橋梁樁基復(fù)合地層施工中的振動測試分析

摘要：本文著力于闡述橋梁樁基復(fù)合地層施工中振動測試的必要性以及復(fù)合地層橋梁樁基施工振動特性分析，結(jié)合某高速公路橋梁樁基施工的具體情況，對橋梁樁基沖擊鉆孔施工過程產(chǎn)生的振動進(jìn)行了試驗(yàn)分析，確保施工順利，為周圍建構(gòu)筑物的破壞評估提供可靠的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基 復(fù)合地層 施工振動 測試分析

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)1(c)-0104-02

1 復(fù)合地層及橋梁樁基施工振動測試的作用

1.1 復(fù)合地層特性

復(fù)合地層由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特征相差懸殊的地層組合。復(fù)合地層的組合形式是非常復(fù)雜多樣的，但總的來說可分為三種：一種是在斷而垂直方向上不同地層的組合；一種是在縱向方向上不同地層的組合；第三種是上述兩者交叉出現(xiàn)。最典型的垂直方向上的復(fù)合地層就是所謂“上軟下硬”地層。及上部是松軟的土層，而下部是堅(jiān)硬的巖石地層。本文的研究主要針對上軟下硬方式組合的復(fù)合地層。

1.2 橋梁樁基施工振動測試的作用

橋梁樁基沖擊鉆孔施工往往是一個強(qiáng)迫振動過程，振動波向四周輻射，形成了振動影響場，對鄰近建構(gòu)筑物以及人們的正常工作、生活造成影響。因此，在橋梁樁基施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對樁基施工振動進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的測試，為工程的順利進(jìn)行保價護(hù)航。對橋梁樁基施工振動測試具有以下幾方面的作用：(1)依靠現(xiàn)場測試提供動態(tài)信息反饋來指導(dǎo)施工全過程；(2)對周圍建構(gòu)筑物的破壞評估提供可靠的數(shù)據(jù)；(3)可及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)報險情的發(fā)生及發(fā)展程度，為及時有效地采取安全補(bǔ)救措施充當(dāng)耳目。(4)積累數(shù)據(jù)資料，為類似工程提供參考。

2 復(fù)合地層橋梁樁基施工振動特性分析

在橋梁樁基沖擊鉆孔時，地下某處會產(chǎn)生間隔較短的瞬間激振，地層中各質(zhì)點(diǎn)因受迫振動而以波動的形式從振源經(jīng)地層半空間向外傳播，在振源區(qū)以體波為主，到達(dá)一定的距離后而波變成了主導(dǎo)波。在各地層質(zhì)點(diǎn)受追振動時，土體單元承受蓿正應(yīng)力應(yīng)變和剪應(yīng)力應(yīng)變，實(shí)際體系可視為具有單位截面積高度的土柱所構(gòu)成的離散體系。假定整個土體質(zhì)量集中于該層中自上而下的若干離敞點(diǎn)，當(dāng)土體中某一單元激振時產(chǎn)生能量不同的振動，其地下振動的工程特性常以振動振幅、頻譜和持時來表示，它與地層結(jié)構(gòu)、振源機(jī)制及介質(zhì)的動力特性有關(guān)。當(dāng)振動超過某一限制時，地層土體所受的瞬間地振動荷載超過其本身的極限值，而使地基基礎(chǔ)失穩(wěn)，從而危及周圍建構(gòu)物的安全，甚至直接危及生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此，必須對橋梁樁基復(fù)合地層中施工產(chǎn)生的振動進(jìn)行強(qiáng)有力的測試。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況及地質(zhì)條件

本文振動試驗(yàn)選擇在地處復(fù)合地層的某高速公路一座主線橋進(jìn)行。該橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)樁長24m，樁直徑1.8m，采用CZ60沖擊鉆鉆孔施工。CZ60沖擊鉆鉆機(jī)，錘重5.3噸，震動影響半徑為7m。

該橋址場區(qū)屬河床階地區(qū)，地形略有起伏，河床堆積亞砂土，卵石土、漂石土，厚度9～24.5m。下伏燕山期花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石較完整，場區(qū)內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象。其地質(zhì)情況如表1所示。

3.2 測試方案及測點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)采用的儀器為中科院成都中科測控公司生產(chǎn)的TC-4850型測振儀和與之相配套的傳感器，并經(jīng)過我國計(jì)量部門標(biāo)定驗(yàn)證。

根據(jù)現(xiàn)場情況，在離樁基同一水平位置布置6個傳感器，測試豎直方向的振動速度。布置時，將地表的浮土清除，形成一個體積約為0.05m(深)×0.1m×0.1m的正方體形土坑，然后打入約80cm的鋼筋，再灌注水泥使之結(jié)合牢固，最后用石膏布置好傳感器。測點(diǎn)實(shí)際現(xiàn)場布置如圖I所示，振動測點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

圖2中坐標(biāo)原點(diǎn)為樁基中心，測點(diǎn)沿樁基同一水平布置，沿x正向測點(diǎn)編號為1，2，3，4，5，6，測點(diǎn)間距離為2m。

3.3 測試結(jié)果分析

(1)地層結(jié)構(gòu)對地面質(zhì)點(diǎn)振動速度影響分析

影響橋梁樁基沖擊鉆孔振動的因素很多，諸如沖擊錘提升高度，樁基掘進(jìn)深度，地面環(huán)境，地層結(jié)構(gòu)等。本文主要分析對振動速度產(chǎn)生影響的兩個關(guān)鍵因素，即地層結(jié)構(gòu)、沖擊錘提升高度。在試驗(yàn)中，對橋梁樁基不同深度處巖渣進(jìn)行了取樣。如下圖3，圖4所示。

結(jié)合該橋梁場區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況以及對巖土試樣進(jìn)行分析可知，橋梁樁基掘進(jìn)深度為8.5m時聽處地層為卵石土地層，厚度約5.3～7.9m；14.0m時為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，厚度約1.3～5.7m；17.7m時為弱風(fēng)化花崗巖地層，厚度約5.6～7.0m；22.5m時為微風(fēng)化花崗巖地層，厚度約3.1～6.8m。

在上述四種不同地層中進(jìn)行振動試驗(yàn)時，樁基沖擊鉆孔施工參數(shù)控制如下：沖擊錘提升高度約0.5m，沖擊鉆錘擊頻率約15～20次／min。測得各測點(diǎn)振動速度隨樁基掘進(jìn)深度變化曲線如圖5所示，測點(diǎn)1實(shí)測波形如圖6、圖7，圖8，圖9所示。

從圖5可以看出，樁基掘進(jìn)深度不同，即樁基所處的地層不同時，地面質(zhì)點(diǎn)振動速度由近及遠(yuǎn)的衰減規(guī)律相似，都是在10m范圍之內(nèi)衰減較快，10m之外衰減相對較慢，但在卵石土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中整個振動速度均比在弱風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖地層中衰減快。當(dāng)樁基從強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層(H=14.0m)掘進(jìn)到弱風(fēng)化花崗巖地層(H=17.7m)中時。測點(diǎn)的振動速度出現(xiàn)了明顯波動，產(chǎn)生了較大衰減。

(2)沖擊能量對地面質(zhì)點(diǎn)振動影響分析

通過在四種不同地層中沖擊施工時，改變沖擊錘提升高度來獲得不同的沖擊能量，分析沖擊能量的變化對測點(diǎn)振動速度的影響。由于在四種地層中，不同沖擊能量施工時，測點(diǎn)振動速度變化規(guī)律均相似，本文選擇在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中即樁基掘進(jìn)深度14.0m時進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同沖擊能量下，測點(diǎn)振動速度變化規(guī)律，在試驗(yàn)中每組試驗(yàn)分別測試了5-8組數(shù)據(jù)，取其平均值，得到各測點(diǎn)振動速度如表2所示，振動速度隨沖擊錘提升高度變化曲線如圖10所示。

從上圖可以看出，沖擊錘提升高度不同，即沖擊能量不同時，同一測點(diǎn)振動速度隨沖擊能量的增加而增加，整個衰減規(guī)律相似，在近距離范圍內(nèi)測點(diǎn)的振動速度衰減較快，到10m左右，振動速度衰減變緩。

4 結(jié)語

(1)橋梁樁基沖擊鉆孔施工往往是一個強(qiáng)迫振動過程，振動波向四周輻射，形成振動影響場，對周圍環(huán)境易造成影響，通過現(xiàn)場測試可以為周圍建構(gòu)筑物的破壞評估提供可靠的數(shù)據(jù)。(2)影響橋梁樁基沖擊鉆孔振動的因素眾多，其中地層結(jié)構(gòu)的影響較突出，通過地層結(jié)構(gòu)對地面質(zhì)點(diǎn)振動影響分析可知，樁基從強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層掘進(jìn)到弱風(fēng)化花崗巖地層時，地面質(zhì)點(diǎn)的振動速度出現(xiàn)了明顯波動，產(chǎn)生了較大衰減。(3)復(fù)合地層中橋梁樁基沖擊施工時，不同沖擊能量下，地面質(zhì)點(diǎn)振動速度近距離范圍內(nèi)衰減較快，同一質(zhì)點(diǎn)豎直振動速度隨沖擊能量的增加而增加。