預應力混凝土管樁打樁施工振動影響研究

孔祥雷

(遼寧科技學院 資源與土木工程學院,遼寧 本溪117004)

采用預應力混凝土管樁處理軟土地基是修建道路的一種重要的軟基礎處理方法[1-3]。在處理軟土基礎的工藝流程中,錘擊法沉樁施工引起周圍地表土層的振動,是在附近有居民住宅、醫院及廠房的環境下不容忽視的一個安全問題,作者曾對樁基沖擊成孔產生的振動問題進行了較詳細的研究[4],鑒于預應力混凝土管樁錘擊法沉樁施工[5]的工藝流程、技術原理等與樁基沖擊成孔[6]均不同,文章基于工程實際,對預應力混凝土管樁處理軟土地基中的錘擊法沉樁產生的振動影響問題進行初步研究。

1 工程問題

丹東大東港疏港高速公路路基橋涵工程(高速公路主線K11+826-K11+900)采用預應力混凝土管樁進行軟基處理。管樁采用PC-400A95型的預應力混凝土管樁(包含接樁和樁尖),設計單樁承載力為680 kN～750 kN,樁長根據單樁承載力設計值計算確定,一般樁端宜穿過軟弱土層進入穩定持力層至少2 m,對于樁端為基巖的進入強分化層不少于0.5 m,采用錘擊法進行沉樁施工,機械設備選用筒式柴油打樁機,型號為JZL-90。管樁施工的順序采用“先中間后周邊”或“一邊推向一邊”,為了降低打樁應力,對于所需的打擊能量,使用重錘低打,每根管樁嚴格按該項目的《預應力管樁施工方案》進行施工。由于軟基處理施工區域緊鄰居民住宅區,因此,確定打樁施工振動對附近居民住宅建筑物是否產生影響以及影響范圍是該項目施工協調中亟須解決的問題。工程施工現場如圖1所示。

圖1 工程施工現場情況

2 研究方法

對于振動影響的研究一般可以采用儀器實時監測法,也可以采用理論分析法或者數值分析法,對于丹東大東港疏港高速公路路基橋涵工程(K11+826-K11+900),需處理的軟基礎范圍大,管樁施工數量多,并且附近居民戶數也比較多,單純依靠儀器進行大范圍監測,實現起來難度大、工期長、成本高,單純采用理論分析方法或者數值分析法,沒有現場試驗數據的支撐也不能科學地解決現場工程的實際問題,因此,文章采用儀器監測和理論分析相結合的方法,它具備了科學性、高效性和實用性,是當前施工方和附近居民都樂于接受的科學解決方法。

3 振動監測

3.1 監測方案

根據施工方和附近居民的協商,確定本次打樁共進行4個樁位的預應力混凝土管樁施工,樁位選擇在軟基處理區邊緣且離附近居民住宅建筑物最近的位置,根據樁位分布情況以及附近居民住宅建筑物的分布情況,布設6個監測點位(包括機動監測點),采用線性布點形式,如圖2所示。

圖2 樁位與監測點布置平面示意圖

監測儀器選用TC-4850型測振儀,傳感器固設一般分為理想條件和非理想條件兩大類情況[7],本次監測點選在建筑物內堅固平坦的地面,條件較好,傳感器與測點采用黃甘油快速耦合,如圖3所示。監測指標為住宅建筑物質點峰值振動速度與主振頻率。

圖3 監測點位測振儀

3.2 監測結果

本次共對4個樁位的預應力混凝土管樁打樁過程產生的振動進行連續實時監測,累計測得393組有效數據,其中部分數據如表1所示,部分質點振動波形圖如圖4所示。

表1 部分振動監測原始數據

a. X方向振動波形

初步分析所監測到的振動數據,從主振頻率看,預應力混凝土管樁打樁施工引起的振動頻率較小,多數在10 Hz以內,從質點峰值振動速度看,隨著與振源距離的增大振動速度逐漸減小。另外,從各個測點監測到的質點峰值、振動速度,可以直接判定當次振動對保護對象是否產生安全影響。

初步分析所監測到的振動波形,振動波形圖較好地反映了高速公路軟基礎工程地質的復雜性以及工程施工的實際過程,從振動波形圖上基本可以得到每一個樁位、樁管的最大振動速度情況、墜垂的沖擊周期、振動持續過程等詳細信息,這是單憑人員觀測、感知所達不到的。

4 數據分析

根據監測結果可知,在距離振源一定范圍內的建筑物均產生了振動,也能夠確定振動對個別(測點處)的建筑物是否產生影響,但卻不能全面地確定振動對所有住宅建筑物的影響,因此,需要進一步研究預應力混凝土管樁打樁施工振動對附近住宅建筑物的影響范圍。

4.1 安全標準

建筑物的安全允許振動標準是判定振動影響范圍的一個關鍵指標,中華人民共和國國家標準《建筑工程容許振動標準》(GB50868-2013)中第8章給出了關于錘擊打樁處理地基對建筑結構影響的容許振動值標準,結合本次實際監測數據的主頻分布情況,確定本次打樁的容許振動值為3.0 mm/s[8]。

4.2 基礎數據

理論分析的基礎數據是研究打樁振動在特定的地質和施工條件下傳播規律的又一關鍵數據,從所監測的393組數據中選取具有較好代表性、完整性的4組數據,滿足在振源處具有較大的振速、在一定范圍內衰減又比較小、能夠體現最大振動影響范圍的要求,作為確定振動影響范圍的基礎數據,詳見表2。

表2 基礎數據表

4.3 數學模型

根據本次監測的振動數據可以得到這樣的規律,該預應力混凝土管樁打樁施工產生的振動在土層介質中的傳播,隨著距離不斷增大,振動能量不斷衰減,振動速度逐漸減小,即在一定的振源和介質條件下,振速和距離是成反比的?？紤]到工程應用成熟、可操作性強等特點,以薩式公式(1)為基礎建立數學模型。

(1)

其中:v是質點峰值振動速度,單位mm/s;K、α是反映特定地質條件、施工條件等的系數,在不同的巖土體進行施工K、α值是不同的,定量研究振動傳播規律的關鍵便是求解K、α;R為振源到測點的距離,單位m;Q為打樁機單次擊打樁帽所輸出的最大能量。

由于打樁機墜錘質量、落距、施工及操作方式等在整個施工期間基本保持不變,令Q=1,建立反映本次預應力混凝土管樁打樁施工振動傳播規律的數學模型為:

(2)

4.4 回歸分析

所建立數學模型為非線性問題,為便于分析,將其轉化為線性問題,然后利用最小二乘法進行回歸分析,對公式(2)兩邊取對數,得:

lnv=lnK-α·lnR

(3)

令vi=lnv,a0=lnK,a1=-α,Ri=lnR,則有:

vi=a0+a1·Ri

(4)

將表2中的基礎數據(v,R)相應地轉化為(vi,Ri),轉化數據見表3。

表3 轉化數據表

因此,原問題便轉化為簡單的一元線性問題,對表3中的數據依公式(4)進行回歸分析,應用最小二乘法[9],取φ0(x)=1,φ1(x)=x,ω(x) ≡1,得:

(φ0,φ0)=4

(φ0,φ1)=(φ1,φ0)=12.85

(φ1,φ1)=43.53

(φ0,f)=4.87

(φ1,f)=13.82

則法方程為:

解得a0=3.82,a1=-0.81,則可以計算得K=45.6,α=0.81,即表征該區域巖土及施工特征的參數為K=45.6,α=0.81。

將K、α代入公式(2),得到反映本次預應力混凝土管樁打樁施工振動傳播規律的數學模型為:

v=45.6R-0.81

(5)

將公式(5)變形得到本次預應力混凝土管樁打樁施工振動影響范圍計算公式為:

R=(45.6/v)1.23

(6)

將容許振動值v容=3.0 mm/s代入公式(6),得到R安=28.5 m。

可以初步確定,本次預應力混凝土管樁打樁施工振動對附近住宅建筑物的影響范圍為28.5 m。

5 結論

文章結合工程實踐介紹了預應力混凝土管樁處理高速公路軟基礎打樁施工振動監測與影響范圍確定的方法,可供類似工程借鑒參考。

(1)通過對大量的振動監測數據分析,得到了在特定軟基礎地質及預應力混凝土管樁打樁施工條件下振動傳播的一般規律。

(2)通過對典型振動數據的進一步回歸分析,得到了振動的實際影響范圍。

(3)通過分析振動波形圖,能夠得到比人員觀測感知更加全面詳細的振動情況信息。

(4)利用儀器監測和理論分析相結合的方法,便于技術人員掌握影響范圍,使現場問題能更加科學、高效地得以解決。

(5)施工單位可以參考本次監測得到的相關參數來確定軟基礎處理工程中的振動影響范圍以解決相關問題。