近海工程沉樁振動對鄰近埋地管道影響的數值模擬和現場監測

張龍, 諸裕良

(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京210098)

近海工程沉樁振動對鄰近埋地管道影響的數值模擬和現場監測

張龍, 諸裕良*

(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京210098)

為探究沉樁振動對鄰近埋地管道安全性的影響,在基于ABAQUS平臺數值建模計算和工程現場監測的基礎上,就近海工程沉樁振動對鄰近埋地管道安全運行可能產生的影響進行了建模探究與比對。研究表明,埋地管道周邊質點振動速度峰值和管道位移這兩個要素對埋地管道的影響最為直接顯著。在此基礎上提出了實際工程條件下近海埋地管道在沉樁振動施工下的安全控制標準:埋地管道質點振動速度控制標準為30 mm/s,埋地管道鄰近土體水平位移控制標準為10 mm。該控制標準在實際工程中取得了良好效果。

沉樁振動;埋地管道;數值計算;現場監測;控制標準

近年來,科研人員對振動沉樁施工等沖擊作用的問題,較多的是研究土體的動力特性,而對引起地下結構,如埋地管道的振動響應研究較少。隨著沿海各地大規模的海洋開發,近海地區基礎設施工程的大量興建,研究沉樁振動對埋地管道的影響及控制已成為當前近海工程界亟待解決的重要問題。

在已有的研究中,Northwood和Wiss等[1]認為質點峰值速度是分析結構在振動破壞下的最佳參數。目前,國內外相關文獻中都公認將質點振動速度作為表征振動特征的控制標準,相關規程規范[2]及相關文獻[3]中都以質點振動速度作為控制標準;另一方面,由于振動沉樁施工過程中形成的振動波具有強度高、頻率低和振動累計時間長的特點,在較長時間的連續沖擊荷載作用下埋地管道管周土體累積變形可能很大。鑒于以上兩方面原因,文中將埋地管道周邊質點振動速度峰值和管道位移作為研究的主要對象,結合工程實例,通過數模計算和現場試驗,提出該工程中埋地管道在沉樁振動下的安全控制標準,該控制標準為現場監測提供數據支撐,使現場監測更有針對性,極大地增強了現場監測對工程安全的指導作用,同時現場監測數據也驗證了該控制標準的適用性。

1 埋地管道損傷模型建立與分析

1.1 工程背景

寧波算山碼頭擴建改造工程位于北侖電廠取水管道附近,取水管為電廠冷卻水供應管道。1#～3#系纜墩即為擴建位置,其距發電廠取水管道較近,預計沉入的鋼管樁與取水管平面距離最近為24.8 m,每座系纜墩設計沉樁數量為8根,樁基采用Φ1 200 mm鋼管樁,具體如圖1所示。

圖1 碼頭改擴建項目與電廠位置關系Fig.1 Location map of pier and the p lant expansion project

北侖電廠取水管海底埋深約20 m,直徑達4.84 m,安裝時采用盾構法進行施工,由若干管節組成,每個管節由6片厚度為330 mm的弧形混凝土預制板組成,預制板之間采用螺栓連接。

1.2 模型主要參數

ABAQUS軟件可以很好地模擬非線性問題,并且能控制有限元分析精度,文中運用ABAQUS有限元軟件的顯示動力分析以及接觸面功能,通過建立沉樁對埋地管道影響的有限元模型進行計算和分析。埋地管道采用C40混凝土材料,在模型中考慮材料強度折減因素,折減系數取為0.8,模型中采用彈性模型模擬,其材料參數及基本土質參數見表1和表2。

表1 管道參數Tab.1 Pipe parameters

表2 土體參數Tab.2 Soil param eters

1.3 模型尺寸和網格劃分

基樁直徑取為1.2 m,樁長為11 m,為使網格形狀有良好的適應性,樁靴部分建成半圓型,樁靴長為0.25 m。為了減少單元數量,節約求解時間,建模時利用對稱性,取整個系統的1/4建立土體模型,總計133 300單元,土體表面為15 m×15m,土體高度取為20 m。為解決土體大變形導致模型計算不收斂,將樁周2.5倍樁徑范圍內的區域進行切割,同時對該區域使用任意拉格朗日歐拉網格劃分,并增加該區域網格密度。管道外徑取為4.84 m,壁厚0.05 m,模型中管道及土體單元選用減縮積分8節點實體單元C3D8R。模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite elem entm odel

1.4 邊界條件

建模時利用對稱性,土體取整個系統對稱建模,需要在其對稱面上施加平面對稱邊界條件,另外約束模型底部6個方向位移,土體上表面不加約束,保留其為自由表面。為確?；鶚对谑茌d后不發生旋轉,約束其3個旋轉自由度和水平位移自由度,釋放其豎向(Z方向)自由度。在管道-土之間設置接觸對,利用罰函數算法計算,不再對管道另外設置邊界條件。

1.5 沖擊荷載形式

假定沖擊荷載為線性加載,荷載作用時間0.2 s,影響時間為1 s,打樁沖擊荷載峰值為2 000 kN。沖擊荷載分布形式如圖3所示。

圖3 沖擊荷載形式Fig.3 Im pact loading form

1.6 沖擊速度的損傷分析

埋地管道破壞時質點振動速度如圖4所示。

圖4 埋地管道破壞時質點振動速度Fig.4 Peak particle velocity when the buried pipeline is damaged

由圖4可以看出,埋地管道開始破壞時振動速度最大值為0.12 m/s,埋地管道受沉樁影響最不利的振動位置出現在如圖5所示的管道頂部與管道離樁較近側之間的圓弧上。

圖5 埋地管道破壞時最不利截面各處振動速度Fig.5 Peak particle velocity of the m ost un favorab le section when the buried pipeline is damaged

1.7 管道位移分析

管道位移隨時間的變化是以管道近樁一端的最不利截面為研究對象,在最不利截面上分別選取頂部、底部、靠近樁一側、遠離樁一側的4個點為觀察點,具體情況如圖6所示。圖6中記錄這4個點的水平位移隨時間的變化。

對于管道最不利截面參考點處的水平位移,管道水平位移與時間的關系如圖7所示。

由圖7可以看出,沉樁剛開始時近樁側有微小水平位移,這是由于基樁剛沉樁時對其產生一定的水平方向擠壓造成的。隨后,管道在水平方向上表現為整體運動,但是近樁側的點位移幅度較其他3點相比更大。這是因為近樁側距沉樁點更近,受到沉樁擠土效應更明顯,管道破壞時,近樁側的水平位移為3.3 mm。

圖6 管道最不利截面Fig.6 M ost unfavorable section of the buried pipeline

圖7 管道水平位移-時間曲線Fig.7 Pipeline horizontal disp lacement-tim e curve

1.8 混凝土管振動損壞控制標準

目前對近海沉樁振動破壞的理論研究還不充分,我國對沉樁振動效應的評估,因尚無適用的安全標準,目前常規方法是直接套用《GB6722—2011爆破安全規程》[4]決定安全指標。具體規定為:水工隧洞的爆破振動判據,采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率(見表3)。

表3 《GB6722—2011爆破安全規程》爆破振動安全允許標準Tab.3 Safety standards of blasting vibration in GB6722—2011 Blasting safety regu lations

鑒于沉樁振動低頻多次振動特點、取水管道實際運行情況、國內相關文獻[5-7]與規范[8-9]及上文數值模型計算成果,從安全性角度考慮,確定該工程實例中取水管質點振動速度控制標準為30 mm/s,取水管鄰近土體水平位移控制標準為10 mm。

2 現場監測及分析

2.1 現場監測工作

2.1.1 現場監測內容 在此項工程實例中,主要監測管道周邊質點振動速度以及深層水平位移兩項內容,共布置5個測試點位,總計布設速度傳感器21個,深層位移計16個。

2.1.2 監測方法

2.2 監測結果及分析

現場監測過程中,第1 d下午完成3#-6,3#-7, 3#-8,3#-5 4根試驗樁的沉樁試驗,在試驗樁的施打過程中對沉樁引起的質點振動速度、土體水平位移進行了觀測,并將觀測數據反饋至數學模型。待數模計算結果確定后,于第8 d開始2號墩沉樁施工,并于第11 d完成2號墩、3號墩沉樁工作。具體沉樁順序見表4。

2.3 質點振動速度監測結果及分析

通過對沉樁過程質點振動速度數據的采集、整理,得到了在沉樁過程中各測點振動速度最大值(見表5、表6)。通過數據可以看出,除3#-6號樁外,沉樁引起取水管附近振動速度最大值均小于上文取水管質點振動速度控制標準30 mm/s,取水管道處于安全狀態。

表4 沉樁順序表Tab.4 Piling sequence

在3#-6號樁沉樁過程中,測點速度值有明顯增大,此情況下立即停止沉樁施工。經檢查分析,3#-6號樁振動速度變大(86.7 mm/s、37.8 mm/s)的原因為樁吊耳與老樁邊緣發生刮碰撞擊所致,后通過樁身扭轉后恢復正常。3#-6號樁沉樁過程中與取水管最近的3-1號測點測得速度最大值為17.03 mm/s,小于取水管質點振動速度控制標準30 mm/s,取水管道處于安全狀態。

表5 沉樁引起各測點振動速度最大值(I)Tab.5 Peak particle velocity caused by pile driving(I)

表6 沉樁引起各測點振動速度最大值(Ⅱ)Tab.6 Peak particle velocity caused by pile driving(Ⅱ)

2.4 土體水平位移監測結果及分析

表7為監測得到的取水管道鄰近土體水平位移的最大值。通過分析監測數據,發現在取水管道高程-24.8 m處,土體最大水平位移為8.60 mm小于上文確定的取水管鄰近土體水平位移控制標準10 mm,所以取水管道處于安全狀態。

表7 取水管道鄰近土體水平位移最大值Tab.7 M aximum soil disp lacement of the surrounding buried pipeline

3 結 語

文中研究了以埋地管道所在位置質點振動速度峰值和管道位移作為近海工程沉樁振動主參數的安全控制標準,并且以該安全控制標準指導現場監測,取得良好工程效果。

1)在數模計算和現場試驗的基礎上,結合國內外相關文獻與規范,提出了算山碼頭擴建改造工程中電廠取水管道振動沉樁施工的安全控制標準為取水管周邊質點振動速度30 mm/s,鄰近土體水平位移10 mm;

2)以該控制標準為數據支撐指導工程現場監測,極大地提高了振動沉樁施工的安全性,取得了良好的工程效益。

文中的研究方法為開展類似工程提供了參考,其控制標準對相近工程也有一定的參考價值。

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(責任編輯:邢寶妹)

Numerical Sim u lation and Field M onitoring of O ffshore Engineering Pile Driving Vibration on Ad jacent Buried Pipeline

ZHANG Long, ZHU Yuliang*
(College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

To explore the safety of pile driving vibration on adjacentburied pipeline,based on the platform of ABAQUS numericalmodeling calculation and engineering on the basis of field monitoring,this paper studies the problem of offshore engineering pile driving vibration on adjacentburied pipelinewhichmay affect safe operation.The results show that buried pipeline surrounding peak particle vibration velocity and pipeline displacement of the two elements of the influence of the buried pipelines are themost significant.On the basis of the proposed method,the engineering under the condition of offshore of buried pipelines under the pile driving vibration in the construction of safety control standard is thatwhen buried pipelines particle vibration velocity control standard is30mm/s,buried pipelines adjacent soil horizontal displacement control standards is 10 mm.The safety control standards achieve satisfactory results in engineering practice.The proposed method and its safety control standards provide guidance for similar engineering and research.

pile driving vibration,buried pipeline,numerical calculation,field monitoring,safety control standards

Email:zhyl@hhu.edu.cn

TU 473.1

A

1671-7147(2015)01-0097-06

2014-06-15;

2014-08-10。

張 龍(1988—),男,江蘇南通人,港口、海岸及近海工程專業碩士研究生。

*通信作者:諸裕良(1965—),男,江蘇無錫人,教授,碩士生導師。主要從事港口海岸及近海工程研究。