振動荷載作用下橋梁樁基筑島平臺變形機制研究

王林峰 何靜 唐寧 傅奕帆 周楠

摘要：為了研究鉆機的振動荷載對峽谷裸巖深水地區(qū)橋梁樁基筑島平臺的穩(wěn)定性和樁孔形狀的影響機制，以貴州省北盤江貞望大橋6號橋墩樁基為研究對象，基于動力反應(yīng)分析，利用FLAC 3D對鉆機沖擊振動作用下筑島平臺的位移響應(yīng)規(guī)律進行了模擬分析。研究結(jié)果表明：水平和豎向位移最大值都出現(xiàn)在平臺坡肩，筑島平臺頂面水平位移隨著X方向（模型長度方向）距離的增加先減小后增大，而豎向位移隨著X方向距離的增加而減小;在沖擊荷載作用下，水平和豎向位移將分別放大1.27和1.37倍，筑島內(nèi)部的水平位移隨著土體深度的增加迅速衰減，且水平位移影響深度增大了2 m，豎向位移最大值增幅為85%，位于3 m深度處;筑島位移值隨著沖擊振動頻率的減小而減小，并且沖擊振動頻率對豎向位移的影響大于水平位移。最后對比分析了10種沖擊鉆對筑島平臺位移的影響，推薦該工程使用CK-3000型沖擊鉆機。研究結(jié)果可為類似大橋樁基工程施工提供理論指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：橋梁樁基; 筑島平臺; 變形機制; 振動荷載; 峽谷裸巖深水地區(qū)

中圖法分類號： U443.15

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.028

0 引 言

在峽谷裸巖深水地區(qū)，由于交通不便，大型起吊設(shè)備和駁船設(shè)備無法停靠，因此橋梁樁基的施工難度較大。峽谷地區(qū)樁基施工平臺主要有鋼圍堰平臺、樁圍堰平臺和筑島平臺等3種形式。鋼圍堰平臺、樁圍堰平臺無法控制樁孔不偏斜。因此，為了保證峽谷陡坡區(qū)域樁基施工樁孔不偏斜，筑島平臺是一種有效且經(jīng)濟的工程措施。筑島平臺的穩(wěn)定性主要受庫水位、填土材料、填筑質(zhì)量、排水性能、原地面的傾角和施工荷載等因素的影響，其中施工荷載對平臺的變形影響最大。因此研究沖擊振動荷載對峽谷裸巖深水地區(qū)橋梁樁基筑島平臺變形的影響機制有著重要的意義。

峽谷裸巖陡坡區(qū)域的筑島平臺核心技術(shù)難題在于筑島平臺邊坡在自重、施工荷載和庫水位變化作用下的穩(wěn)定性控制問題。李亞生等[1]考慮了填筑過程和固結(jié)效應(yīng)，并采用有限元方法分析了庫岸填筑類邊坡的穩(wěn)定性。王樂華等[2]基于模型試驗，分析了降雨作用下庫岸填筑類邊坡的破壞模式。史堯等[3]通過GeoStudio 軟件分析了深井降水筑島邊坡的穩(wěn)定性的影響大小。賈愷等[4]考慮軟弱地基失穩(wěn)破壞的穩(wěn)定系數(shù)比筑島邊坡小的情況，建立了軟土地基筑島邊坡穩(wěn)定性計算方法。李永春等[5]分析了筑島平臺在不同工況下的穩(wěn)定性，提出了相應(yīng)的施工措施。孫永廣[6]通過有限元分析法對筑島圍堰工程進行了應(yīng)力變形和穩(wěn)定性分析。對于填筑島的穩(wěn)定性控制，常見的方法有鎖扣鋼管樁、工字形板樁、沙袋擋墻、土體強度增強處理技術(shù)等[7]。Mohamed[8]等分析了用混凝土充填土工袋后鋪在岸坡上對岸坡穩(wěn)定性的影響。王婷婷等[9]采用PLAXIS 3D軟件對格型鋼板樁的加固效果進行分析，發(fā)現(xiàn)填島材料的選擇也是筑島質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素。高冉等[10-12]基于三軸試驗，分析了島礁吹填體鈣質(zhì)砂地基土的力學(xué)特性。吳楊等[13]通過三軸試驗分析了筑島用珊瑚砂的力學(xué)行為與顆粒破碎特性。王新志等[14]基于滲透試驗分析了人工筑島地基鈣質(zhì)粉土夾層的滲透特性。

綜上所述，筑島平臺是確保峽谷裸巖深水地區(qū)橋梁樁基順利施工的有效工程措施。目前對于筑島平臺的研究主要采用數(shù)值模擬和模型試驗，研究內(nèi)容主要集中在自重、降雨和庫水位等因素作用下的穩(wěn)定性和破壞機制研究。而在考慮鉆機沖擊動力荷載作用下筑島平臺的變形機制研究較少，因此本文將研究考慮鉆機沖擊動力荷載作用下筑島平臺的變形規(guī)律，分析平臺水平位移和豎向位移的響應(yīng)機制，并給出最優(yōu)樁基成孔設(shè)備的建議。

1 工程概況

本文以位于貴州省北盤江貞望大橋6號橋墩的樁基工程施工為例進行分析。貞望大橋位于北盤江的峽谷中，岸坡傾角約為45°，江水深約40 m。該邊坡坡陡，交通不便，大型起吊設(shè)備和駁船設(shè)備無法停靠，因此該項目選擇了筑島的方式修筑樁基施工平臺，保證樁孔成型質(zhì)量。筑島平臺的典型斷面如圖1所示。平臺335 m高程以下為拋石區(qū)，該區(qū)域采用強夯進行密實，夯擊能量為3 000 kN·m。平臺335～345 m高程范圍內(nèi)為堆石區(qū)，高10 m迎水面坡比為1∶1.50，背水面坡比為1∶1.00。平臺345 m高程以上為碎石土回填區(qū)，高10 m。碎石土面坡坡比1∶1.48，并采用結(jié)構(gòu)為正六邊形的C20預(yù)制混凝土塊進行護面，邊長為20 cm，厚20 cm，并在其下部設(shè)置40 cm厚的碎石過渡層和20 cm厚的砂反濾層以保證筑島填土體的透水性。

2 振動作用下筑島平臺的位移響應(yīng)

2.1 計算模型與參數(shù)的確定

沖孔灌注樁具有入土深、能入巖、剛度大、承載力高、樁身變形小、可方便進行水下施工等優(yōu)點，已被廣泛運用在工程建設(shè)中。鉆機振動荷載為點狀加載模型，是三維問題，采用FLAC 3D軟件進行模擬，模型的X，Y，Z方向如圖2所示，即X為模型長度方向，Y為模型寬度方向，Z為模型高度方向，模型X方向總長度為80.00 m，Y方向最大寬度為18.00 m，Z方向最大高度為40.00 m。模擬參數(shù)如表1所列。

在FLAC 3D中，對筑島平臺進行動力反應(yīng)分析時，幾何模型的各個側(cè)面邊界條件須考慮為沒有地面結(jié)構(gòu)的自由場運動。自由場網(wǎng)格通過阻尼器與中間的主體網(wǎng)格進行耦合。本文研究的筑島平臺施加邊界約束后的數(shù)值計算模型如圖2所示。FLAC 3D中為動力計算提供了瑞利阻尼、局部阻力、滯后阻尼3種阻尼形式。本文采用瑞利阻尼進行動力計算，其中最小臨界阻尼比為0.05。

本文研究中動荷載主要考慮沖擊鉆機施工時產(chǎn)生的動荷載。鉆機錘為DZJ-300型振動錘，其質(zhì)量為1.5×104 kg，平臺面積為546 m2，根據(jù)有關(guān)資料[15]得知沖擊荷載作用下最大豎向加速度為0.157 m/s2。故動荷載為

Pd=Fd/s=ma/s=1.5×104×0.157/546=4.313 kPa

式中：Fd為振動錘的沖擊力;m為振動錘的沖擊力;a為振動錘的最大豎向加速度，取值為0.157 m/s2;s為平臺面積。

2.2 計算結(jié)果分析

為了研究鉆機振動對筑島邊坡變形的影響機制，本文根據(jù)已經(jīng)確定的振動波形，采用APPLY命令在筑島平臺上模擬施加動荷載，動荷載作用于實際施工鉆孔位置，并選擇代表性監(jiān)測點對鉆機振動引起的筑島平臺位移變化進行監(jiān)測，用監(jiān)測結(jié)果分析出其影響規(guī)律，監(jiān)測點如圖3所示，具體坐標如表2所列。

2.2.1 位移分析

圖4為筑島邊坡各測點位移變化曲線。由圖4可知：隨著距平臺頂部距離的增大，加上沖擊荷載后的筑島邊坡上水平位移和豎向位移迅速減小。平臺坡肩的水平位移和豎向位移最大，其中最大水平位移為沿坡面向外-12.90 mm（負號表示位移方向指向坡面以外）;最大豎向位移為沿地面向下-15.44 mm（負號表示位移方向向下）。因此，在沖擊荷載作用下，島的豎向位移大于水平位移;無論水平位移還是豎向位移都主要發(fā)生在島的上部，對下部的變形影響較小。

由圖5可知：加和不加動荷載，水平位移變化趨勢基本相同，均隨著監(jiān)測點距離坐標原點的X方向距離增大而逐漸減小。在動荷載作用下，靠近樁孔附近的土體水平位移較大，且靠近邊坡的水平位移較大，是由于樁孔產(chǎn)生臨空面，導(dǎo)致樁孔周圍土體向孔內(nèi)移動，因此出現(xiàn)孔左邊土體水平位移隨著監(jiān)測點遠離坐標原點而先減小（位移方向為負）后增大（位移方向為正），孔右邊的土體也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，但方向相反;當X=50.45 m時，水平位移量最大，為-12.78 mm。不考慮沖擊動荷載時，最大水平位移是-10.05 mm，因此沖擊動荷載可以使水平位移增大27.16%。

由圖6可知：監(jiān)測點6～10在動荷載作用下的水平位移隨時間步長的增加而增加。監(jiān)測點7，9在動荷載作用下的水平位移變化情況相同，位移值為3.50 mm左右，監(jiān)測點6，8，10在動荷載作用下的水平位移分別為3.06，3.86，2.70 mm。對比可知，隨著振動時間的不斷增加，鉆機沖擊振動引起的水平位移增大。

圖7為土體深度為3.00 m時筑島平臺頂面沿X方向各點的豎向位移變化曲線。由圖7可知：隨著監(jiān)測點遠離原點豎向位移減小，最終趨于0。豎向位移較大的區(qū)域集中在49.75～57.45 m范圍內(nèi)，該區(qū)域的豎向位移均超過6.72 mm，在X=50.45 m處，監(jiān)測點豎向位移最大，為15.83 mm，較不加動荷載時的11.55 mm增加了4.28 mm，放大1.37倍。當X超過57.45 m時，筑島平臺的豎向位移基本小于1.64 mm，僅為最大豎向位移的10.36%，這是由于此區(qū)域離施工較遠，受施工動荷載的影響小，且筑島平臺越往里其穩(wěn)定性越好所致。

由圖8（土體深度為3.00 m）可知：監(jiān)測點11～15在振動荷載作用下豎向位移隨時間步長的增加而增加，且位移是沿著Z軸負方向發(fā)生的;監(jiān)測點15在振動荷載作用下豎向位移最后達到3.68 mm，為最小，監(jiān)測點13在動力荷載作用下豎向位移為4.89 mm，為最大。對比圖7發(fā)現(xiàn)，動荷載對筑島平臺水平位移的影響和豎向位移的影響存在差異，其對豎向位移的影響比水平位移增大了26.68%，因此，鉆機振動對筑島平臺豎向位移的影響較大。

將不加動荷載時和加動荷載時的土體深度-位移曲線繪制如圖9所示，分析動荷載對筑島平臺內(nèi)部位移的影響。從圖9可以看出：加動荷載后的水平位移變化趨勢與不加時保持一致，即隨著土體深度的增加，筑島平臺水平位移逐漸減小。加動荷載后，水平位移在數(shù)值上有所增大，對筑島平臺的影響深度也增大，在不加動荷載時，施工影響深度約為8 m，加動荷載后，影響深度約為10 m。筑島平臺底部的水平位移變化減小，主要集中在平臺的上部，這是因為筑島平臺的下部是較穩(wěn)定的灰?guī)r，受動荷載影響較小，而平臺的上部為填筑土體，穩(wěn)定性較差，受動荷載影響較大。

由圖10可知：加動荷載后的豎向位移變化規(guī)律與不加動荷載時相似，都是先增大后減小，都在土體深度為3.00 m時取得最大值，且都為負值。土體深度在0～10.00 m范圍內(nèi)動荷載對筑島平臺豎向位移影響顯著，豎向位移均增大，在X=54.65 m處，平臺豎向位移增加了5.44 mm，即增加了85%，土體深度大于10.00 m時，平臺的豎向位移幾乎為0。加動荷載和不加動荷載時對筑島平臺豎向位移的影響范圍基本保持不變。

2.2.2 振動頻率對筑島平臺位移影響分析

在沖擊鉆孔過程中，鉆機振動頻率對筑島邊坡的位移影響較大，圖11～12分別為監(jiān)測點5和監(jiān)測點8在頻率為50，30，5次/min下的水平位移和豎向位移變化時程曲線，由圖可以看出：

（1） 監(jiān)測點5和監(jiān)測點8在不同振動頻率下水平位移和豎向位移變化時程曲線相近，都隨著時間步長的增加而增加，且位移值隨著頻率的減小而減小，頻率為5次/min時的位移變化時程曲線更平緩，到最后，頻率為5次/min的位移值最小。

（2） 振動頻率從50次/min減小到30次/min時，監(jiān)測點5的水平位移下降了1.01 mm，監(jiān)測點8下降了1.58 mm;監(jiān)測點5豎向位移下降了0.38 mm，監(jiān)測點8下降了1.94 mm。而頻率從30次/min減小到5次/min時，監(jiān)測點5的水平位移下降了0.92 mm，監(jiān)測點8下降了1.26 mm;監(jiān)測點5的豎向位移下降了0.82 mm，監(jiān)測點8下降了1.66 mm，說明頻率對筑島平臺上的豎向位移的影響較大，降低振動頻率能有效減小豎向位移。

2.2.3 沖擊鉆機選擇

在施工時，應(yīng)選擇合適的沖擊鉆機，并且在施工過程中要注意控制鉆進速率等。整理有關(guān)沖擊鉆機型號參數(shù)如表3所列。根據(jù)上述數(shù)值模擬分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 遭受鉆機振動荷載作用時，筑島邊坡上的位移變化不大，筑島平臺上樁孔附近土體位移較大，且在X=54.65 m處的位移變化最大，水平位移增加3.86 mm，豎向位移增加4.89 mm，是水平位移的1.27倍，鉆機振動不僅對筑島邊坡的豎向位移影響較大，也對邊坡的水平位移也較大，即對影響樁孔質(zhì)量也較大，故不容忽視。

（2） 通過研究鉆機振動頻率與筑島邊坡位移變化規(guī)律可知，筑島邊坡各點的位移隨振動頻率的減小而減小，頻率為5次/min的位移值最小，頻率從50次/min減小到30次/min時，位移下降的幅度比頻率從30次/min減小到5次/min時稍大，豎向位移下降了2.05 mm，水平位移下降了1.58 mm。

（3） 在沖擊鉆孔過程中，沖擊頻率與沖擊行程之間相互制約，要想增大沖擊行程，必須要減小沖擊頻率，相反，如果要增大沖擊頻率，則也必須要減小沖擊行程。相關(guān)文獻指出[16]，沖擊行程越大，越有利于碎巖，在鉆孔過程中可采用較大沖程的沖擊鉆機。

由于該工程的灌注樁直徑為2.80 m，樁長為30.00 m，因此CK-3000、CK-3200、CK-3500滿足要求，從耗電量來看，CK-3000型沖擊鉆機總功率為140 kW，CK-3200型沖擊鉆機總功率為142 kW，而CK-3500型沖擊鉆機總功率為169 kW，該工程建議沖擊鉆機型號為CK-3000，并在沖擊鉆機底部加寬基座，保證設(shè)備穩(wěn)固牢靠。

3 結(jié) 論

（1） 本文以貴州省北盤江的貞望大橋6號橋墩的樁基工程施工為例，揭示了在鉆機沖擊振動作用下筑島平臺的位移響應(yīng)規(guī)律。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，鉆機沖擊振動作用時平臺坡肩的水平和豎向位移最大，分別為-12.90 mm和-15.44 mm。而筑島平臺頂面的水平位位移先減小后增大，最大值為-12.78 mm，不考慮沖擊動荷載時的最大水平位移是-10.05 mm，即沖擊動荷載可以使水平位移放大1.27倍;豎向位移隨著X方向距離的增大而減小，在X=50.45 m處豎向位移最大，為15.83 mm，較不加動荷載時的11.55 mm增加了4.28 mm，放大1.37倍。

（2） 隨著土體深度的增加，島內(nèi)部的水平位移迅速衰減，當不考慮沖擊振動荷載時，水平位移的影響深度為8 m，而考慮沖擊荷載時，水平位移的影響深度約為10 m。隨著土體深度的增加，島內(nèi)部的豎向位移先增加后減小，最后深度大于10.00 m時趨于0。豎向位移最大值位于深度為3 m處。當考慮動荷載后，島內(nèi)豎向位移增加了5.44 mm，即增加了85%。

（3） 考慮了50，30，5次/min 3種振動頻率，發(fā)現(xiàn)島的位移值隨著頻率的減小而減小，并且振動頻率對豎向位移的影響大于水平位移。

（4） 對比分析了10種沖擊鉆對筑島平臺變形的影響大小，并基于本文的研究成果，建議貴州省北盤江的貞望大橋6號橋墩的樁基工程施工宜選用CK-3000型沖擊鉆機。

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（編輯：胡旭東）

Study on deformation mechanism of island platform for bridge pile foundation under impact load

WANG Linfeng，HE Jing，TANG Ning，F(xiàn)U Yifan，ZHOU Nan

（Key Laboratory of Geological Hazards Mitigation for Mountainous Highway and Waterway of Chongqing Municipal Education Commission，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

In order to study the influence mechanism of impact and vibration load of the drilling rig on the stability and the pile hole shape of a island platform for bridge pile foundation in gorge area with bare rock and deep water，No.6 pier foundation of Zhenwang Bridge on Beipan River in Guizhou Province was simulated by FLAC3D to analyze the deformation mechanism based on dynamic response analysis.The results showed that both the maximum horizontal and vertical displacements all appeared on the slope shoulder of the island platform，while the horizontal displacement of the top surface started to decrease and then increased with the increase of the model length direction（X），and the vertical displacement continued to decrease with the increase of X direction.Under the action of impact load，the horizontal and vertical displacements were respectively magnified by 1.27 and 1.37 times.The horizontal displacement inside the island platform decayed rapidly with the increase of soil depth and the influence depth increased by 2 m，and the increase amplitude of maximum vertical displacement was 85%，where was 3m deep.The displacement of the island platform decreased with the decrease of the impact vibration frequency，and the vertical displacement was greater affected by the impact vibration frequency than the horizontal displacement.At last，the impact of 10 types of percussion drills on the displacement of the island platform were compared and analyzed，and CK-3000 impact drill was recommended for this project.The research results can provide theoretical guidance for pile foundation construction of similar bridges.

Key words：

bridge pile foundation;island platform;deformation mechanism;vibration load;gorge area of bare rock and deep water