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打樁振動(dòng)對(duì)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(xué)防災(zāi)工程研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(dòng)對(duì)周圍建筑物位移影響研究
方華建， 蔣軍
(浙江大學(xué)防災(zāi)工程研究所． 杭州310058)
【摘要】 為提高對(duì)打樁振動(dòng)效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，為以后的打樁擠土、振動(dòng)監(jiān)測(cè)和成果處理提供依據(jù)，結(jié)合打樁擠
土監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用有限元軟件Plaxis8．5動(dòng)力分析模塊模擬了打振動(dòng)沉管砂石樁的全過程。數(shù)值模擬結(jié)果
表明：打樁振動(dòng)可引起地面點(diǎn)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(dòng)對(duì)建筑物水平
位移影響小，對(duì)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(dòng)對(duì)位移的影響越來越小，但振動(dòng)波遇見結(jié)構(gòu)物時(shí)卻有放大效應(yīng)，不容忽視。
【關(guān)鍵詞】振動(dòng)效應(yīng)；擠土效應(yīng)；動(dòng)力分析；地面下沉
【中圖分類號(hào)】TU435 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】 1001—6864(2012)05—0100—03
浙江沿海某鋼鐵公司新增一次料場(chǎng)位于深厚軟土地
區(qū)，地基處理采用振動(dòng)沉管砂石樁。打樁擠土監(jiān)測(cè)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(yīng)規(guī)律不
同。目前幾乎沒有振動(dòng)對(duì)建、構(gòu)筑物位移影響的研究文獻(xiàn)
報(bào)道，是一個(gè)亟待解決的問題。
靜壓樁在深厚軟土地區(qū)進(jìn)行施工，一般在貫人過程中
將使下部土體側(cè)向移動(dòng)，地表隆起，對(duì)相鄰建筑物造成破
壞，對(duì)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(dòng)會(huì)對(duì)近距離的
建、構(gòu)筑物造成不同程度的破壞，對(duì)地下管線的正常使用造
成影響，對(duì)人們的正常工作和生活造成干擾，還會(huì)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(gè)實(shí)測(cè)打樁誘發(fā)砂基沉降資料的基礎(chǔ)上，介紹了幾個(gè)用
來計(jì)算地面沉降的方法，并強(qiáng)調(diào)指出在打樁過程中計(jì)算松
砂沉降時(shí)出現(xiàn)的一些問題。Lacy等 把地面振動(dòng)的峰值質(zhì)
點(diǎn)速度2．5mm／s作為易損場(chǎng)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(diǎn)速度與地基剪切波速之比來控制振
動(dòng)沉降。此外，土層上覆靜壓力對(duì)基礎(chǔ)的動(dòng)力沉降也起著
十分重要的作用。打樁振動(dòng)對(duì)建、構(gòu)筑物位移的影響由振
動(dòng)強(qiáng)度、打樁距離、建筑物基礎(chǔ)強(qiáng)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(jìn)一步的研究。
本文結(jié)合打樁擠土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使用數(shù)值模擬的方法研
究了打振動(dòng)沉管砂石樁時(shí)對(duì)鄰近建筑物的影響，以提高打
樁時(shí)振動(dòng)效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，從而為以后的打樁擠土監(jiān)測(cè)和成果
處理提供依據(jù)。
1 工程概況
場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面圖及打樁擠土、振動(dòng)監(jiān)測(cè)布置圖如
圖1所示。
新建料場(chǎng)總占地約l0萬(wàn)in ，采用砂石樁進(jìn)行地基處
理。擬用的振動(dòng)沉管砂石樁為直徑800ram，樁長(zhǎng)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(duì)其保護(hù)。特別是一次料場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)600m
『J征熙 1 口 ^ 煤氣管道奠
一次料場(chǎng)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(zhǎng)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(xì) 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(cè)點(diǎn)DI3前每日打樁量和打樁距離
的10號(hào)料條，打樁邊界與煤氣管距離僅為6．8m。為了控制
施工進(jìn)度、合理安排打樁順序、減少擠土對(duì)周圍已有建構(gòu)筑
物影響，對(duì)周圍建構(gòu)筑物進(jìn)行了施工期間打樁擠土監(jiān)測(cè)。
監(jiān)測(cè)是從打樁位置離建、構(gòu)筑物50m左右開始的。圖2為
測(cè)點(diǎn)D13前每日打樁量和打樁距離。
2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析
如圖3為實(shí)測(cè)打樁距離lm處垂直向振動(dòng)加速度曲線，
圖4為測(cè)點(diǎn)D13的時(shí)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(shí)，建、
方華建等：打樁振動(dòng)對(duì)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(shí)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(yīng)引起建筑物豎向位移
變化規(guī)律不同。
由于場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)，600m長(zhǎng)料場(chǎng)，通過對(duì)類似工況下強(qiáng)化測(cè)
量，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)效應(yīng)使建、構(gòu)筑物產(chǎn)生向下的豎
向位移。
為進(jìn)一步研究打樁振動(dòng)對(duì)建、構(gòu)筑物位移的影響，下面
結(jié)合有限元軟件對(duì)這些情況進(jìn)行分析。
圖3 距離lm處垂直向振動(dòng)加速度曲線
昌 4·0
0．0
鎏 -4．。0
醐一12．0
- 16．0
圖4 時(shí)間一豎向位移曲線
3 打樁振動(dòng)效應(yīng)模型的建立
本文數(shù)值分析以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的“打樁振動(dòng)加速度曲線”圖
3為依據(jù)，利用有限元軟件P1AXIS模擬振動(dòng)沉管砂石樁貫
入到每個(gè)土層的振動(dòng)效應(yīng)，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(yīng)，進(jìn)一步研究打樁
振動(dòng)效應(yīng)對(duì)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(dòng)效應(yīng)的對(duì)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(shí)際原型進(jìn)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(duì)稱模型，
振動(dòng)沉管樁樁體沿著對(duì)稱軸，土體和樁體都用15節(jié)點(diǎn)單元
來模擬。為了避免振動(dòng)波會(huì)在模型邊界處反射，在底部和
右側(cè)邊界設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)固定邊
界。有限元模擬時(shí)土體參數(shù)及分層見圖1(fl,)，振動(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間總
計(jì)36．6s?，F(xiàn)場(chǎng)施工的沉管樁樁徑800mm，DZ90KS振動(dòng)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(chǎng)實(shí)測(cè)的“打樁振動(dòng)加速度曲
線”圖3，有限元數(shù)值模擬的振動(dòng)時(shí)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(dòng)引起地面點(diǎn)位移的關(guān)系
地面上點(diǎn)A、B、C、D分別距離樁心5、2o、4JD、55m，其中
點(diǎn)C在煤氣管道基礎(chǔ)上。從圖中可以看出，振動(dòng)引起的地
面點(diǎn)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(shí)造成的地面點(diǎn)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(shí)地面點(diǎn)位移的振幅較大，在穿過第2層時(shí)達(dá)到最大
值。樁尖入土深度與地面點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值也存在同樣的
規(guī)律，見圖4。
打振動(dòng)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(dòng)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(dòng)能量越大，沉樁產(chǎn)生的地基振
動(dòng)也會(huì)更加強(qiáng)烈，因而對(duì)土體位移產(chǎn)生的影響也越強(qiáng)烈。
4．2 距離變化對(duì)振動(dòng)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(gè)斷面處
不同時(shí)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(duì)比2個(gè)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??；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(zhǎng)(20m)范圍內(nèi)，隨著振動(dòng)時(shí)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(yuǎn)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(dòng)對(duì)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(shí)測(cè)和已有資料Cl,2]
可知，地面點(diǎn)振動(dòng)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(shí)斷面下沉量
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(b)36．6B時(shí)斷面下沉量
圖5 打樁振動(dòng)弓l起斷面位移
4．3 打樁振動(dòng)對(duì)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(fù)。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(bǔ)
充產(chǎn)生了水平位移。
煤氣管道基礎(chǔ)對(duì)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(dòng)會(huì)使粘聚力c明顯的降低，并且其降低程度隨振動(dòng)
的頻率和土壓縮性的增大而有所增大；對(duì)于飽和土體，持續(xù)
振動(dòng)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(dòng)作用下的抗剪切變形的能力會(huì)
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(dòng)作用，原先的靜荷載
變成了動(dòng)荷載。打樁振動(dòng)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(yǔ)
(1) 打樁振動(dòng)可引起地面點(diǎn)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(dòng)對(duì)土體位移的
影響較／b；對(duì)建、構(gòu)筑物豎向位移影響較大，對(duì)水平位移影
響較小。沿海地區(qū)振動(dòng)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(shí)。
(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??；在較遠(yuǎn)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(dòng)對(duì)位移的影響越來越小，
但振動(dòng)波遇見結(jié)構(gòu)物時(shí)卻有放大效應(yīng)，不容忽視。
(4) 在對(duì)類似振動(dòng)沉管樁擠土效應(yīng)的研究中，應(yīng)該綜
合考慮振動(dòng)效應(yīng)，以便做出正確的評(píng)價(jià)。
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[收稿日期】2011—12—20
[作者簡(jiǎn)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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