高頻振動沉樁對周邊環(huán)境的影響

時林豐，謝建斌，劉克文，胡井友，林煌超，王卓蕾

（1.云南大學 建筑與規(guī)劃學院，昆明650500；2.十四冶建設云南勘察設計有限公司，昆明650031；3.昆明軍龍巖土工程有限公司，昆明650021）

與錘擊沉樁相比，高頻振動沉樁具有貫入性強、沉樁速度快、沉樁質量好、操作簡便等突出優(yōu)點。然而，大量的工程實踐表明，振動錘在施工過程中會在樁周土體中產生彈性波，使地面發(fā)生振動，當振動超過規(guī)定要求時，會對樁周附近建（構）筑物產生不利影響（建筑物開裂、道路損壞、地下管線偏移甚至斷裂等），從而干擾周圍居民和有關人員的正常工作和生活，影響了社會安定、城市建設以及投資環(huán)境[1-2]。因此研究高頻振動沉樁對周圍環(huán)境的影響已經刻不容緩！

目前國內外已有部分關于高頻振動沉樁引起周邊環(huán)境振動的研究。H.R.Masoumi 基于子域公式結合運用有限元和邊界元研究樁土相互作用機理，從振動產生的波在土中的傳播角度出發(fā)預測高頻振動打樁引起樁周圍的自由振動，并對附近結構的安全進行了安全評估[3]。魏楠研究了國產高頻振動錘在飽和軟黏土上的工作性能，分析了振動錘振動頻率與樁身振動量、地基土體振動量之間的關聯性[4]。楊祁等人借助ABAQUS 有限元軟件模擬高頻振動打樁過程，研究了樁周附近土層性質的變化[5]。張龍通過施工現場監(jiān)測和ABAQUS 有限元軟件相結合的方法，就振動沉樁在近海工程中對附近地下管廊安全運營產生的影響進行了建模探究與比對[6]。董軍鋒等論述打樁振動對建筑物影響形式，列舉了有關現行規(guī)范標準的振動容許限制，通過一個振動沉樁工程實例，對打樁振動監(jiān)測的具體方法及影響評價進行了系統(tǒng)分析[7]。張智梅等利用有限元軟件ABAQUS對振動沉樁過程進行數值模擬，對比分析了錘擊法和振動法兩種沉樁方式引起的振動衰減規(guī)律[8]。

以往研究中，為了簡化模型，大多將土層簡化為單一均質土體，僅研究高頻振動沉樁在某一種土體中的環(huán)境影響，與實際工程不符；此外，在具體高頻振動沉樁施工中，涉及各種工藝參數，諸如激振力、激振頻率、樁徑等，目前國內研究沉樁施工各工藝參數與環(huán)境影響兩者之間的相關性很少。

因此，本文針對云南省昆明市昆紡原址改造項目鋼管樁高頻液壓振動沉樁工程實例，借助數值分析工具，對土層進行實際劃分，并從振動頻率、樁徑、激振力和土層情況4個方面對周圍環(huán)境的影響進行系統(tǒng)分析，最后根據研究結果，提出相應的工程措施，進而降低沉樁施工對周圍環(huán)境的影響。旨在為目前密集城市地帶深基坑中鋼管支護樁高頻振動沉樁的工程應用提供借鑒。

1 工程概況

昆紡原址改造項目深基坑工程位于云南省昆明市盤龍區(qū)白龍路西端與白塔路交叉路口西南側原昆明紡織廠東區(qū)、星耀大廈以西約30 m處。該深基坑場地土層自地表以上往下依次為雜填土①、粉質黏土②1、圓礫②2、粉砂③1、粉質黏土③2和粉砂③3。工程勘察同時揭示，該項目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，在深基坑開挖深度范圍內，地下水含量相對較少。

本工程的基坑側壁為層狀結構的土質地基模型，自穩(wěn)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(huán)境、基坑開挖和基礎施工的安全，基坑支護選排樁+錨索+掛網噴砼聯合支護方式，支護樁采用可回收鋼管樁，型號為Q235?830×12，樁長18 m，通過國產ICE 高頻振動錘進行施工。

2 沉樁模型的建立

2.1 有限元建模

本文通過大型巖土工程有限元軟件Midas GTS NX 對沉樁過程進行數值建模。在有限元建模過程中，需對以下幾個關鍵問題進行簡要說明。

1）有限邊界處波反射的處理

通常在進行靜力數值模擬分析時，邊界范圍的選擇要求不能影響到實際變形結果，邊界設置可以完全自由或固定。然而，由于該模型為動力分析，在數值模擬過程中勢必會產生一定的應力波，當傳遞到有限元邊界處時會發(fā)生反彈，應力波的反彈易導致數值模擬結果不精確，若力求準確而設置較大邊界則計算單元量和內存、時間劇增，故難以實現。為解決該問題，本模型采用底面為完全固定邊界，上表面為自由邊界，4個側面采用黏彈性邊界，從而抵消應力波反彈。

2）土層情況的模擬

在以往的研究中，為了簡化模型，通常將實際工程的土層簡化為單一均質的土體，這與實際工程相矛盾。本模型按照實際土層厚度進行分割，并賦予其相對應的土層參數，與實際工程情況更為相符。

3）樁土之間界面單元的模擬

本模型通過在鋼管樁管壁與土體接觸面之間設置庫倫摩擦型接觸界面單元來模擬樁土之間的滑動效果。該界面單元采用Coulomb friction 理論，即假設界面摩擦力、摩擦系數和施加在摩擦界面上的法向約束力成比例。

4）模型網格的劃分

本模型通過析取的板單元來模擬鋼管樁，土體采用混合網格生成器生成的六面體實體單元，網格劃分采用播種線尺寸控制。為保證模型分析的精確度和準確性，鋼管樁豎直以下方向土體采用局部加密劃分。本模型的邊界尺寸范圍為：長×寬×高=24 m×24 m×36 m，模型共有79 098個單元，46 610節(jié)點。

2.2 數值分析中的基本假設和條件

1）采用newmark 直接積分法進行分析計算，將時間t視為積分參數從而求解動力平衡方程，以便充分考慮材料剛度及阻尼非線性特征。

2）由于基坑開挖深度范圍內地下水含量較少，不考慮土體中孔隙水壓力消散的影響。

3）由于鋼管樁彈性模量較大，其剛度遠遠大于巖土材料，受力后以彈性形變?yōu)橹鳎时疚闹械匿摴軜哆x用線彈性模型本構。土體則考慮為彈塑性材料，采用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）模型本構。

4）考慮沉樁之前土體初始地應力場的影響。

3 高頻振動沉樁環(huán)境影響參數分析

本文首先基于大型巖土工程有限元軟件Midas GTS NX 建立三維動力有限元模型，然后分別從振動錘振動頻率、鋼管樁直徑、振動錘激振力和土層情況4 個方面入手，研究沉樁過程中鋼管樁樁周地表豎向位移和地表豎向加速度隨距鋼管樁距離的變化規(guī)律，研究這4 個因素與環(huán)境影響評估指標之間的關系。

3.1 土層物理力學性能指標

通過場地工程勘察，配合標準貫入度試驗、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，獲取土層和鋼管支護樁的物理力學性能指標。結果如表1和表2所示。

3.2 加載模型

樁位于模型中心，采用Q235?830×12 的鋼管樁，樁長L=18 m，高頻振動沉樁模型所施加于樁頂的打樁力可由如下公式所示

式（1）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 高頻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-1；f=25 Hz；φ0=0。故公式（1）可表示為

為了便于觀看曲線趨勢，現只截取10t=0.4 s沉樁荷載曲線如圖1所示。

圖1 荷載曲線圖

綜上所述，基于大型巖土工程有限元軟件Midas GTS NX 建立的高頻振動沉樁三維動力有限元整體模型如圖2所示。

圖2 三維有限元整體模型

3.3 評估指標的采用

高頻振動沉樁對周圍環(huán)境的影響主要體現在以下兩個方面。首先，振動錘施加于鋼管樁上的振動力以波的方式傳遞到與之接觸的周圍土層中，從而使周圍土體產生振動，如果振動幅值超過規(guī)范要求，則建設于該土體上的建(構)筑物將發(fā)生振動破壞；其次，振動可能會引起周圍土體的“軟化”甚至“液化”，從而使土體的強度大幅度降低，引起建(構)筑物發(fā)生不均勻沉降破壞。研究表明，建(構)筑物所承受的振動破壞與地表豎向加速度之間的關聯性很大[9]，因此可以通過地表豎向加速度反映振動沉樁環(huán)境影響的大小。同時，高頻振動沉樁引起的周圍土體豎向位移可直接導致建(構)筑物發(fā)生不均勻沉降破壞。綜上所述，可以通過地表豎向位移和地表豎向加速度對沉樁引起的環(huán)境影響進行評估。

這些稻米，是北大荒七星農場與小崗村合作生產的優(yōu)質稻米。2018年初，北大荒集團在小崗村流轉約33.33 hm2土地，試驗種植30多個優(yōu)質稻米品種。“這次品鑒會，我們展示了10個早熟稻米品種。”北大荒集團七星農場駐小崗村技術負責人趙明武笑著說。

表1 土體參數

表2 鋼管樁參數

3.4 參數分析

1）振動頻率參數影響分析

選取20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz 共4 組不同的振動錘振動頻率，保持其他模型參數不變，在樁頂施加10 s 激振力，分析樁周土體豎向位移沉降量和土體豎向加速度隨距鋼管樁距離的變化規(guī)律。結果如圖3-圖4所示。

圖3 不同頻率樁周地表土體豎向位移變化曲線

圖4 不同頻率樁周地表土體豎向加速度變化曲線

由圖3-圖4可知，隨著振動頻率的提高，地表豎向位移逐漸減小，地表豎向加速度衰減逐漸增大，即對周邊環(huán)境的影響越來越小。因此，適當提高振動頻率對減小振動沉樁造成的環(huán)境影響非常有利。

2）樁徑參數影響分析

選取0.83 m、1.00 m、1.20 m、1.40 m 共4 組不同的鋼管樁直徑，其他模型參數不變，在樁頂施加10 s激振力，分析鋼管樁直徑與環(huán)境影響評估指標之間的關聯性。結果如圖5-圖6所示。

圖5 不同樁徑樁周地表土體豎向位移變化曲線

圖6 不同樁徑樁周地表土體豎向加速度變化曲線

由圖5-圖6可知，從本文研究的這4 種鋼管樁直徑來看：鋼管樁各直徑對地表土體豎向位移的影響主要集中在離管壁2 m范圍之內，在這一區(qū)間，D=0.83 m對地表土體擾動影響相對較大一些。當超過2 m范圍時，隨著距鋼管樁管壁距離的增大，各樁徑對土層影響逐漸降低且差異減小。

3）激振力參數影響分析

由圖7-圖8可知，不同激振力下的鋼管樁高頻振動沉樁引起的環(huán)境影響主要集中在離管壁2 m范圍之內。在該范圍內，隨著沉樁激振力的增大，樁周地表豎向位移逐漸增大，地表豎向加速度衰減逐漸減小，當激振力為1.5Fc時對樁周土體擾動最大。當超過2 m 范圍時，各激振力對土層影響的差異性逐漸變小。因此在達到最大激振力的一定范圍內隨著激振力的增大，高頻振動沉樁引起的樁周土體擾動也隨之增大。

4）土體參數影響分析

圖7 不同激振力樁周地表土體豎向位移變化曲線

圖8 不同激振力樁周地表土體豎向加速度變化曲線

已有研究表明，土質情況是影響地面振動傳播和振動施工效應影響的最主要因素[2]。選取本文建模中6 種不同土體，分別為：動彈性模量為160 MPa的雜填土；動彈性模量為210 MPa的粉質黏土；動彈性模量為482 MPa 的圓礫；動彈性模量為327 MPa的粉砂；動彈性模量為301 MPa的粉質黏土；動彈性模量為368 MPa 的粉砂。因為只研究機理性狀，故采用單一均質土體，所采用的土體物理力學性能指標見表1所示。其他模型參數不變，在樁頂施加10 s激振力，分析不同土質條件下沉樁施工所產生的環(huán)境影響。結果如圖9-圖10所示。

圖9 不同土體下樁周地表豎向位移變化曲線

由圖9-圖10可知，在6 種不同土質情況下，高頻振動沉樁對周圍環(huán)境影響的趨勢大致相同，即隨鋼管樁管壁距離的增大，地表豎向位移和地表豎向加速度逐漸減小。通過對比分析不同土質條件下樁周地表豎向位移和樁周地表豎向加速度的變化規(guī)律可知，土體動彈性模量越大，周邊土體豎向位移越大，豎向加速度衰減速度越小，既對周邊環(huán)境影響越大，在圓礫土層中的影響最為明顯，雜填土層中的影響最小。因此，在高頻振動沉樁過程中，堅硬土層相比于軟弱土層更容易引起較大的環(huán)境影響。

圖10 不同土體下樁周地表豎向加速度變化曲線

4 結語

(1)通過振動頻率參數分析可知，隨著振動頻率的提高，高頻振動沉樁對周圍環(huán)境的影響逐漸變小，因此在工程實踐中適當提高振動錘的振動頻率，有利于減小振動沉樁對周圍環(huán)境的影響。這也是為什么振動樁錘朝中頻、高頻以及超高頻方向發(fā)展的重要優(yōu)勢和原因之一。

(2)樁徑參數影響分析結果表明：在一定區(qū)間內，樁徑越小，則對地表土體擾動影響相對越大，但是超過該區(qū)間，樁徑與高頻振動沉樁環(huán)境影響之間的相關性很小。因此不建議在工程實踐中通過改變樁徑來減小振動沉樁對周圍環(huán)境的影響。

(3)通過激振力參數影響分析發(fā)現，隨著激振力的提高，高頻振動沉樁對周圍環(huán)境的影響越來越大。因此在滿足沉樁能力和沉樁效率的情況下，應盡量減小激振力，進而減少振動沉樁對周圍環(huán)境的影響。

(4)振動錘施加于鋼管樁上的能量不變，樁在較硬土層情況下貫入速度小，則傳遞到周圍土中的振動能量就越大，從而對周圍土體產生較大的擾動；而在軟弱土層情況下鋼管樁快速下沉，大部分能量消耗在樁的沉樁過程中，則傳遞到周圍土中的振動能量較小，則對周圍土體產生較小的擾動。

因此，在密集城市地帶的高頻振動沉樁實際工程中，可以通過適當提高振動頻率和降低沉樁激振力等方式來減小高頻振動沉樁對周圍環(huán)境的影響。同時，研究結果表明在軟弱的雜填土以及黏土層中應用高頻振動沉樁時產生的環(huán)境影響較小，因此該土層情況下適宜應用高頻振動沉樁技術。