预应力混凝土管桩打桩施工振动影响研究

孔祥雷

(辽宁科技学院 资源与土木工程学院,辽宁 本溪117004)

采用预应力混凝土管桩处理软土地基是修建道路的一种重要的软基础处理方法[1-3]。在处理软土基础的工艺流程中,锤击法沉桩施工引起周围地表土层的振动,是在附近有居民住宅、医院及厂房的环境下不容忽视的一个安全问题,作者曾对桩基冲击成孔产生的振动问题进行了较详细的研究[4],鉴于预应力混凝土管桩锤击法沉桩施工[5]的工艺流程、技术原理等与桩基冲击成孔[6]均不同,文章基于工程实际,对预应力混凝土管桩处理软土地基中的锤击法沉桩产生的振动影响问题进行初步研究。

1 工程问题

丹东大东港疏港高速公路路基桥涵工程(高速公路主线K11+826-K11+900)采用预应力混凝土管桩进行软基处理。管桩采用PC-400A95型的预应力混凝土管桩(包含接桩和桩尖),设计单桩承载力为680 kN～750 kN,桩长根据单桩承载力设计值计算确定,一般桩端宜穿过软弱土层进入稳定持力层至少2 m,对于桩端为基岩的进入强分化层不少于0.5 m,采用锤击法进行沉桩施工,机械设备选用筒式柴油打桩机,型号为JZL-90。管桩施工的顺序采用“先中间后周边”或“一边推向一边”,为了降低打桩应力,对于所需的打击能量,使用重锤低打,每根管桩严格按该项目的《预应力管桩施工方案》进行施工。由于软基处理施工区域紧邻居民住宅区,因此,确定打桩施工振动对附近居民住宅建筑物是否产生影响以及影响范围是该项目施工协调中亟须解决的问题。工程施工现场如图1所示。

图1 工程施工现场情况

2 研究方法

对于振动影响的研究一般可以采用仪器实时监测法,也可以采用理论分析法或者数值分析法,对于丹东大东港疏港高速公路路基桥涵工程(K11+826-K11+900),需处理的软基础范围大,管桩施工数量多,并且附近居民户数也比较多,单纯依靠仪器进行大范围监测,实现起来难度大、工期长、成本高,单纯采用理论分析方法或者数值分析法,没有现场试验数据的支撑也不能科学地解决现场工程的实际问题,因此,文章采用仪器监测和理论分析相结合的方法,它具备了科学性、高效性和实用性,是当前施工方和附近居民都乐于接受的科学解决方法。

3 振动监测

3.1 监测方案

根据施工方和附近居民的协商,确定本次打桩共进行4个桩位的预应力混凝土管桩施工,桩位选择在软基处理区边缘且离附近居民住宅建筑物最近的位置,根据桩位分布情况以及附近居民住宅建筑物的分布情况,布设6个监测点位(包括机动监测点),采用线性布点形式,如图2所示。

图2 桩位与监测点布置平面示意图

监测仪器选用TC-4850型测振仪,传感器固设一般分为理想条件和非理想条件两大类情况[7],本次监测点选在建筑物内坚固平坦的地面,条件较好,传感器与测点采用黄甘油快速耦合,如图3所示。监测指标为住宅建筑物质点峰值振动速度与主振频率。

图3 监测点位测振仪

3.2 监测结果

本次共对4个桩位的预应力混凝土管桩打桩过程产生的振动进行连续实时监测,累计测得393组有效数据,其中部分数据如表1所示,部分质点振动波形图如图4所示。

表1 部分振动监测原始数据

a. X方向振动波形

初步分析所监测到的振动数据,从主振频率看,预应力混凝土管桩打桩施工引起的振动频率较小,多数在10 Hz以内,从质点峰值振动速度看,随着与振源距离的增大振动速度逐渐减小。另外,从各个测点监测到的质点峰值、振动速度,可以直接判定当次振动对保护对象是否产生安全影响。

初步分析所监测到的振动波形,振动波形图较好地反映了高速公路软基础工程地质的复杂性以及工程施工的实际过程,从振动波形图上基本可以得到每一个桩位、桩管的最大振动速度情况、坠垂的冲击周期、振动持续过程等详细信息,这是单凭人员观测、感知所达不到的。

4 数据分析

根据监测结果可知,在距离振源一定范围内的建筑物均产生了振动,也能够确定振动对个别(测点处)的建筑物是否产生影响,但却不能全面地确定振动对所有住宅建筑物的影响,因此,需要进一步研究预应力混凝土管桩打桩施工振动对附近住宅建筑物的影响范围。

4.1 安全标准

建筑物的安全允许振动标准是判定振动影响范围的一个关键指标,中华人民共和国国家标准《建筑工程容许振动标准》(GB50868-2013)中第8章给出了关于锤击打桩处理地基对建筑结构影响的容许振动值标准,结合本次实际监测数据的主频分布情况,确定本次打桩的容许振动值为3.0 mm/s[8]。

4.2 基础数据

理论分析的基础数据是研究打桩振动在特定的地质和施工条件下传播规律的又一关键数据,从所监测的393组数据中选取具有较好代表性、完整性的4组数据,满足在振源处具有较大的振速、在一定范围内衰减又比较小、能够体现最大振动影响范围的要求,作为确定振动影响范围的基础数据,详见表2。

表2 基础数据表

4.3 数学模型

根据本次监测的振动数据可以得到这样的规律,该预应力混凝土管桩打桩施工产生的振动在土层介质中的传播,随着距离不断增大,振动能量不断衰减,振动速度逐渐减小,即在一定的振源和介质条件下,振速和距离是成反比的。考虑到工程应用成熟、可操作性强等特点,以萨式公式(1)为基础建立数学模型。

(1)

其中:v是质点峰值振动速度,单位mm/s;K、α是反映特定地质条件、施工条件等的系数,在不同的岩土体进行施工K、α值是不同的,定量研究振动传播规律的关键便是求解K、α;R为振源到测点的距离,单位m;Q为打桩机单次击打桩帽所输出的最大能量。

由于打桩机坠锤质量、落距、施工及操作方式等在整个施工期间基本保持不变,令Q=1,建立反映本次预应力混凝土管桩打桩施工振动传播规律的数学模型为:

(2)

4.4 回归分析

所建立数学模型为非线性问题,为便于分析,将其转化为线性问题,然后利用最小二乘法进行回归分析,对公式(2)两边取对数,得:

lnv=lnK-α·lnR

(3)

令vi=lnv,a0=lnK,a1=-α,Ri=lnR,则有:

vi=a0+a1·Ri

(4)

将表2中的基础数据(v,R)相应地转化为(vi,Ri),转化数据见表3。

表3 转化数据表

因此,原问题便转化为简单的一元线性问题,对表3中的数据依公式(4)进行回归分析,应用最小二乘法[9],取φ0(x)=1,φ1(x)=x,ω(x) ≡1,得:

(φ0,φ0)=4

(φ0,φ1)=(φ1,φ0)=12.85

(φ1,φ1)=43.53

(φ0,f)=4.87

(φ1,f)=13.82

则法方程为:

解得a0=3.82,a1=-0.81,则可以计算得K=45.6,α=0.81,即表征该区域岩土及施工特征的参数为K=45.6,α=0.81。

将K、α代入公式(2),得到反映本次预应力混凝土管桩打桩施工振动传播规律的数学模型为:

v=45.6R-0.81

(5)

将公式(5)变形得到本次预应力混凝土管桩打桩施工振动影响范围计算公式为:

R=(45.6/v)1.23

(6)

将容许振动值v容=3.0 mm/s代入公式(6),得到R安=28.5 m。

可以初步确定,本次预应力混凝土管桩打桩施工振动对附近住宅建筑物的影响范围为28.5 m。

5 结论

文章结合工程实践介绍了预应力混凝土管桩处理高速公路软基础打桩施工振动监测与影响范围确定的方法,可供类似工程借鉴参考。

(1)通过对大量的振动监测数据分析,得到了在特定软基础地质及预应力混凝土管桩打桩施工条件下振动传播的一般规律。

(2)通过对典型振动数据的进一步回归分析,得到了振动的实际影响范围。

(3)通过分析振动波形图,能够得到比人员观测感知更加全面详细的振动情况信息。

(4)利用仪器监测和理论分析相结合的方法,便于技术人员掌握影响范围,使现场问题能更加科学、高效地得以解决。

(5)施工单位可以参考本次监测得到的相关参数来确定软基础处理工程中的振动影响范围以解决相关问题。