鋼管樁振動沉樁動力響應分析

時林豐，謝建斌，王卓蕾，孫孝海，趙一錦

（云南大學建筑與規劃學院，云南 昆明 650500）

0 引言

振動沉樁是在樁頂安裝振動樁錘，利用振動樁錘產生的激振力使樁產生振動而沉入土中，這種施工方法具有貫入力強、沉樁效率高、沉樁質量好、沉樁過程對樁頭損壞小、噪音低、操作簡單等突出優點。

20世紀30年代起，國內外眾多學者對振動沉樁過程進行了相應研究。O′Neil研究沉樁引起的超靜孔隙水壓力的產生，認為降低有效應力有利于沉樁[1]。Viking通過大量現場足尺試驗，對鋼板樁在非黏性土中利用振動法的可打入性情況進行研究[2]。Piet Meijers對振動沉鋼板樁時的地表沉降進行了深入的研究[3]。陳岱杰通過小型模型試驗研究模擬樁體貫入深度隨激振頻率（20～80 Hz）的變化規律[4]。陳福全研究了國內外振動打樁錘貫入土體的原理模型、假設條件和判定方法[5]。李小彭等人借助ANSYS、AMESim軟件，建立樁-土系統有限元模型，研究了激振力幅值、頻率以及土的剛度和阻尼對沉樁速度和沉樁量的影響和激振力頻率和土質條件對樁-土系統的振動摩擦特性的影響[6-7]。張智梅等人利用有限元軟件ABAQUS對沉樁全過程進行數值模擬，從振動樁錘、樁體和土層情況3個方面入手，系統分析了振動沉樁施工對周邊環境影響的作用機理[8-9]。

本文針對云南省昆明市昆紡原址改造項目鋼管樁液壓振動沉樁工程實例，利用Midas GTSNX軟件建立三維動力有限元模型，開展鋼管樁液壓振動沉樁動力響應分析。

1 工程概況

云南省昆明市昆紡原址改造項目深基坑位于昆明市盤龍區白龍路西端與白塔路交叉路口西南側原昆明紡織廠東區、星耀大廈以西約30 m處。該基坑場地土層自地表向下依次為雜填土①、粉質黏土②1、圓礫②2、粉砂③1、粉質黏土③2和粉砂③3（表1）。工程勘察同時揭示，該基坑場地地下水為第四系松散層孔隙潛水及基巖巖溶水，基坑開挖范圍涉及的含水層主要為②2圓礫、③1粉砂和③3粉砂層，但含水量總體較小；另外，基坑開挖范圍內各含水層間分布有相對隔水的粉質黏土②1和粉質黏土③2，各土層的水力聯系較差。因此，整體深基坑開挖深度范圍內，地下水相對較少。

表1 土體參數Table1 Parameters of soil

本工程的基坑側壁為層狀結構的土質地基模型，自穩性差，基坑側壁破壞模式以變形滑移或剪出破壞為主，局部存在坍塌危害。為確保周邊環境、基坑開挖和基礎施工的安全，基坑支護選排樁+錨索+掛網噴混凝土聯合支護方式，支護樁采用可回收鋼管樁，型號為Q235φ830×12，樁長18 m，鋼管樁采用ICE液壓振動錘施工。

2 建立鋼管樁振動沉樁三維有限元模型

2.1 基坑土層物理力學性能指標

在昆紡二號場地基坑開挖支護施工前，開展了基坑場地補充勘察，并取場地土樣，配合標準貫入試驗、重型動力觸探試驗、地震波速測試、地微振觀測進行工程場地內土體物理力學特性試驗研究。土體物理力學性能指標見表1，同時本工程采用的Q235鋼管樁重度為78 kN/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28。

2.2 加載模型

樁位于模型中央，采用Q235φ830×12的鋼管樁，樁長L=18 m，振動沉樁模型所施加于樁頂的打樁力為：

式中：F0為靜載力；Fv為激振力；Fc為離心力；ω為角頻率；t為振動時間；φ0為初始相位角。本工程采用ICE液壓振動錘進行施工，該情況下F0=85.5 kN；Fc=1 250 kN；ω=157 rad/s；f=25 Hz；φ0=0。故式（1）可表示為：

模型邊界采用黏彈性吸收邊界，土體采用六面體實體單元，網格劃分采用播種線尺寸控制，鋼管樁豎直以下方向土體采用局部加密劃分。三維整體有限元計算模型邊界尺寸范圍為：24 m×24 m×36 m。模型底部為固定約束，四周邊界采用黏彈性邊界，樁土之間采用界面單元模擬，建立三維地層-結構動力相互作用模型。網格劃分后的模型如圖1所示，模型共有79 098個單元，46 610個節點。

圖1 三維有限元整體模型Fig.1 Three dimensional finite element integral module

3 動力沉樁過程模擬及結果分析

3.1 振動沉樁過程模擬

為保證本模型建立過程的合理性，分別模擬鋼管樁5種不同入土深度的工況，工況1的預埋深度為-0.20 m，工況2的預埋深度為-3.00 m，工況3的預埋深度為-4.90 m，工況4的預埋深度為-8.50 m，工況5的預埋深度為-15.50 m。在樁頂施加激振力模擬沉樁過程中，作用時間為10 s（即250個循環周期）。

3.2 振動沉樁位移場分析

5種不同工況下鋼管樁沉樁位移時程曲線整理如圖2所示。

圖2 各工況下鋼管樁沉樁位移時程曲線Fig.2 Time history curve of displacement of steel pipe pile sinking under working conditions

由圖2可知，隨著貫入深度增加，振動沉樁位移隨著減少，鋼管樁沉樁位移的減少主要是受樁端阻力和樁動側摩阻力的影響。隨著貫入深度的增加，鋼管樁樁端土體逐漸被剪切壓密，從而導致樁端阻力逐漸增加，且隨著樁土接觸面積的增加，樁土之間動側摩阻力也逐漸增加，因而使得工況1、工況2、工況3、工況4、工況5的鋼管樁在10 s激振力作用下沉樁位移逐漸減少。

5種工況鋼管樁下地表豎向位移沉降值隨著鋼管樁管壁距離的變化曲線整理如圖3所示。

圖3 各工況下地表豎向沉降位移Fig.3 The vertical settlement displacement of the surface under working conditions

由圖3可知，在工況1位置進行振動沉樁時，土體擾動范圍主要發生在距離鋼管樁管壁2 m范圍內，隨著與鋼管樁管壁距離的增大，地表沉降位移值逐漸減少，在接近土體邊界處地表豎向沉降值減少至0；其他幾種工況與工況1的規律大致相同，總體趨勢為隨著與鋼管樁管壁距離的增大而逐漸減少。但隨著鋼管樁入土深度的增加，振動沉樁所引起的土層地表豎向沉降范圍將增加。

3.3 振動沉樁速度場分析

通過數值模擬分析結果可知，在鋼管樁沉樁開始階段，樁周土體相對松散，鋼管樁樁端沉樁速度相對較大，隨著時間推移，鋼管樁樁端土體逐漸被剪切壓密，鋼管樁樁端阻力及樁測動摩阻力逐漸增大，從而導致鋼管樁沉樁速度逐漸減小，故隨著貫入深度的增大，鋼管樁越來越難以貫入。

不同工況下鋼管樁樁周地表土體豎向速度隨著距鋼管樁管壁距離的變化曲線整理如圖4所示。

圖4 各工況下地表豎向速度Fig.4 Vertical surface velocity under working conditions

由圖4可知，隨著貫入深度的增加，振動沉樁引起的樁周地表土體豎向速度增加，隨著距鋼管樁管壁距離的增大，土體豎向速度逐漸遞小。

3.4 振動沉樁加速度響應分析

通過數值模擬分析結果可知，鋼管樁沉樁初期，鋼管樁樁端加速度大小關系為：工況5＞工況4＞工況3＞工況2＞工況1，隨著振動錘的持續作用各工況的鋼管樁樁端加速度持續放大，此時樁端加速度的大小關系為：工況5＜工況4＜工況3＜工況2＜工況1。這是由于貫入深度的增加導致動摩阻力的增大，能量消耗逐漸增大，故在一定時間內初始埋深小的鋼管樁樁端加速度值越大。

5種不同工況下地表土體豎向加速度值隨著鋼管樁管壁距離的變化曲線整理如圖5所示。

圖5 各工況下地表豎向加速度Fig.5 Vertical surface acceleration under working conditions

由圖5可知，沉樁預埋深度較淺時，隨著沉樁的貫入所引起周圍的土體加速度隨之降低。當沉樁預埋深度較大時，埋深大的引起土體擾動初期大些，而后隨著沉樁的深入所引起周圍的土體加速度隨之降低。

4 結語

基于昆明市昆紡原址改造項目鋼管樁液壓振動沉樁工程實例，采用Midas GTSNX建立三維動力有限元模型。通過建立鋼管樁預埋深度的5種不同工況，對比研究了鋼管樁在不同入土深度時鋼管樁和樁周土體的位移場、速度場、加速度場分布情況，結果表明：

1）在鋼管樁振動沉樁過程中，隨著樁貫入土層深度的增加，鋼管樁樁端阻力和動側摩阻力值隨之增加，導致鋼管樁沉樁位移逐漸減少。

2）鋼管樁貫入土體過程中會引起樁周地表土體輕微振動。隨著樁入土深度的增加，樁周地表土層豎向擾動范圍逐漸增大，但樁周地表土體擾動大小均隨著距鋼管樁距離的增大而降低。

3）各工況在振動沉樁過程中，隨著貫入深度的增加，鋼管樁樁端阻力和動側摩阻力值隨之增加，鋼管樁樁端速度逐漸減小，且在沉樁過程中，各工況樁鋼管樁端速度大小的關系為：工況5＜工況4＜工況3＜工況2＜工況1；隨著鋼管樁貫入深度的增大，沉樁引起的樁周地表土體豎向速度也隨之增加。

4）在振動沉樁初始階段，鋼管樁樁端加速度大小的關系為：工況5＞工況4＞工況3＞工況2＞工況1，隨著時間的推移，振動錘給予振動沉樁系統的能量逐漸增大，從而引起鋼管樁樁端豎向加速度逐漸放大，在10 s時，鋼管樁樁端加速度大小的關系變化為：工況5＜工況4＜工況3＜工況2＜工況1。