徐智剛 陳 龍 王福喜

(1.浙江水專工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 引 言

樁基礎(chǔ)是支護(hù)工程中非常重要的一種型式，近年來(lái)在各類建筑的基礎(chǔ)工程中得到廣泛的應(yīng)用。但是在樁基施工中其打樁過(guò)程對(duì)周?chē)ㄖ恼駝?dòng)影響問(wèn)題，日益受到人們的關(guān)注。

GorbunovM P[1]利用解析法分析了打樁振動(dòng)引起土體變形；Clough等[2]用加速度來(lái)估算地面和基礎(chǔ)沉降；Lacy等[3]把地面振動(dòng)的峰值質(zhì)點(diǎn)速度2.5mm/s作為場(chǎng)地發(fā)生顯著沉降的臨界速度；徐攸在和史玉良[4]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出考慮樁身彈性變形的樁基剛度組合的新模式和考慮隨振動(dòng)頻率變化的樁基剛度阻尼系數(shù)；許錫昌等[5]對(duì)錘擊沉管灌注樁的施工振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，給出安全閥值5mm/s；馬繼兵等[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了鋼護(hù)筒施工振動(dòng)對(duì)毗鄰既有橋梁的影響；佘艷華和蘇華友[7]通過(guò)展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)微地震試驗(yàn)，對(duì)臨近埋地管道所造成的的影響予以評(píng)估，得出相關(guān)規(guī)律。但目前幾乎沒(méi)有關(guān)于航道護(hù)岸工程中U型混凝土板樁的振動(dòng)施工響應(yīng)特性的理論研究，在城市集鎮(zhèn)地段其對(duì)施工的安全及周邊建筑是否存在安全隱患亟需進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文通過(guò)依托工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)U型混凝土板樁打設(shè)過(guò)程中的土壓力、水平位移、沉降及加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其變化規(guī)律，得出U型混凝土板樁振動(dòng)施工動(dòng)力響應(yīng)特性，為現(xiàn)場(chǎng)安全施工提供理論基礎(chǔ)。

2 工程概述

本文以位于京杭運(yùn)河湖州境內(nèi)的五龍橋護(hù)岸加固工程為例，工程現(xiàn)場(chǎng)平面如圖1所示，目前岸坡為“九五”期間新建的直立式漿砌塊石護(hù)岸，后經(jīng)過(guò)“十五”期間的護(hù)岸完善工程及近幾年的航道養(yǎng)護(hù)，護(hù)岸總體狀況良好，僅局部有破損現(xiàn)象。在航道升級(jí)過(guò)程中，需提高航道水深，以達(dá)到高等級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。為減少征遷，確保項(xiàng)目順利進(jìn)行，施工階段采用大量板樁加固方案。實(shí)際工程中五龍橋南北兩側(cè)護(hù)岸共3段，分別是圖1中的DE、IJ、GH段，長(zhǎng)度共計(jì)957.76m。其中五龍橋南側(cè)左邊護(hù)岸(面向杭州方向是左、右岸)，京杭運(yùn)河五龍橋至博陸規(guī)劃航道北側(cè)，護(hù)岸長(zhǎng)度246.3m，五龍橋南側(cè)右邊護(hù)岸長(zhǎng)度89.96m，五龍橋北側(cè)右邊護(hù)岸長(zhǎng)度621.5m。

為更好地指導(dǎo)下階段的設(shè)計(jì)工作，故對(duì)三個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行了打樁試驗(yàn)工作，本文選取了后方有老護(hù)岸的U型混凝土板樁加固護(hù)岸GH段為本次研究試驗(yàn)段，對(duì)U型板樁動(dòng)力打設(shè)的影響機(jī)理展開(kāi)研究。

圖1 依托工程現(xiàn)場(chǎng)平面

3 試驗(yàn)方案

該次試驗(yàn)為探究U型混凝土板樁打設(shè)過(guò)程中樁身土壓力的變化、老護(hù)岸及其后(側(cè))方土體振動(dòng)的衰減規(guī)律及變形規(guī)律。

試驗(yàn)樁為長(zhǎng)7.5m的350Ⅰ型U型板樁，為研究打樁期間樁身土壓力的變化，在試驗(yàn)樁上安裝土壓力盒，土壓力盒分別布置在圖4中所示位置內(nèi)側(cè)和外側(cè)2處，沿不同高程各布置4個(gè)土壓力盒。在板樁澆筑混凝土?xí)r，將土壓力盒分別放置在距板樁頂端1m、3m、5m、7m處，土壓力盒受力面與板樁表面齊平，并保持土壓力盒表面潔凈。將土壓力盒的導(dǎo)線沿著鋼筋引至板樁上部吊孔，并從吊孔中引出。土壓力盒安裝在板樁預(yù)制階段進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2和圖3，土壓力盒的布置見(jiàn)圖4。

圖2 土壓力盒安裝就位

圖3 導(dǎo)線引出

圖4 樁身土壓力盒布置

為檢測(cè)打樁過(guò)程對(duì)樁周?chē)馏w以及老護(hù)岸的影響，研究打樁過(guò)程中地面運(yùn)動(dòng)衰減規(guī)律和土體變形情況，試驗(yàn)擬定監(jiān)測(cè)方案如圖5所示。在試驗(yàn)樁打設(shè)前布設(shè)好沉降觀測(cè)點(diǎn)及測(cè)斜管，在試驗(yàn)樁后方土體距老護(hù)岸2m處打設(shè)測(cè)斜孔，安裝測(cè)斜管。沿打樁水平方向和垂直方向布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，在老護(hù)岸后方土體與老護(hù)岸平行布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，研究老護(hù)岸及其后方土體的沉降規(guī)律。打設(shè)前對(duì)沉降和測(cè)斜進(jìn)行初次觀測(cè)，試驗(yàn)樁打設(shè)當(dāng)天增加一次監(jiān)測(cè)，打樁期間每天進(jìn)行一次觀測(cè)，打樁完成后適當(dāng)減少觀測(cè)頻率。在送樁階段進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，以測(cè)得地面最大振動(dòng)加速度。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所用加速度傳感器為DH610V型拾振器，該傳感器屬于磁電式振動(dòng)傳感器，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 DH610V型拾振器技術(shù)指標(biāo)

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及規(guī)律分析

監(jiān)測(cè)從試驗(yàn)樁打設(shè)前一天開(kāi)始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)值作為初始值。

4.1 樁身土壓力

老護(hù)岸外側(cè)打設(shè)U型板樁的特點(diǎn)為：老護(hù)岸后方荷載和底板荷載等將通過(guò)老護(hù)岸傳遞給新打設(shè)的U型板樁，由新建的板樁結(jié)構(gòu)受力，而老護(hù)岸僅作為中間的傳力結(jié)構(gòu)，這種新老護(hù)岸結(jié)合的型式其傳力機(jī)制及板樁兩側(cè)的土壓力分布更為復(fù)雜。

為分析樁身不同位置處內(nèi)外側(cè)土壓力值的大小，用土壓力穩(wěn)定后的值與打樁前初始值相比，得到不同深度處內(nèi)外側(cè)土壓力的變化值。試驗(yàn)樁樁身不同深度土壓力隨時(shí)間變化規(guī)律曲線如圖6、圖7所示，分別為U型板樁內(nèi)側(cè)和外側(cè)土壓力變化曲線。

圖6 樁身內(nèi)側(cè)土壓力變化規(guī)律

圖7 樁身外側(cè)土壓力變化規(guī)律

圖中土壓力急劇增長(zhǎng)的階段為試驗(yàn)樁打設(shè)前后，試驗(yàn)樁打設(shè)完之后土壓力值又慢慢趨于穩(wěn)定，但是板樁內(nèi)外側(cè)的土壓力變化規(guī)律存在一定差異。板樁內(nèi)側(cè)土壓力值在板樁打設(shè)完成后并未達(dá)到最大值，而是隨著鄰近板樁的打設(shè)慢慢達(dá)到最大值。板樁外側(cè)土壓力值則是試驗(yàn)樁打設(shè)完成后很快便達(dá)到最大值，說(shuō)明打樁對(duì)內(nèi)側(cè)土的擾動(dòng)更大，這是因?yàn)閮?nèi)側(cè)土與U型板樁的接觸面積較大，而且其變形受到老護(hù)岸約束，所受到的樁土間的摩阻力較大，受擾動(dòng)程度較大，因此，內(nèi)側(cè)土需較長(zhǎng)時(shí)間方能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。板樁內(nèi)外側(cè)1m深土壓力有一些小波動(dòng)，是因?yàn)榫鄻俄?m處是在水中，受到的是水壓影響，且由于施工工藝為水上施工，施工中水壓會(huì)有一定的增加，且有船經(jīng)過(guò)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生船行波，船行波對(duì)樁的受力有一定的影響，因此土壓力會(huì)發(fā)生一定的變化。

4.2 老護(hù)岸及其后方土體沉降規(guī)律

在打樁過(guò)程及打樁結(jié)束后對(duì)老護(hù)岸及其后方土體的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線，圖8～10分別為老護(hù)岸沉降觀測(cè)曲線、板樁打設(shè)平行方向土體沉降觀測(cè)曲線、板樁打設(shè)垂直方向土體沉降觀測(cè)曲線。

圖8 老護(hù)岸沉降觀測(cè)曲線

圖9 板樁打設(shè)平行方向土體沉降觀測(cè)曲線

圖10 板樁打設(shè)垂直方向土體沉降觀測(cè)曲線

在試驗(yàn)樁打設(shè)前兩小時(shí)進(jìn)行一次觀測(cè)，試驗(yàn)樁打設(shè)后每隔兩小時(shí)進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，當(dāng)天總共進(jìn)行5次監(jiān)測(cè)，第二天、第三天每天觀測(cè)兩次，三天以后監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整為每天一次。

從圖中可看出，打樁期間出現(xiàn)較大隆起，尤其在試驗(yàn)樁打設(shè)當(dāng)天隆起最大，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在試驗(yàn)樁附近，圖中每次出現(xiàn)隆起都是在打樁之后，但是隆起量會(huì)在較快時(shí)間內(nèi)減小，說(shuō)明打樁對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)較大，尤其在試驗(yàn)樁打設(shè)期間，由于監(jiān)測(cè)頻率的增加，可以更清楚的觀測(cè)到隆起量與沉降量的變化，隆起和沉降的速率均較大，土體的沉降變化量隨著時(shí)間的推移而變小。隨著與試驗(yàn)樁水平距離的增加，隆起與沉降量逐漸減小。

對(duì)比老護(hù)岸及后方土體在平行方向的沉降變化量可知，隨著水平位移的增加，土體的沉降變化量較老護(hù)岸稍大。因?yàn)槔献o(hù)岸的整體性更好，且老護(hù)岸剛度較大，變形很小，所以老護(hù)岸的沉降量主要是其下面土體的沉降量。對(duì)比試驗(yàn)樁打設(shè)平行和垂直方向的沉降變化量可知，板樁打設(shè)垂直方向上土體的沉降變化量較平行方向大。

因此從圖中可得出以下結(jié)論：

a.打樁會(huì)造成較大的隆起量，但是一旦停止打樁，隆起量會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)減小，最后慢慢沉降，所以打樁會(huì)造成反復(fù)的隆起與沉降。

b.老護(hù)岸沉降量較周?chē)孛嫘?，且老護(hù)岸沉降量變化幅度較周?chē)孛嫘　?/p>

c.土體沿板樁打設(shè)垂直方向的沉降變化量較平行方向大。

4.3 老護(hù)岸后方土體水平位移分析

老護(hù)岸后方土體(距老護(hù)岸2m)的水平位移變化如圖 11所示。

圖11 護(hù)岸后方土體水平位移

從圖中可看出，打樁期間水平位移逐漸增加，試驗(yàn)樁打設(shè)當(dāng)天水平位移增長(zhǎng)最快，然后增長(zhǎng)速率逐漸減緩，打樁當(dāng)天的土體水平位移值為8.2mm，占整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中土體總水平位移值(16.3mm)的一半左右，打樁結(jié)束后慢慢趨于穩(wěn)定。不同深度(深度范圍17m)水平位移均有一定的變化。該次試驗(yàn)樁長(zhǎng)度為7.5m，樁端土層為粘土，土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角較大，因此施工過(guò)程中受到影響的土層范圍較大。

從樁端到樁頂方向，水平位移表現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在深度5m處水平位移達(dá)到最大值，而老護(hù)岸深度大約4m，說(shuō)明老護(hù)岸對(duì)后方土體的水平位移發(fā)展起到了很好的限制作用。從圖中還能看出，水平位移由下向上的增長(zhǎng)速度為先增大后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在深度8m處，混凝土板樁長(zhǎng)度為7.5m，說(shuō)明板樁的打設(shè)在一定程度上阻礙了土體水平位移的發(fā)展。護(hù)岸后方土體水平位移的變化規(guī)律很好的體現(xiàn)了新老護(hù)岸共同作用的機(jī)理，也說(shuō)明了新老護(hù)岸共同作用工況的特殊性。

4.4 地面振動(dòng)衰減規(guī)律

為分析板樁打設(shè)過(guò)程中地面振動(dòng)衰減規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，在護(hù)岸及其后方土體表面布置豎直方向的加速度傳感器。儀器采集頻率為1000Hz。

土體表面某一點(diǎn)處加速度隨時(shí)間的衰減特征曲線如圖12所示，由圖可知：加速度在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到最大值，然后迅速衰減，在0.2s左右以后即衰減大半，在0.3s左右之后基本趨近于0。由于打樁錘擊頻率大概在50～60次/min左右，因此打樁振動(dòng)能量不會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

圖12 加速度衰減特征曲線

圖13 振動(dòng)頻譜分析

圖13為測(cè)試信號(hào)的頻譜分析，頻譜分析是把信號(hào)的幅值、能量或相位變換成以頻率為橫坐標(biāo)軸，進(jìn)而分析其頻率特性的一種分析方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可以獲得動(dòng)態(tài)信號(hào)中各頻率成分的幅值及頻率分布范圍，從圖13可以看出不同頻率下的加速度幅值，振動(dòng)波頻率分布范圍很廣，介于0～4000Hz之間，加速度幅值在振動(dòng)波頻率68Hz附近時(shí)達(dá)到最大值7.003mm/s2，隨著頻率的增大急劇減小，然后呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，且峰值逐漸降低。

圖14是距打樁點(diǎn)不同距離的各測(cè)點(diǎn)在送樁階段的最大加速度，從圖可以看出，加速度隨著與打樁點(diǎn)距離的增大而呈指數(shù)形式衰減，這種地面振動(dòng)的衰減通常用Bornitz公式來(lái)計(jì)算。即：

(1)

式中r0——距振源已知振幅點(diǎn)的距離,m；

rj——距振源處R波的振幅,m；

A0——距振源處R波的振幅,m/s2；

α0——衰減系數(shù)。

圖14 地面振動(dòng)衰減擬合曲線

將所有測(cè)試值代入上式(1)，進(jìn)行擬合可得出各參數(shù)值。由于該次試驗(yàn)是測(cè)試同一土層同一深度處的加速度，因此是一個(gè)固定值。

表2 曲線擬合參數(shù)值

通過(guò)擬合得到擬合曲線，通過(guò)對(duì)比可知實(shí)際測(cè)試值基本都靠近曲線。為了進(jìn)一步論證各參數(shù)以及擬合曲線的精確度，表 2列出各參數(shù)值及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差、曲線擬合的殘差及校正決定系數(shù)，殘差越接近于0，校正決定系數(shù)越接近于1，說(shuō)明曲線擬合效果越好。

4.5 振害范圍

本文通過(guò)振級(jí)大小來(lái)確定振害范圍。根據(jù)我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，振級(jí)計(jì)算方法用公式(2)表示：

(2)

式中VAL——振動(dòng)加速度級(jí)，dB；

as——振動(dòng)加速度，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，一般取10-6m/s2。

取振動(dòng)加速度級(jí)別達(dá)到100dB對(duì)應(yīng)的加速度作為振害影響的臨界振動(dòng)加速度，認(rèn)為大于該加速度時(shí)，建筑物可能發(fā)生輕微破壞，將該值代入式(2)，可計(jì)算出該振級(jí)對(duì)應(yīng)的加速度值，將該加速度代入式(1)，加上通過(guò)擬合計(jì)算得到的參數(shù)，即可得到影響距離r。通過(guò)計(jì)算，本工程得到的影響距離r=25m，以打樁點(diǎn)為圓心，影響距離為半徑畫(huà)圓，取各方向影響圓的外包絡(luò)線作為打樁振動(dòng)影響區(qū)域。

由于打樁振動(dòng)是一種持續(xù)性的沖擊振動(dòng)，對(duì)人體的不良影響較大，因此，考慮環(huán)境振動(dòng)對(duì)人體健康的影響，研究打樁振動(dòng)對(duì)人們生活區(qū)域的影響范圍有重要意義?？扇≌窦?jí)為65dB，79dB對(duì)應(yīng)的加速度為振害影響的臨界加速度，分別計(jì)算其振害影響距離見(jiàn)表3，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建議對(duì)距打樁點(diǎn)25m范圍內(nèi)的建筑物做好相應(yīng)的防治措施，如設(shè)隔振溝等；在工程設(shè)計(jì)中，建議將打樁點(diǎn)的位置與居民生活區(qū)保持55m以上的距離。

表3 打樁振動(dòng)影響距離

5 結(jié) 論

通過(guò)介紹了某板樁打設(shè)工程概況、設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，可以得到如下結(jié)論：

a.打樁過(guò)程中，樁身土壓力迅速增大，且增加幅度很大。隨著入土深度的增加，土壓力增長(zhǎng)幅度越大。打樁結(jié)束后，樁身土壓力慢慢趨于穩(wěn)定；樁身內(nèi)外側(cè)的土壓力變化也有一定的差異，樁身外側(cè)土壓力穩(wěn)定所需時(shí)間較短，樁身內(nèi)側(cè)土壓力在打樁結(jié)束后仍有少量的增加，隨著時(shí)間的增加慢慢趨于穩(wěn)定。

b.監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示老護(hù)岸及其后方土體的變形規(guī)律類似，在打樁過(guò)程中迅速產(chǎn)生了一定的隆起量，打樁結(jié)束后，隆起很快消失。在整個(gè)打樁過(guò)程中，土體沿板樁打設(shè)平行方向與垂直方向的變形規(guī)律有一定的差異性，土體沉降沿板樁打設(shè)垂直方向較大，平行方向較小，且老護(hù)岸的變形較其后方土體的小。

c.老護(hù)岸后方土體水平位移在打樁過(guò)程中迅速增大，隨著打樁工作水平前進(jìn)而增加距離后，其水平位移增加幅度減小，在打樁停止后水平位移發(fā)展慢慢趨于穩(wěn)定。水平位移沿樁尖向樁頂方向先增大后減小，最大水平位移出現(xiàn)在深度5m處，說(shuō)明老護(hù)岸對(duì)后方土體水平位移的發(fā)展起到了很好的限制作用。

d.打樁過(guò)程中地面振動(dòng)加速度的大小隨著與打樁距離的增加逐漸衰減，且衰減趨勢(shì)呈指數(shù)型。用Bornitz 公式擬合得到的曲線效果較好，可用來(lái)計(jì)算該場(chǎng)地地面各點(diǎn)加速度值，同時(shí)可用來(lái)計(jì)算不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下振害影響范圍。

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