朱爐軍，楊 東，鄭林輝

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.四川省煤田地質(zhì)局一四一地質(zhì)隊(duì)，四川 618000；3.重慶607勘察實(shí)業(yè)總公司，重慶 400056)

地下工程現(xiàn)有施工方法較多，主要有明挖法、暗挖法(主要指新奧法)、盾構(gòu)法、頂管法和沉管法等。由于明挖法具有施工作業(yè)面多，速度快，工期短，易于保證工程質(zhì)量，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此在地面交通和環(huán)境條件允許的前提下，常被采用。明挖法施工的一般程序是：從地表向下開(kāi)挖基坑至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后自下向上構(gòu)筑防水設(shè)施和主體結(jié)構(gòu)，最后回填恢復(fù)路面。對(duì)于淺、表部明挖地下工程，由施工帶來(lái)的巖土體擾動(dòng)較小，振動(dòng)荷載可忽略不計(jì)，但對(duì)于深度較大的明挖地下工程，常常需要采用振動(dòng)的方式沉入樁體避免基坑開(kāi)挖時(shí)大量巖土體坍塌，這就不可避免的會(huì)對(duì)周?chē)鷰r土體產(chǎn)生擾動(dòng)，振動(dòng)荷載不可忽略。針對(duì)明挖施工帶來(lái)的振動(dòng)荷載方面的研究成果，國(guó)內(nèi)外雖有相關(guān)報(bào)道，但多數(shù)為定性分析，未見(jiàn)嚴(yán)密的理論計(jì)算公式，如：楊曉杰等以北京地鐵十號(hào)線區(qū)間明挖法施工段為研究背景，采用FLAC3D模擬分析了明挖施工各工序?qū)又苓叺乇淼淖冃斡绊懸?guī)律，結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合[1]；周光孔研究沉樁振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，定性、半定量的論述了從控制沉樁設(shè)計(jì)到施工的全過(guò)程如何避免由于沉樁振動(dòng)導(dǎo)致周?chē)ㄖ锇l(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞[2]；儲(chǔ)潔統(tǒng)計(jì)分析了國(guó)內(nèi)102起地下工程明挖施工的安全事故案例，揭示了可能會(huì)導(dǎo)致明挖施工安全事故的因素，對(duì)今后從事相關(guān)實(shí)踐工程有一定參考價(jià)值[3]；李小彭等借助ANSYS有限元軟件，模擬分析了振動(dòng)沉樁的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示了激振力振幅、頻率和土體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)樁位移的影響機(jī)理[4]；馬秉務(wù)、姚愛(ài)國(guó)在前人研究的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了明挖施工中由于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的地表沉降值計(jì)算公式，研究成果可為工程設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值[5]；王莉平研究既有建筑物下明挖基坑施工對(duì)樁基及周?chē)貙拥挠绊?，提出了給定地質(zhì)條件下更為合理的明挖基坑施工工序[6]；麻鳳海應(yīng)用ADINA軟件建立了明挖法深基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的三維模型，分析了地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖對(duì)土體的影響[7]。

縱觀上述研究，明挖施工產(chǎn)生的振動(dòng)荷載計(jì)算未見(jiàn)有詳細(xì)的論述。基于此，本文采用彈性力學(xué)分析方法，計(jì)算明挖施工對(duì)周?chē)鷰r土體產(chǎn)生的振動(dòng)荷載(此處只考慮由于振動(dòng)沉樁產(chǎn)生的振動(dòng)荷載，其他暫且不計(jì))。

1 振動(dòng)沉樁分析模型

圖1 振動(dòng)沉樁機(jī)

根據(jù)振動(dòng)沉樁機(jī)工作方式及相應(yīng)工作原理，建立如圖2所示的振動(dòng)沉樁過(guò)程分析模型：

圖2 振動(dòng)沉樁分析模型

其中：Fd為振動(dòng)沉樁機(jī)產(chǎn)生的總激振力(kN)，由兩部分組成，一部分是振動(dòng)錘和配重的靜荷載F0，另一部分是正弦變化的激振力Fv，總激振力Fd計(jì)算如式(1)[8]；qf為樁側(cè)摩阻力(kPa)；G為振動(dòng)沉樁的自重(kN)；Nt為樁體下沉t時(shí)刻樁端阻力(kPa)；L為振動(dòng)沉樁總長(zhǎng)度(m)；l為樁體下沉t時(shí)沉入巖土體中的長(zhǎng)度(m)。

Fd=F0+Fv

=F0+4π2Mf2sin(2πft+Δφ)

(1)

式中：M為偏心靜力矩(kg·m)；f為振動(dòng)錘振動(dòng)頻率(Hz)；△φ為初始相位角(°)。

對(duì)于實(shí)際工程中常用的SAF160型振動(dòng)錘，樁錘和配重的總重量F0為70kN，偏心靜力矩M=60 kg·m，振動(dòng)頻率為10 Hz，初始相位△φ=0°。實(shí)際在沉樁之前，樁體已有部分伸入土體中，令此部分長(zhǎng)度為l0，我們認(rèn)為樁體下沉速度是一定的，用v表示，則t時(shí)刻樁體伸入土中長(zhǎng)度為l：

l=l0+vt

(2)

由于已假定樁體勻速下沉，即樁體在每個(gè)時(shí)刻皆處于平衡狀態(tài)，所以

充分利用現(xiàn)有渠道及其構(gòu)筑物，以現(xiàn)代化遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度技術(shù)為支撐進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)調(diào)蓄水庫(kù)的供水工程建設(shè)，對(duì)于有多水源保證的區(qū)域來(lái)講是可行的。通過(guò)細(xì)致優(yōu)化的方案比選及設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)供水目標(biāo)，減少建設(shè)調(diào)蓄水庫(kù)所帶來(lái)的遷占問(wèn)題，大大降低工程投資，加快工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)水利固定資產(chǎn)的增值，對(duì)于加快推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化供水具有事半功倍的效果。

Nt+Qf=Fd

(3)

式中：Qf為樁側(cè)摩阻力(kN)，按下式計(jì)算。

Qf=πDlqf

(4)

聯(lián)立(1)、(2)、(3)和(4)得式(5)。

Nt=F0+4π2Mf2sin(2πft+Δφ)

-πD(l0+vt)qf

(5)

2 振動(dòng)沉樁過(guò)程巖土體中產(chǎn)生的振動(dòng)荷載求解

將樁軸線與地面的交點(diǎn)o作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立定坐標(biāo)系xyz，同時(shí)，將樁底端中心o’作為動(dòng)坐標(biāo)系x’y’z’的坐標(biāo)原點(diǎn)。將樁周土體視為彈性體，樁端阻力視為集中力作用于樁端中心，如圖3，則依布辛內(nèi)斯克(Boussinesq·J)解答[9]，樁端以下任一點(diǎn)M應(yīng)力計(jì)算式為：

圖3 t時(shí)刻樁底M點(diǎn)處應(yīng)力計(jì)算模式圖

(6)

其中：

(7)

理想情況下，當(dāng)M點(diǎn)位于樁端以上時(shí)，作用在土體上的端阻力(端阻力的反力)并不會(huì)對(duì)該點(diǎn)應(yīng)力有任何影響，則地面下任一點(diǎn)M的應(yīng)力計(jì)算式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

樁端中心點(diǎn)為應(yīng)力奇異點(diǎn)，此處只給出其豎向應(yīng)力σz的計(jì)算式：

(14)

至此，振動(dòng)沉樁機(jī)沉樁過(guò)程中，周?chē)鷰r土體的振動(dòng)荷載求解完畢。

3 結(jié)論

明挖施工作為地下工程開(kāi)挖的一種常用施工手段，已經(jīng)普遍被工程技術(shù)人員所掌握。本文以明挖施工產(chǎn)生的振動(dòng)荷載研究為背景，開(kāi)展了明挖施工對(duì)周?chē)鷰r土體振動(dòng)荷載的計(jì)算式推導(dǎo)，總結(jié)如下：

(1)由于淺、表部明挖地下工程施工給巖土體帶來(lái)的擾動(dòng)小，本文建立的振動(dòng)荷載計(jì)算方法只針對(duì)深度較大的明挖地下工程，并認(rèn)為振動(dòng)荷載主要源自振動(dòng)沉樁機(jī)的振動(dòng)沉樁過(guò)程。

(2)本文參考了著名的布辛內(nèi)斯克解答，并未考慮土體的塑性特性，將其視為彈性體，求解結(jié)果存在局限性。

(3)針對(duì)建立的計(jì)算方法，文中并未作相應(yīng)的算例，下一步的工作重點(diǎn)是將理論計(jì)算方法運(yùn)用于實(shí)際工程中，并與實(shí)際情況作對(duì)比，檢驗(yàn)公式的適用性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]儲(chǔ)潔.明挖法地下工程施工安全事故統(tǒng)計(jì)及原因分析[J].江蘇建筑,2012,(5):52-53.

[4]李小彭,段澤亮,李濤,等.振動(dòng)沉樁過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].振動(dòng)與沖擊,2012,31(7):24-26.

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