振動錘環境振動減振方案的數值模擬與現場測試

朱福民,楊鵬飛,萬沈文,顧銀梅,曹榮夏(.上海海事大學 物流工程學院,上海 0306; .上海振中機械制造有限公司,上海 0306)

振動錘環境振動減振方案的數值模擬與現場測試

朱福民1,楊鵬飛1,萬沈文1,顧銀梅1,曹榮夏2
(1.上海海事大學 物流工程學院,上海 201306; 2.上海振中機械制造有限公司,上海 201306)

振動錘打樁時引起的環境振動有可能偏大,在城市區域施工時有時會干擾人們正常的生活.鑒于此,提出了一種套筒減振方法,套筒將樁與土體淺層隔開,使樁在地下才與土體接觸讓其振動從地下開始傳播,充分利用土體的幾何阻尼效應和材料阻尼效應來減小地面環境振動.通過有限元軟件分析了無套筒和有套筒兩種情況地面的Z振動級.利用環境振動分析儀對不同工況下振動現場的多個位置進行了振動響應的實測和記錄.對比數值模擬和現場實測的數據,可以發現套筒減振方法具有良好的減振效果.

振動錘; 減振; 套筒; 有限元分析; 現場實測

振動樁錘是隨著振動機械的發展而發展起來的,通過偏心回轉激振器產生縱向振動,利用振動降低樁上摩擦力和樁端阻力,使樁能輕松沉入地基中[1].振動樁錘憑借其沉樁效率高、對樁損害小、調速方便、體積小、質量輕、造價低等優點,一直受到施工單位的歡迎.但在城市區域施工時會產生環境振動和噪聲.環境振動一般不會對人體造成直接的傷害,但它會干擾人們的正常生活,使人們感到極度不適和心煩,甚至還會影響到人們的睡眠和休息[2].為了防止或限制振動帶來的影響與危害,現代工程中主要采用了以下幾種減振措施[3]:① 減弱或消除振源;② 在施工過程中改變施工頻率控制共振;③ 隔斷振動波傳遞路徑如隔振溝等.其中隔振溝是現在主要使用的減振方法,隔振溝的效果與振源至溝中心的距離、溝長、溝寬及溝內填充物的性質有關[2].隔振溝的長度可以用Woods[4]提出的計算公式來取值,溝的位置和深度等應按實際測試情況決定.但在施工區域設置隔振溝需要耗費大量的時間和人工,同時也受到場地等因素影響.本文針對振動錘提出一種套筒減振法可以快速建立隔振屏蔽,展開了基于Z振級測試方法的研究,從理論模型和現場實測兩方面進行說明驗證.

1 減振方案及振動衰減機理分析

1.1減振方案分析

套筒減振方法是在打樁前先在打樁點預埋一個內徑大于樁徑的圓形套筒,然后在套筒的中心垂直打入樁管,如圖1所示.此方案的優點在于利用套筒將樁與土體淺層隔離,避免了打樁時樁管直接與地面接觸,而是讓樁在套管以下才與土體接觸,這樣其產生的振動便從地下開始傳播,并且利用土體的幾何阻尼效應和材料阻尼效應來減小地面環境振動.

圖1 減振方案示意圖Fig.1 Layout of vibration reduction method

1.2振動衰減機理分析

多項研究表明，彈性半空間表面在豎向諧和振動的圓型基礎作用下,近場體波在表面的振幅與瑞利波相當,3種波的疊加產生特有的干涉波,干涉波的波長由頻率和泊松比控制;一般情況下,瑞利波豎向位移分量隨距離的衰減較水平分量的衰減快,體波的水平分量較豎向分量衰減慢[5].

體波的位移振動在介質內與距離呈r-1關系衰減,在變空間表面內與距離呈r-2關系衰減;瑞利波在半空間表面及內部引起的位移振幅與水平距離呈r-1/2關系,瑞利波在半空間內部引起的位移振幅與深度Z呈指數衰減關系.米勒根據一般功率計算法,得出了豎向諧和激勵下由振源向外輻射的總功率為[6]

W=Wp+Ws+WR=

(1)

式中:Wp為縱波功率,kW;Ws為橫波功率,kW;WR為瑞波功率,kW;Q為簡諧力振幅,m;ρ為彈性半空間介質的密度,kg/m3;ω為圓頻率,rad/s;Vp為縱波波速,m/s.式(1)中的0.333,1.246,3.257分別表示3種彈性波所占輸出總能量的百分比,分別為:縱波占6.9%,橫波占25.8%,瑞利波占67.0%.

為了方便工程應用,Bornitz[7]提出將幾何阻尼效應和材料阻尼效應結合并加入土的實測參數的實用計算方法,即

(2)

式中:r1為距振源已知振幅點的距離,m;A1為距振源r1處R波豎向分量的振幅,m;r為距振源未知振幅點的距離,m;A為距振源r處R波豎向分量的振幅,m;α為土的材料阻尼性質的衰減系數.

靠近振源處體波影響大,遠場處以面波為主,同時還需考慮一定距離因材料阻尼而引起的衰減,以及波源頻率和面積變化等影響,這種情況使用我國《動力機械基礎設計規范》(GB 50040—96)[8]中的振動衰減計算公式,即

(3)

式中:Ar為距振動基礎中心r處地面上的振動線位移,m;A0為振動基礎的振動線位移,m;f0為基礎的固定頻率,Hz;r0為基礎的當量半徑;ζ0為無量綱系數;α0為地基能量吸收系數,s/m.式(3)綜合考慮了體波和面波產生的振動能量,并能反映頻率與振幅衰減的關系.

2 振動錘引起環境振動的數值模擬分析

要想了解土壤受迫振動下的力學和運動響應,可以采用合適的分析工具對其進行仿真.本文采用巖石分析軟件Plaxis對打樁時有套管和無套管兩種情況進行了數值模擬.

2.1幾何模型

為了能使數值模擬的情況盡可能地與實際測試情況相似,故幾何模型中設置樁管長度L=10 m,直徑d=700 mm×16 mm,套筒長度l=3 m,套筒直徑尺寸D=1.4 m,壁厚δ=10 mm,打入土體深度為2.5 m,如圖2所示.同時對建模和計算采用以下基本假定:① 樁與套管按軸對稱問題進行建模分析;② 樁與套管有一定預埋深度,假設套管內土體與地表面齊平.

圖2 幾何模型圖Fig.2 Geometric model diagram

Plaxis的網格生成是基于穩定的三角分割程序,形成非結構化網格.本模型尺寸為50 m×22.5 m,采用15節點三角形單元,全局疏密度設為細.此模型中共有393個單元,節點數3 279,應力點個數4 723,單位大小為1.97 m.圖3為有限元網格劃分圖.

圖3 有限元網格劃分圖(m)Fig.3 Finite element model

2.2材料特性

土體采用硬化土(Hardening Soil,HS)模型,HS模型是一個可以模擬包括軟土和硬土的不同類型的土體行為的先進模型,在主偏量加載下,土體剛度下降,同時產生了不可逆的塑性應變[9].

土體硬化的思想源于三軸加載下豎向應變ε1和偏應力q之間的雙曲線關系,其公式為

(4)

式中:qa為抗剪強度的近似值;qf為極限偏應力;Rf為破壞比;E50為主加載下與圍壓相關的剛度模量.

剛度模量E50公式如下:

(5)

極限偏應力qf公式如下:

(6)

土體簡化為均勻的單層土,樁和套管采用線彈性模型,并考慮非多孔性.土體、樁和套管的參數分別如表1所示.

表1 土體、樁和套管參數表Tab.1 The parameters of soil,pile and sleeve

2.2邊界條件及初始條件

有限元模型的兩邊采用約束水平方向,水平方向為0,固定模型的底部邊界.由于振動錘打樁是動力學問題,須采用特殊的邊界條件以防止波的反射而影響計算結構,因此采用了吸收邊界.考慮地下水存在條件下的振動沉樁的響應,地下水位簡單假設在地表面處[11].

2.3動力計算

本次測試的振動樁錘是上海振中機械制造有限公司的EP400偏心力矩無級可調電驅振動錘,主要性能參數如表2所示.

表2 EP400振動錘技術參數Tab.2 EP400 vibratory hammer technical parameter

施加在樁上的載荷由兩部分組成:一部分是靜定載荷F0,是一個常數;另一部分是正弦變化的激振力Fv.振動錘的力主要來自于振動錘的自身重力和偏心距振動產生的循環力,所以總的打樁力為

F=F0+Fcsin(ωt+φ0)

(7)

式中:F0為振動錘的靜載荷力,kN;Fc為最大激振力,kN;ω為圓頻率(ω=2πf),rad/s;φ0為初始相位角,°.

由表2知振動錘的靜載荷力F0=271.5 kN(未包含夾具質量),最大激振力Fc=1 911 kN,振動頻率f=12.67 Hz,初始相位角φ0=0°,周期為T=1/12.67 s.

3 現場實測及環境評價標準

3.1環境振動測試儀器

本次測試采用的儀器為杭州愛華儀器有限公司生產的AWA6256B+環境振動分析儀,適用于環境振動測量,并滿足GB/T 10071—1988《環境振動測量方法》標準及JJTG 921—1996《公害噪聲振動計》對振動測量儀器的要求.AWA6256B+環境振動分析儀執行的標準為GB/T 23716—2009《人體對振動的響應——測量儀器》,采樣頻率為750 Hz,統計采樣間隔為0.1 s,A/D位數為24位.加速度傳感器型號為AWA14400,靈敏度為40 mV/(m·s-2).

圖4 現場實測Fig.4 Field measurement

3.2測點布置及選型

以振動樁錘為中心在其周圍布置10個測點.每個測點距離振動樁錘的距離分別是5,10,15,20,25,30,35,40,45,50 m,并保證這10個測點在同一直線上,測點布局如圖5所示.將測試儀器放置在平坦的地面上,分別對套管和無套管的兩種情況進行測量,由于所測數據隨時間不斷變化,故取5 s內的平均示數作為評價量.

圖5 測點示意圖Fig.5 Layout of measuring point

綜合考慮多種因素后,現場實測時選取的套筒外徑為1 400 mm,內徑為1 380 mm,長度為3 m,打入地面深度為2.5 m.樁管為φ700 mm×16 mm,長度為10 m.

3.3測試環境

為了研究振動錘作用下環境振動特性,選擇在上海振中機械制造有限公司內的平地上進行測試.該場地平整,土地表面為黏土,測試場地周圍無道路交通,測試期間無建筑施工,具備振動錘打樁地面振動傳播規律測試的條件.并且在測試前先測量此地的環境振動來確定背景振動,經過多次測量發現,該區域的環境振動主要集中在66～72 dB.

圖6 現場振動錘打樁Fig.6 Field vibration hammer piling

3.4環境振動的評價標準

根據我國《城市區域環境振動測量方法》(GB 10071—1988)[12]規定,環境振動采用Z振級(VLZ,dB)進行評價,其計算公式為

VLZ=20lg(a/a0)

(8)

式中:a為振動加速度均方值,m/s2;a0為基準加速度,m/s2,一般a0=10-6m/s2.

(9)

式中:at(t)為實測振動加速度時程,m/s2;T為振動加速度時間,s.

3.5城市區域環境振動標準

現在我國主要根據《城市區域環境振動標準》(GB 10070—1988)[13]中的鉛垂向Z振級VLZ的標準值來控制城市區域環境振動的污染,其標準如表3所示.

表3 城市區域鉛垂向Z振級標準值Tab.3 Standard value of vertical Z in urban area

本次測試的振動樁錘主要工作區域是在商業和居民混合區附近,故以混合區、商業中心的標準作為評價依據.

4 數值計算和實測數據對比

通過Plaxis仿真得到各測點的垂直加速度曲線圖,并計算其均方根值得出各測點的加速度值.將實測得到各點加速度的值與計算加速度值進行對比.從圖7和圖8中可以看出,有套管和無套管兩種情況下計算加速度和實測加速度在距離振源20 m內差距較大,在超出20 m后加速度基本吻合.由于在理論分析時把土看成黏彈性體處理,并且數值計算中所設定的土體參數和實際情況有一定差距,靠近振源處土體對加速度的影響因素更明顯.

用式(8)對數值模擬的20組振動加速度數據進行計算得到振動錘作用下各測點的VLZ.從圖9和圖10可以看出，數值計算的Z振動級VLZ和實際測試結果基本吻合,說明了該模型的可行性.但在35 m外模擬和實測的數據有所不同,這是由于實測時存在背景振動所致.

圖7 無套管情況模擬和實測加速度圖Fig.7 Simulated and measured accelerationwithout sleeve

圖8 有套管情況模擬和實測加速度圖Fig.8 Simulated and measuredacceleration with sleeve

圖9 無套管情況地面振動的VLZFig.9 VLZ of ground vibration without sleeve

圖10 有套管情況地面振動的VLZFig.10 VLZ of ground vibration with sleeve

由圖11可知,在同一測點處有套管情況的VLZ明顯小于無套管情況.在距離振源10 m外有套管情況的環境振動衰減明顯.如果措施得當,距離振源20 m處VLZ就有望小于《城市區域環境振動測量方法》(GB 10071—1988)規定的75 dB.

圖11 實測無套管和有套管情況下地面振動的VLZFig.11 Measuring ground vibration of VLZwithout sleeve and sleeve

5 結論

振動錘對地面環境振動的影響比較復雜,需要大量的現場測試和理論研究來掌握其規律,本文通過數值計算和現場測試,得出以下結論可供參考:

(1) 數值模擬得到在距離振源20 m內差距較大,在超出20 m后加速度基本吻合,在部分測點存在少量誤差.由于在理論分析時把土看成黏彈性體處理,并且數值計算中所設定的土體參數和實際情況有一定差距的,靠近振源處土體對加速度的影響因素更明顯.

(2) 套管減振方法對振動錘打樁引起的環境振動有著良好的減振作用,在距離振源10 m外即可看出明顯的減振效果.如果措施得當,振動錘引起的環境振動在距離振源20 m外即有望低于國家標準規定的閾值.

(3) 本方法對實際工程的指導工作具有重大意義.但鑒于振動減振涉及因素很多,要想取得最佳的減振效果,還需在多個方面進行進一步的研究,比如套管的結構設計和材料選擇、套管打入地下深度的確定以及套管和樁體之間填充材料的選擇等.

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Numericalsimulationandfieldtestingofvibrationreductionschemeforenvironmentalvibrationinducedbyvibrationhammer

ZHUFumin1,YANGPengfei1,WANShenwen1,GUYinmei1,CAORongxia2
(1.Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306, China; 2.Shanghai Zhenzhong Machinery Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 201306, China)

Environmental vibration induced by vibration hammer may be too large,the construction stage of vibration hammer sometimes disturbs people’s normal life in the urban region.Sleeve vibration reduction method is proposed.The sleeve separates the pile from subsurface ground to make the pile contact with the deep soil.The vibration in the ground began to spread.Utilizing the geometrical damping effect and the material damping effect of the soil reduce environmental vibration.The Z direction vibration of the non-sleeve and the sleeve were analyzed by the finite element software.The vibration response at multiple locations is measured and recorded by the environment vibration analyzer under different working conditions.Comparison between numerical simulation and field measured data can find the good effect of the sleeve vibration reduction method.

vibratory hammer; vibration reduction; sleeve; finite element analysis; field experiment

TU 435; TU 413

： A

： 1672-5581(2017)03-0189-06

國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ02B06-05)

朱福民(1962—),男,高級工程師,博士.E-mail:2295393335@qq.com