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打樁振動對周圍建筑物位移影響研究

文檔作者：方華建蔣軍文檔來源：浙江大學防災工程研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月07日
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100 低溫建筑技術(shù) 2012年第5期(總第167期)
打樁振動對周圍建筑物位移影響研究
方華建， 蔣軍
(浙江大學防災工程研究所． 杭州310058)
【摘要】 為提高對打樁振動效應的認識，為以后的打樁擠土、振動監(jiān)測和成果處理提供依據(jù)，結(jié)合打樁擠
土監(jiān)測的實測數(shù)據(jù)，利用有限元軟件Plaxis8．5動力分析模塊模擬了打振動沉管砂石樁的全過程。數(shù)值模擬結(jié)果
表明：打樁振動可引起地面點和建筑物下沉，且主要發(fā)生在樁穿過貫入阻力值較大土層；打樁振動對建筑物水平
位移影響小，對豎向位移影響較大；在豎直方向上，煤氣管道基礎(chǔ)附近隨深度增加，各斷面豎向位移減??；隨距離
的增加，打樁振動對位移的影響越來越小，但振動波遇見結(jié)構(gòu)物時卻有放大效應，不容忽視。
【關(guān)鍵詞】振動效應；擠土效應；動力分析；地面下沉
【中圖分類號】TU435 【文獻標識碼】B 【文章編號】 1001—6864(2012)05—0100—03
浙江沿海某鋼鐵公司新增一次料場位于深厚軟土地
區(qū)，地基處理采用振動沉管砂石樁。打樁擠土監(jiān)測發(fā)現(xiàn)建、
構(gòu)筑物有向下的豎向位移，與普通靜壓樁擠土效應規(guī)律不
同。目前幾乎沒有振動對建、構(gòu)筑物位移影響的研究文獻
報道，是一個亟待解決的問題。
靜壓樁在深厚軟土地區(qū)進行施工，一般在貫人過程中
將使下部土體側(cè)向移動，地表隆起，對相鄰建筑物造成破
壞，對鄰樁產(chǎn)生徑向壓力及垂直向拉拔力，使樁身彎曲、傾
斜、水平位移等¨ 引。打樁產(chǎn)生的地面振動會對近距離的
建、構(gòu)筑物造成不同程度的破壞，對地下管線的正常使用造
成影響，對人們的正常工作和生活造成干擾，還會使鄰近建
筑物地基或是路基產(chǎn)生不均勻下沉H-8]。Lacy等-3 在研究
多個實測打樁誘發(fā)砂基沉降資料的基礎(chǔ)上，介紹了幾個用
來計算地面沉降的方法，并強調(diào)指出在打樁過程中計算松
砂沉降時出現(xiàn)的一些問題。Lacy等 把地面振動的峰值質(zhì)
點速度2．5mm／s作為易損場地上可能發(fā)生顯著沉降的門檻
值。Clough等 用加速度來估算地面和基礎(chǔ)沉降。楊先
健 建議采用地基質(zhì)點速度與地基剪切波速之比來控制振
動沉降。此外，土層上覆靜壓力對基礎(chǔ)的動力沉降也起著
十分重要的作用。打樁振動對建、構(gòu)筑物位移的影響由振
動強度、打樁距離、建筑物基礎(chǔ)強度、上部荷載、工程地質(zhì)條
件等決定，因此在工程中建、構(gòu)筑物的位移隨打樁過程的變
化還有待進一步的研究。
本文結(jié)合打樁擠土監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用數(shù)值模擬的方法研
究了打振動沉管砂石樁時對鄰近建筑物的影響，以提高打
樁時振動效應的認識，從而為以后的打樁擠土監(jiān)測和成果
處理提供依據(jù)。
1 工程概況
場地工程地質(zhì)剖面圖及打樁擠土、振動監(jiān)測布置圖如
圖1所示。
新建料場總占地約l0萬in ，采用砂石樁進行地基處
理。擬用的振動沉管砂石樁為直徑800ram，樁長20m。
擬建工程周圍已有較多建、構(gòu)筑物，有較多地下管線，
在打樁過程中，必須對其保護。特別是一次料場長達600m
『J征熙 1 口 ^ 煤氣管道奠
一次料場打樁區(qū)。 ? 煤氣管
填] 2(JkN／m．'c=10kPa,tllt=35 E一．叩M
眥 隹I6 k ，m ’ )kr L四目4．j) r．§= ，．13K
淤泥
質(zhì)粉 7．IkN／m’,c~l1．蝴【lP‘ 3砷。EB：5．16M} 80長4
質(zhì)粘 出孔灌注翹
土
n．17AkN／m’,e=16．2kP~ 3．fiO*Es=13．93I~l
粘土 18．SkN／m' 38．5~ 5．00"Es=17．85bf i
饋 、 細 ER=25戚l P‘
粘土 7e193 26Ic] 士母 Eta31．60MPa．
1{蠢望產(chǎn) 2IcN^ 艫435kP l3 33
囂 ／=19．6k．Nhn~,c=27．2kPa,~,=19．80 E5=孤00MPg
40
3O
20
1O
O
圖l 土層剖面圖
圖2 測點DI3前每日打樁量和打樁距離
的10號料條，打樁邊界與煤氣管距離僅為6．8m。為了控制
施工進度、合理安排打樁順序、減少擠土對周圍已有建構(gòu)筑
物影響，對周圍建構(gòu)筑物進行了施工期間打樁擠土監(jiān)測。
監(jiān)測是從打樁位置離建、構(gòu)筑物50m左右開始的。圖2為
測點D13前每日打樁量和打樁距離。
2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析
如圖3為實測打樁距離lm處垂直向振動加速度曲線，
圖4為測點D13的時間一豎向位移曲線。
如圖4所示，在打樁距離40in至20m的范圍內(nèi)時，建、
方華建等：打樁振動對周圍建筑物位移影響研究 101
構(gòu)筑物豎向位移向下，打樁距離23m(3月23日)時日沉降
最大，有6mm；打樁距離小于20m(3月27日)后，建、構(gòu)筑物
開始有向上位移。與靜壓樁擠土效應引起建筑物豎向位移
變化規(guī)律不同。
由于場地優(yōu)勢，600m長料場，通過對類似工況下強化測
量，發(fā)現(xiàn)振動沉管砂石樁施工過程中，建、構(gòu)筑物有類似的
下沉現(xiàn)象。由此可見，振動效應使建、構(gòu)筑物產(chǎn)生向下的豎
向位移。
為進一步研究打樁振動對建、構(gòu)筑物位移的影響，下面
結(jié)合有限元軟件對這些情況進行分析。
圖3 距離lm處垂直向振動加速度曲線
昌 4·0
0．0
鎏 -4．。0
醐一12．0
- 16．0
圖4 時間一豎向位移曲線
3 打樁振動效應模型的建立
本文數(shù)值分析以現(xiàn)場實測的“打樁振動加速度曲線”圖
3為依據(jù)，利用有限元軟件P1AXIS模擬振動沉管砂石樁貫
入到每個土層的振動效應，采取不斷置換材料參數(shù)來表示
樁的貫人，可以較大程度的忽略擠土效應，進一步研究打樁
振動效應對周圍建筑物及地面位移的影響。為了能在分析
中更加精確分析振動效應的對建、構(gòu)筑物位移的影響，模型
的大小尺寸、土層厚度均按照實際原型進行設(shè)置。
3．1 有限元模型的建立及參數(shù)的確定
(1) 土。土體采用Molar—Coulomb模型。樁土間設(shè)
置界面單元來模擬樁和土體的相互作用，界面需要延伸
0．5m。用于考慮在打樁過程中由于土體滑移所產(chǎn)生的材料
阻尼，以及考慮樁端的充分變形。幾何模型為軸對稱模型，
振動沉管樁樁體沿著對稱軸，土體和樁體都用15節(jié)點單元
來模擬。為了避免振動波會在模型邊界處反射，在底部和
右側(cè)邊界設(shè)置標準吸收邊界。為了限制土體的側(cè)向邊界的
水平位移，底邊界的豎向位移及水平位移，設(shè)置標準固定邊
界。有限元模擬時土體參數(shù)及分層見圖1(fl,)，振動沉管樁
用考慮非多孔介質(zhì)的線彈性模型來模擬： =24kN／m ，E=3
×10’kN／m
，
u=0．1，Ri =1。
表1 土體參數(shù)及模擬扳動時間振幅
(2) 鉆孔灌注樁。模型采用軟件中的phate單元，將
其等效為均質(zhì)線彈性板樁墻，等效后的模擬參數(shù)取值：EA=
3．27×10 kN／m，E1=1．0×10。kN·m／m 和泊松比t，=0．1。
3．2 有限元模擬工況
有限元模擬打樁處距離煤氣管道基礎(chǔ)40m，振動時間總
計36．6s。現(xiàn)場施工的沉管樁樁徑800mm，DZ90KS振動錘
工作轉(zhuǎn)速1050rpm，功率90kW。故模擬頻率取17．5HZ，最
大幅值1000kN／m 。根據(jù)現(xiàn)場實測的“打樁振動加速度曲
線”圖3，有限元數(shù)值模擬的振動時間和振幅取值見表1。
4 有限元模擬結(jié)果與分析
4．1 樁尖入土深度與振動引起地面點位移的關(guān)系
地面上點A、B、C、D分別距離樁心5、2o、4JD、55m，其中
點C在煤氣管道基礎(chǔ)上。從圖中可以看出，振動引起的地
面點位移主要與樁尖穿過的土層的硬度、深度有關(guān)。樁在
穿過貫人阻力值較大的第2層土層時造成的地面點向下豎
向位移最大，幾乎占了全部沉降量；樁在穿過第1層、第2層
土層時地面點位移的振幅較大，在穿過第2層時達到最大
值。樁尖入土深度與地面點振動加速度幅值也存在同樣的
規(guī)律，見圖4。
打振動沉管砂石樁沉樁能量是通過套管側(cè)面和底端傳
到地基中去的，沉樁引起的地基振動最主要因素還是地基
土，尤其是樁端土抵抗樁貫入下沉的阻力。因此，地基土體
越硬(貫入度越／b)，所需振動能量越大，沉樁產(chǎn)生的地基振
動也會更加強烈，因而對土體位移產(chǎn)生的影響也越強烈。
4．2 距離變化對振動引起豎向位移的影響
圖5為距離地面深度5、1O、2O、35、50、70m六個斷面處
不同時刻的位移曲線。排除煤氣管道基礎(chǔ)的影響，在水平
方向上對比2個工況，可以發(fā)現(xiàn)：較深斷面的豎向位移受樁
端人土深度影響小，離樁軸線的水平距離越大，各斷面豎向
位移越小；較淺的A—A、B—B斷面受樁端入土深度影響較
大，特別是1倍樁長(20m)范圍內(nèi)，隨著振動時間越來越多，
豎向位移越來越大。在豎直方向上，煤氣管道基礎(chǔ)附近深
度的增加，各端面豎向位移減小；在較遠處斷面深度增加，
102 低溫建筑技術(shù) 2012年第5期(總第167期)
豎向位移不斷增加。
振動對模型中煤氣管道前后兩根基礎(chǔ)樁的影響也不
同，豎向位移隨距離的增加而減小。從實測和已有資料Cl,2]
可知，地面點振動加速度幅值也隨距離增大越來越小。
O
目1
昌
面2
壁3
恒4
5
6
O
昌 l
蓋：
星3
墓4
5
6
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10o
(矗)6B時斷面下沉量
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(b)36．6B時斷面下沉量
圖5 打樁振動弓l起斷面位移
4．3 打樁振動對建筑物影響
由圖5可知，煤氣管道基礎(chǔ)處豎向位移最大，水平位移
幾乎為零。在煤氣管道基礎(chǔ)前水平位移為正，后為負。由
于在煤氣管道基礎(chǔ)處有很大的豎向位移，附近土體過來補
充產(chǎn)生了水平位移。
煤氣管道基礎(chǔ)對附近土體豎向位移的影響很明顯。地
面豎向位移、深層土體豎向位移均在煤氣管道基礎(chǔ)處最大，
并隨離煤氣管道基礎(chǔ)距離的增加不斷衰減。在煤氣管道基
礎(chǔ)樁持力層以下受其影響程度越來越小。
振動會使粘聚力c明顯的降低，并且其降低程度隨振動
的頻率和土壓縮性的增大而有所增大；對于飽和土體，持續(xù)
振動產(chǎn)生的殘余空隙水壓力 將不斷地升高，則由r=c +
( -p．)tancp 知，土體在振動作用下的抗剪切變形的能力會
明顯變小。且在煤氣管道基礎(chǔ)上由于存在上部結(jié)構(gòu)和煤氣
管道傳下來的較大荷載，加上打樁振動作用，原先的靜荷載
變成了動荷載。打樁振動使原有處于平衡狀態(tài)下煤氣管道
基礎(chǔ)的平衡被破壞，迫使它繼續(xù)下沉，以獲得足夠的承
載力。
5 結(jié)語
(1) 打樁振動可引起地面點和建、構(gòu)筑物下沉，且主
要發(fā)生在樁穿過貫入阻力值較大土層。振動對土體位移的
影響較／b；對建、構(gòu)筑物豎向位移影響較大，對水平位移影
響較小。沿海地區(qū)振動引起位移一般主要發(fā)生在貫入淺層
分布的一層較硬但厚度不大的土層時。
(2) 在豎直方向上，煤氣管道基礎(chǔ)附近隨深度增加，
各斷面豎向位移不斷減小；在較遠處斷面深度增加，豎向位
移不斷增加。
(3) 距離的增加，打樁振動對位移的影響越來越小，
但振動波遇見結(jié)構(gòu)物時卻有放大效應，不容忽視。
(4) 在對類似振動沉管樁擠土效應的研究中，應該綜
合考慮振動效應，以便做出正確的評價。
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[收稿日期】2011—12—20
[作者簡介】 方華建(1985一)，男，浙江淳安人，碩士，研究方
向：巖土工程軟基方向地基處理。

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