明挖法施工產生的振動荷載計算

朱爐軍，楊 東，鄭林輝

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.四川省煤田地質局一四一地質隊，四川 618000；3.重慶607勘察實業(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，易于保證工程質量，工程造價低等優(yōu)點，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：從地表向下開挖基坑至設計標高，然后自下向上構筑防水設施和主體結構，最后回填恢復路面。對于淺、表部明挖地下工程，由施工帶來的巖土體擾動較小，振動荷載可忽略不計，但對于深度較大的明挖地下工程，常常需要采用振動的方式沉入樁體避免基坑開挖時大量巖土體坍塌，這就不可避免的會對周圍巖土體產生擾動，振動荷載不可忽略。針對明挖施工帶來的振動荷載方面的研究成果，國內外雖有相關報道，但多數(shù)為定性分析，未見嚴密的理論計算公式，如：楊曉杰等以北京地鐵十號線區(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對基坑周邊地表的變形影響規(guī)律，結果與實測數(shù)據(jù)相吻合[1]；周光孔研究沉樁振動對周圍環(huán)境的影響，定性、半定量的論述了從控制沉樁設計到施工的全過程如何避免由于沉樁振動導致周圍建筑物發(fā)生結構性破壞[2]；儲潔統(tǒng)計分析了國內102起地下工程明挖施工的安全事故案例，揭示了可能會導致明挖施工安全事故的因素，對今后從事相關實踐工程有一定參考價值[3]；李小彭等借助ANSYS有限元軟件，模擬分析了振動沉樁的動力學過程，揭示了激振力振幅、頻率和土體強度參數(shù)對樁位移的影響機理[4]；馬秉務、姚愛國在前人研究的基礎上推導了明挖施工中由于支護結構變形引起的地表沉降值計算公式，研究成果可為工程設計提供參考價值[5]；王莉平研究既有建筑物下明挖基坑施工對樁基及周圍地層的影響，提出了給定地質條件下更為合理的明挖基坑施工工序[6]；麻鳳海應用ADINA軟件建立了明挖法深基坑開挖支護過程的三維模型，分析了地鐵車站深基坑開挖對土體的影響[7]。

縱觀上述研究，明挖施工產生的振動荷載計算未見有詳細的論述。基于此，本文采用彈性力學分析方法，計算明挖施工對周圍巖土體產生的振動荷載(此處只考慮由于振動沉樁產生的振動荷載，其他暫且不計)。

1 振動沉樁分析模型

圖1 振動沉樁機

根據(jù)振動沉樁機工作方式及相應工作原理，建立如圖2所示的振動沉樁過程分析模型：

圖2 振動沉樁分析模型

其中：Fd為振動沉樁機產生的總激振力(kN)，由兩部分組成，一部分是振動錘和配重的靜荷載F0，另一部分是正弦變化的激振力Fv，總激振力Fd計算如式(1)[8]；qf為樁側摩阻力(kPa)；G為振動沉樁的自重(kN)；Nt為樁體下沉t時刻樁端阻力(kPa)；L為振動沉樁總長度(m)；l為樁體下沉t時沉入巖土體中的長度(m)。

Fd=F0+Fv

=F0+4π2Mf2sin(2πft+Δφ)

(1)

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

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

l=l0+vt

(2)

由于已假定樁體勻速下沉，即樁體在每個時刻皆處于平衡狀態(tài)，所以

充分利用現(xiàn)有渠道及其構筑物，以現(xiàn)代化遠程監(jiān)控調度技術為支撐進行遠距離無調蓄水庫的供水工程建設，對于有多水源保證的區(qū)域來講是可行的。通過細致優(yōu)化的方案比選及設計，可以實現(xiàn)供水目標，減少建設調蓄水庫所帶來的遷占問題，大大降低工程投資，加快工程進度，實現(xiàn)水利固定資產的增值，對于加快推進城鄉(xiāng)一體化供水具有事半功倍的效果。

Nt+Qf=Fd

(3)

式中：Qf為樁側摩阻力(kN)，按下式計算。

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 振動沉樁過程巖土體中產生的振動荷載求解

將樁軸線與地面的交點o作為坐標原點，建立定坐標系xyz，同時，將樁底端中心o’作為動坐標系x’y’z’的坐標原點。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，則依布辛內斯克(Boussinesq·J)解答[9]，樁端以下任一點M應力計算式為：

圖3 t時刻樁底M點處應力計算模式圖

(6)

其中：

(7)

理想情況下，當M點位于樁端以上時，作用在土體上的端阻力(端阻力的反力)并不會對該點應力有任何影響，則地面下任一點M的應力計算式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

樁端中心點為應力奇異點，此處只給出其豎向應力σz的計算式：

(14)

至此，振動沉樁機沉樁過程中，周圍巖土體的振動荷載求解完畢。

3 結論

明挖施工作為地下工程開挖的一種常用施工手段，已經普遍被工程技術人員所掌握。本文以明挖施工產生的振動荷載研究為背景，開展了明挖施工對周圍巖土體振動荷載的計算式推導，總結如下：

(1)由于淺、表部明挖地下工程施工給巖土體帶來的擾動小，本文建立的振動荷載計算方法只針對深度較大的明挖地下工程，并認為振動荷載主要源自振動沉樁機的振動沉樁過程。

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

(3)針對建立的計算方法，文中并未作相應的算例，下一步的工作重點是將理論計算方法運用于實際工程中，并與實際情況作對比，檢驗公式的適用性。

參考文獻：

[1]楊曉杰,劉冬明,張帆,等.地鐵隧道明挖法施工基坑支護穩(wěn)定性研究[J].地下空間與工程學報,2010,6(3):516-520.

[2]周光孔.沉樁振動對周圍環(huán)境影響的計算[J].廣西土木建筑,1997,22(3):89-94.

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

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

[5]馬秉務,姚愛國.基坑邊緣地面沉降計算方法分析[J].西部探礦工程,2004,(1):12-14.

[6]王莉平.既有建筑物下明挖基坑施工對樁基及周圍地層的影響研究[J].蘭州交通大學學報,2012,31(4):49-52.

[7]麻鳳海,張維來,呂培印.地鐵車站深基坑開挖對土體影響的數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2012,31(3):295-299.

[8]霍曉強,周傳立,柯瑾.振動沉拔樁機振動樁錘主要參數(shù)的選擇及計算[J].筑路機械與施工機械化,2001,18(總90):1-4.

[9]盧廷浩.土力學[M].北京：中國電力出版社,2010.