桥梁桩基施工诱发振动对临近建筑物的影响分析

刘小林

（1、华南理工大学 广州 510641；2、珠海大横琴股份有限公司 广东 珠海 519000）

0 前言

随着经济与城市的高速发展，因地域空间受限，城市里常出现将新建建筑选址定在既有建筑附近以提高空间利用率的情况。如今高层建筑或桥梁大多采用冲孔灌注桩［1］的基础形式，这种方式采用冲击式钻机钻头自重上下反复冲击，将土或岩层破碎成孔后注入泥浆，用泥浆循环清孔排渣，然后进行混凝土浇筑，形成混凝土灌注桩。冲击钻孔过程中，钻头对土体的激振通过土体介质向四周传播［2］，引起周围土体的沉降变形，土体振动位移呈上下起伏趋势，将会对临近建筑结构带来持续性的影响，甚至会带来一些墙体裂缝、土体下陷等安全隐患［3-4］。

国内外学者近年来针对桩基施工对临近建筑物的影响做了大量研究。毕博［5］运用Midas GTS NX 软件分析隧道与旧桥桥墩位移变化；叶蓉［6］用应力释放法分析基坑开挖对临近桥梁的影响；SHE 等人［7］进行了桩基施工振动的微震监测试验，并将微震监测系统应用于桥梁桩基施工振动监测；陈华建［2］研究了冲孔灌注桩施工过程中各种因素对邻桩受力变形的影响；谢宏云［8］研究了扩建九江大桥产生的施工振动对周围的两座旧桥的影响；李明波［9］研究了桥梁桩基施工对高铁桥梁变形影响；陈军州［10］通过数值模拟，分析了冲孔施工对临近桥梁墩台的振动影响。唐成等人［11-12］分析了桩基的冲孔施工对临近房屋建筑的振动影响；高晓燕［13］研究了钻孔灌注桩对既有高铁线桥台和桥墩的影响；BENIN 等人［14］运用MIDAS/CIVIL 有限元软件模拟研究了因桩基础施工造成临近建筑物沉降影响；YANG 等人［15］通过三维数值模拟研究了桩基础施工对既有隧道的影响。

本文根据某工程项目的设计文件与地质资料，分析新建桥梁的桩基施工与临近建筑物的空间位置关系，通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA 进行桥梁桩基施工过程对既有建筑物的影响进行分析，确保既有建筑物的安全。

1 工程概况

既有建筑物为一栋3 层建筑楼房，现拟在该建筑物附近新建一座桥梁，桥梁采用冲孔灌注桩基础。桥址区的地层工程性质较好，桩端置于稳定、完整的中风化地层中。新建桥梁桩基与既有建筑物净距最小约2.5 m，如图1所示。

图1 土层-建筑物耦合三维数值模型Fig.1 Solid-building FEM Model

2 有限元模型与关键工况

新建桩基施工过程会对既有建筑物结构的应力分布与工作状态产生影响，运用ANSYS有限元软件建立三维数值模型；然后针对桥梁桩基施工加载过程中临近既有建筑物结构变形应力重分布情况进行分析。具体分析流程为：①模型边界确定；②计算模型的建立；③材料参数的取值；④边界条件施加；⑤荷载施加；⑥关键计算工况设定。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 模型边界确定

根据有限元原理和相关经验，施工振动影响范围一般为10 倍桩径范围内［16］。因此，模型的边界取值为水平方向30 m，竖向取值40 m。

2.1.2 土体与建筑物耦合的有限元模型

建立土体与建筑物耦合的三维有限元模型，如图1所示。在计算模型范围内分布的地层主要有素填土层和粉质粘土层；新建桥梁桩基础采用实体SOLID164单元模拟，桩、土单元采用接触方式模拟桩土作用效应，摩擦系数取0.2。

2.1.3 参数取值

既有建筑物混凝土和土层参数的取值分别如表1和表2所示。

表1 既有建筑物混凝土材料模型参数Tab.1 Parameters of the Materials in the Building Model

表2 土壤材料模型参数Tab.2 Parameters of the Materials in the Solid Model

2.1.4 边界条件施加

在土层四周和底部施加无反射边界条件，并在四周施加对称约束。

2.2 荷载施加与分析工况

2.2.1 荷载施加因在地表进行冲孔施工时引起的振动对既有建筑物的影响最大，故考虑在桩基孔面（地面）处施加冲击荷载。根据工程实际情况，冲击锤的重量为6 t，冲击时间设定为6 ms，冲锤起升的高度为2.0 m。

2.2.2 关键计算工况

在仿真分析的过程中，根据应力波的传播规律［15］，选择距离桩基最小的桥墩作为研究对象，综合考虑实际工程需要和结构的性能退化，分析两种不同工况下桥梁在桩基施工影响下的结果：工况1，建筑物无损伤时；工况2，既有建筑物桩头连接部位损伤时。

3 结果分析

选取距离新桥桩位2.5 m处的土层（A）和桩基（B）作为观测点，如图2所示，分析桩基施工对土层和桩基的沉降位移影响，以及对既有建筑物的内力影响，两种工况下的分析结果如表3所示。

表3 冲击施工对既有建筑物影响分析汇总Tab.3 Analysis and Summary of the Impact of Impact Construction on Existing Buildings

图2 新建桩基节点冲击荷载施加与土层、桩基观测点位置Fig.2 Locations of the Compact Loadings

3.1 工况1：建筑物无损伤时，桩基施工

桩基加载后土层的沉降变形如图3⒜所示，桩基加载会引起周围土体的沉降变形，由于冲击荷载的影响，土体振动位移呈上下起伏趋势，最大位移为8.5 mm，冲击振动传递到桩基础，得到最大沉降值，为-1.1 mm左右。

图3 土层A点和桩基B点沉降位移时程Fig.3 The Time History of Settlement Displacement of Point A of Soil Layer And Point B of Pile Foundation

桩基加载后的既有建筑物等效应力分布如图4⒜所示，可知既有建筑物立柱根部受力较大，为6.25 MPa。

图4 桩基施工对既有建筑物的应力影响分布Fig.4 Distribution of Stress Influence of Pile Foundation Construction on Existing Buildings

3.2 既有建筑物桩头连接部位损伤时，桩基施工

考虑桩头连接部位损伤工况下桩基施工对既有建筑物的影响。如图5所示，在桩基模型中，设定桩基顶部10%的单元缺失，未参与与承台的连接。

图5 桩基顶部受损模拟Fig.5 Damage Simulation of the Pile

桩基加载后土层的沉降变形，桩基加载会引起周围土体的沉降变形，由于冲击效应的影响，土体振动位移呈上下起伏趋势，最大位移为8.3 mm，冲击振动传递到桩基础，得到最大沉降值为-1.2 mm左右。

桩基加载后的既有建筑物等效应力分布如图4⒝所示，可知既有建筑物立柱根部受力较大，为6.31 MPa。

4 结论

本文通过数值仿真分析桥梁桩基施工过程对既有建筑物结构的安全影响，得出以下结论：

⑴在两种工况下，桩基冲击钻施工对于既有建筑物立柱根部内力的最大影响值为6.31 MPa，未达到混凝土的破坏极限承载值，所引起的土层位移最大为-1.2 mm，总体影响不大，新建桥梁桩基的施工不会对既有建筑物造成破坏。

⑵在条件允许的情况下，建议采用旋挖钻施工，减少施工所带来影响，同时，在桩基工程施工过程中应加强既有建筑物的监测工作。