所示。

图3 FLAC3D施加的动力荷载曲线Fig.3 Dynamic Load Curve Applied by FLAC3D

2.2 模型求解

为了分析打桩振动在进入不同土层时的地表振速峰值，可通过将桩端设置在不同土层并在桩顶施加动力荷载来模拟，其中桩身和桩侧通过接触面单元来模拟桩土的相对位移，在此次计算中仅考虑桩端进入中砂层的情况。计算流程为：计算模型在自重应力下达到平衡→设置桩单元和接触面单元后平衡→清除场地各单元位移和速度→设置动力边界和动力荷载后进行动力分析。

自重应力平衡后的竖向位移云图如图4 所示，设置桩单元后的X向位移云图如图5 所示，动力荷载施加0.2 s和1.0 s后的场地速度云图如图6所示。

图4 自重应力平衡后的竖向位移云图Fig.4 Vertical Displacement Cloud Diagram after Gravity Stress Balance

图5 打桩平衡后的X向位移云图Fig.5 X-direction Displacement Cloud after Piling Balance

图6 动力荷载施加后的Y向位移云图Fig.6 Y-direction Displacement Cloudafter Dynamic Loading

动力荷载施加1.0 s 后的桩身位移云图如图7 所示，可以看出，桩底位移约为45 mm，这与实测桩尖进入中砂层时的贯入度非常接近。

图7 动力荷载施加1.0 s后的z向位移云图（剖面原点0，0，0，剖面法向量0，1，0）Fig.7 Cloud Map of z-direction Displacement after 1.0 s Dynamic Loading (Origin of Profile 0，0，0，Normal Vector of Profile 0，1，0）

3 数值结果分析

计算场地各点质点振动速度时程曲线如图8 所示，其中曲线6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 分别代表与桩距离5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m 的各质点振动速度时程。可以看出，随着与锤击点距离的增加，各质点振动速度峰值呈指数衰减，在近距离衰减速度最快，在远距离逐渐变缓。

图8 计算场地各质点振动速度时程曲线Fig.8 Calculate the Time History Curve of Vibration Velocity of Each Particle in the Site

距离锤击点5 m 及40 m 处的X、Y、Z向振动速度及合速度如图9所示，由图9可知，无论在近场还是远场，相同质点的三向振动速度均为Z向＞X向＞Y向，且3个方向的振动速度达到峰值的时刻并不相同，三向质点振速的合速度峰值与Z向振动速度峰值非常接近。因此，在对建筑物进行振动安全评价时，选取Z向振动速度作为振动速度峰值也是合理的。

图9 质点X、Y、Z向振动速度及合速度Fig.9 X，Y，Z Direction Vibration Velocity and Combined Velocity

为了验证数值计算结果的准确性，将计算结果与打桩现场监测试验的结果（中山市某试验场地实测数据）进行对比分析，如图10⒜所示。由图10⒜可知，实测和计算的Z向振动速度随距离衰减曲线吻合较好，但Y向、X向速度则存在一定的差异。

实测和计算的三向合速度峰值随距离的衰减曲线如图10⒝所示。由图10⒝可知，FLAC3D 数值模拟方法与现场测试结果总体上具有很好的一致性，虽然Y向、X向速度则存在一定的差异，但Z向速度及合速度吻合较好。

图10 现场实测与数值计算结果的对比分析Fig.10 Comparative Analysis of Field Measurement and numerical Calculation Results

4 结论

本文以中山市某试验场地为例，详细论述基于FLAC3D的打桩施工振动对周边建筑物影响的数值分析方法。并通过数模计算结果与现场监测试验的结果进行对比，验证FLAC3D 在打桩施工模拟的准确性及有效性。主要结论如下：

⑴FLAC3D求解结果表明，随着与锤击点距离的增加，各质点振动速度峰值呈指数衰减，在近距离衰减速度最快，在远距离逐渐变缓。

⑵无论在近场还是远场，相同质点的三向振动速度均为Z向＞X向＞Y向，且3个方向的振动速度达到峰值的时刻并不相同，三向质点振速的合速度峰值与Z向振动速度峰值非常接近。因此，在对建筑物进行振动安全评价时，选取Z向振动速度作为振动速度峰值是合理的。

⑶将计算结果与打桩现场监测试验的结果进行对比分析，发现FLAC3D 数值模拟方法与现场测试结果总体上具有很好的一致性。虽然Y向、X向速度则存在一定的差异，但Z向速度及合速度吻合较好。

以上结论证明了FLAC3D 非线性数值计算方法在打桩施工振动对周边环境影响的评估中有较好的适用性和准确性。在打桩施工过程中采用FLAC3D非线性数值计算方法对振动危害进行评价，有利于工程师快速地判别施工振动对周边建筑的影响，为打桩施工振害的防治提供参考和借鉴，具有重大的社会意义和实用价值。