沉樁隔振措施有限元動力分析

冀天竹，凌穆峰，徐 嵐

(上海友為工程設計有限公司，上海 200082)

上海市蘇州河(嘉定區)堤防專項維修工程施工過程中，某段新建防汛墻后有一取水泵站，與防汛墻距離僅有6m。新建防汛墻設置了鋼筋混凝土板樁截斷滲流通道，而該取水泵站需保留不可拆除，因此防汛墻施工過程中要保證泵站房屋結構的穩定與安全。經方案比選，若防汛墻前采用拉森鋼板樁加固，則可減小打樁振動對泵站房屋造成的損害，又能減少擠土效應，但拉森鋼板樁費用較高，維修工程項目經費有限，不宜選用；若采用靜壓樁法施工來減輕振動影響，靜壓樁機械較為龐大，而施工進場道路狹窄，設備無法進場作業。因此只能選擇預制樁以振動沉樁的方式進行施工。同時，要采取恰當有效的隔振措施，以保證泵站房屋的結構穩定與施工安全。

預制樁有著施工方便、工期短、質量可靠等優點，但其施工時帶來的振害影響，往往會對周圍臨近建筑物造成破壞性的危害。因此需在施工期采取恰當有效的隔振措施，確保泵站房屋的結構穩定與施工安全。

工程中，常用隔振措施有隔振溝、鉆孔砂樁、樁屏蔽等。采用有限元軟件ABAQUS，模擬振動沉樁的動態施工過程[1]，研究分析不同隔振措施的隔振效果，特別是周圍建筑物的變形與位移情況，對研究和預測振動沉樁給臨近建筑物造成的傷害有著重要的意義，為類似工程項目提供一定的參考依據。

1 常用隔振措施

打樁產生的振動是一種沖擊型振動，產生的振動波向四周幅射，形成振動影響場，沉樁能量通過樁側面和底端傳到地基中[2]。從阻擋和釋放應力波的角度出發，常采用以下三種隔振措施來降低振動沉樁對周圍建筑物的振動影響。

(1)隔振溝

隔振溝斷面一般呈梯形，溝寬應大于60cm；溝深應為地面波波長的1/4，在被保護建筑物基礎深度的兩倍以上；溝長應大于被保護目標沿道路方向的長度。

(2)鉆孔砂樁

在距離打樁點約0.5倍樁長的位置，鉆一排直徑約700mm、間距為1m的應力釋放孔，內部填滿砂子用以削弱振動波。

(3)樁屏蔽

樁屏蔽方法可采用單排鋼管樁、多排鋼管樁、鋼板樁對撐等形式，在打樁位置與被保護建筑物之間形成一道隔振墻，吸收和反射振動波能量，削弱振動波的傳播[3]。

2 計算原理及方法

采用ABAQUS/Explicit模塊，即顯式積分格式對振動沉樁過程進行動態模擬。計算采用的力學模型如圖1所示，樁錘m以速度Vh沖擊樁墊K，樁墊K再把樁錘的能量傳遞給樁，獲得能量后的樁向土中貫入，在貫入過程中樁體受到樁側和樁端的阻力和阻尼作用[4]。

圖1 振動沉樁力學模型

樁錘沖擊荷載簡化為一個垂直作用在樁頂的均布荷載[5]，荷載大小為隨時間變化的諧函數，荷載波形取諧函數的正半波。

分析步類型選擇顯式動力分析[6]。同時，設置輸出每一迭代步的計算結果，用以讀取計算結果的時程曲線。

考慮樁-土之間的相互作用，計算模型中樁與土之間設置surface to surface接觸，樁側面與樁底面為主動面，土體與樁的接觸面為從動面。

3 計算模型及參數

蘇州河(嘉定區)堤防專項維修工程中新建低樁承臺結構如圖2所示。在原有擋墻岸后，新建C30鋼筋混凝土擋墻，新建擋墻底板下布置300mm×300mm×12000mm@1200mm的C30鋼筋混凝土方樁，擋墻岸后6m處有一取水泵房，泵房結構為鋼筋混凝土材料。

振動沉樁施工機械樁錘重量為3.5t，沖程在1.8～2.2m范圍時，可提供的沖擊力為3000～4000kN。本文取3000kN作為沖擊荷載，即動力荷載的峰值為3000kN，頻率為50Hz，作用時間取0.01s。考慮到樁-土系統在受到沖擊荷載后，產生的阻尼振動將持續一段時間，將動力計算時間設置為5.0s，以便從計算結果中讀取振動衰減過程。

場地在勘察最大深度為25.00m內的土層部分，主要由填土、淤泥質土、粘性土、粉性土等組成。土體本構模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，考慮到振動沉樁持續時間較短，在計算時間內認為土體均為不排水土層。根據已有地質勘察資料，取得該模型的計算參數見表1。

表1 土體模型摩爾-庫倫參數

為對比分析不同隔振措施的隔振效果，分別建立無隔振措施、隔振溝、鉆孔砂樁、樁屏蔽(鋼板樁對撐)這4種工況的計算模型進行模擬計算。

圖2 新建低樁承臺結構圖

4 結果與分析

如圖3所示為無隔振措施時，打樁振動一次后的豎向位移分布云圖。如圖4—6所示分別為采取隔振溝、鉆孔砂樁、鋼板樁對撐措施時，打樁振動一次后的豎向位移分布云圖。

圖3 無隔振措施(U3/m)

圖4 設置隔振溝(U3/m)

圖5 設置鉆孔砂樁(U3/m)

圖6 設置鋼板樁對撐(U3/m)

由分布云圖可看出，隔振溝、鉆孔砂樁和鋼板樁對撐對阻斷振動傳播都可以起到一定的效果。其中，隔振溝，由于場地大小限制，其開挖面較小、開挖深度較淺，隔振效果并不明顯，且隔振溝邊坡無約束，存在不穩定的隱患。鉆孔砂樁，由于砂的松散與大孔隙特性，其阻尼較大，可有效減弱振動波的傳播，并使得地基土沉降變形較為均勻。鋼板樁對撐措施，使打樁點與建筑物之間形成一道空氣隔墻，鋼板樁也可反射部分振動波，隔振效果較好。

取泵房臨近打樁點側墻面上的一點，讀取該點豎向位移隨時間變化的時程曲線，如圖7—10所示分別為這4種工況下U3～T的時程變化曲線。由圖可得各工況下，泵房側墻的最大位移量和最終沉降量見表2。

表2 各工況下泵房側墻的最大位移量 單位：mm

圖7 無隔振措施(U3/m～T/s)

圖8 設置隔振溝(U3/m～T/s)

圖9 設置鉆孔砂樁(U3/m～T/s)

圖10 設置鋼板樁對撐(U3/m～T/s)

對比在不同隔振措施下泵房墻體的最大豎向位移量，可知采用鉆孔砂樁和鋼板樁對撐措施的隔振效果最好，而在隔振溝措施下，由于施工場地條件的限制，開挖小斷面隔振溝未能起到很好的隔振效果。在實際工程中，蘇州河(嘉定區)堤防專項維修工程采用了鋼板樁對撐的方法對臨近取水泵房進行保護，樁基施工過程中，打樁振動未對泵房造成結構損害，證實了方案的可行性。

5 結論

當振動打樁位置與周圍建筑物距離較近時，需采取有效的隔振措施對建筑物加以保護，控制振動影響在允許范圍之內。針對不同的工程特性與實際情況，可采用有限元動態模擬計算方法，對不同隔振措施進行科學的分析評估，為減輕振動沉樁給臨近建筑物帶來的影響提供參考依據，以便及時做出有效的設計方案，保證工程建設安全與順利施工。