沖擊鉆孔樁施工對臨近建筑影響的數(shù)值模擬分析

羅鴻, 丁艷超, 周銀*, 唐小清

(1.云南省公路工程監(jiān)理咨詢有限公司, 云南 昆明 650021；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院)

沖擊鉆孔施工工法的主要能量源為沖擊鉆頭的重力勢能，沖擊鉆頭接觸巖層的一瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波，沖擊波沿著巖層傳播到臨近建筑基礎(chǔ)，造成臨近建筑產(chǎn)生受迫振動(dòng)。對于老舊建筑，必須對沖擊振動(dòng)影響進(jìn)行可靠評估，為沖擊鉆孔施工中實(shí)時(shí)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。利用Midas/GTS豐富的巖層材料本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)大的非線性時(shí)程分析功能，可較為真實(shí)地模擬沖擊過程造成的影響，預(yù)判沖擊鉆孔施工對臨近建筑的影響。

1 工程概況

重慶某大橋橋型為(4×60+2×120+40) m的鋼筋混凝土連拱橋，修建于1994年(圖1)。由于近年來經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，該橋的交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)承受范圍，在大橋各個(gè)部位均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的裂縫，承載能力降低，為一座待拆除的危橋?，F(xiàn)擬在大橋原址重建一座新橋，新橋的基礎(chǔ)工作完成后再拆除老橋。在老橋主跨正下方將進(jìn)行新橋樁基施工，鉆孔施工高度不能滿足要求，擬采用沖擊鉆孔施工工法,新橋樁基距老橋橋墩最短距離為31 m。

圖1 某大橋橋型布置圖(單位:cm)

2 沖擊影響數(shù)值模擬

2.1 建模原則

2.1.1 材料處理

根據(jù)地勘資料，橋址下方巖層依次為卵石、泥巖、砂巖層，各層的材料特性不同，需要對各層單獨(dú)劃分網(wǎng)格并賦予對應(yīng)的材料參數(shù)。巖土材料本構(gòu)關(guān)系采用德魯克-普拉格準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則較摩爾-庫侖準(zhǔn)則能夠計(jì)入靜水壓力和主應(yīng)力的影響，使得材料屈服面與實(shí)際更為接近。計(jì)算土層主要參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

2.1.2 邊界處理

實(shí)際的巖層為半無限大，需通過邊界條件來縮減有限元模擬區(qū)域。在無限大巖層中，沖擊波沿四周傳播并逐漸衰減為零，當(dāng)有限元區(qū)域邊界處理不當(dāng)時(shí)，沖擊波會(huì)在邊界反射產(chǎn)生噪聲。模型的側(cè)面及底面采用面彈性支撐，支撐剛度等效于實(shí)際巖體剛度，并且賦予較大的阻尼，使得沖擊波傳遞到邊界上反射過程中迅速衰減。模型建立區(qū)域?yàn)橹饕绊憛^(qū)域并向外延伸50 m，經(jīng)驗(yàn)證沖擊波在傳播到邊界并反射，反射波振動(dòng)幅值大幅降低，對計(jì)算結(jié)果影響較小。

2.1.3 網(wǎng)格縮減處理

由于非線性時(shí)程分析的計(jì)算量遠(yuǎn)大于靜力分析，根據(jù)有限元的計(jì)算原理，動(dòng)力計(jì)算時(shí)網(wǎng)格的尺寸應(yīng)小于波長，在波源與受影響的舊橋橋墩之間的巖層，網(wǎng)格尺寸應(yīng)控制在1 m以內(nèi)。遠(yuǎn)離主要沖擊波傳遞最短路徑的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸加大至3 m。由于主要考察舊橋的動(dòng)力特性，舊橋網(wǎng)格尺寸為2 m，能夠較為準(zhǔn)確地反映該橋的質(zhì)量分布和剛度分布。建立有限元模型，該模型共有221 032個(gè)實(shí)體單元，139 221個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 沖擊荷載

沖擊鉆頭與巖層沖擊的過程，持續(xù)時(shí)間短，瞬間釋放能量大，沖擊荷載較大，由此產(chǎn)生的沖擊波傳播距離遠(yuǎn)。而沖擊過程異常復(fù)雜，沖擊過程本身應(yīng)當(dāng)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬，這將導(dǎo)致模型的計(jì)算規(guī)模和計(jì)算時(shí)間極大增加。為簡化沖擊過程計(jì)算，沖擊荷載模型采用常用的三角模型(圖2)，三角模型計(jì)算更為簡便且時(shí)程荷載分析結(jié)果較為穩(wěn)定。

圖2 三角荷載波形圖

三角荷載模型的計(jì)算表達(dá)式為：

F(t)=

(1)

(2)

式中：s為重錘沖程；ρ為重錘密度；g為重力加速度；M為重錘質(zhì)量；E為巖層的彈性模量；υ為巖層的泊松比。

將表1中不同巖層的特性以及重錘的物理特性代入式(2)中，得到?jīng)_擊時(shí)間，將沖擊時(shí)間代入式(1)，可得到?jīng)_擊荷載波函數(shù)。其中砂巖層沖擊荷載波函數(shù)圖形見圖3。

圖3 砂巖層沖擊荷載波

3 實(shí)測對比分析

在靠近沖擊影響區(qū)域的橋墩、墩頂、主跨跨中、邊跨跨中布置4個(gè)測點(diǎn)，測量沖擊波對舊橋機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的影響，有限元計(jì)算模型中同樣提取實(shí)測對應(yīng)點(diǎn)的時(shí)程曲線。圖4為沖擊鉆頭沖擊卵石層、泥巖層以及砂巖層的有限元加速度時(shí)程曲線。圖4表明：邊跨跨中加速度峰值較其他部位更大，受沖擊振動(dòng)更為敏感；沖擊卵石層對舊橋產(chǎn)生的影響最大，加速度最大峰值達(dá)到0.7 m/s2，這是由于沖擊產(chǎn)生波主要向四周和沖擊方向傳播，而橋墩主要埋入在卵石層中，所以隨著沖擊深度加大，沖擊對舊橋產(chǎn)生的影響逐漸減小。

圖5為沖擊不同巖層時(shí)，邊跨跨中加速度的計(jì)算值與實(shí)測對比。

由圖5可知：有限元計(jì)算值能夠很好地描述舊橋受到的沖擊影響，兩者頻率相同，加速度幅值實(shí)測較計(jì)算更為平滑，且實(shí)測加速度絕對幅值較計(jì)算值要小，這是由于沖擊荷載等效為三角形荷載引起的。

4 結(jié)論

計(jì)算算例表明：利用三維實(shí)體有限元精細(xì)化建模計(jì)算沖擊鉆孔的沖擊影響是切實(shí)有效的，通過對實(shí)際橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測對比，印證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，得到以下結(jié)論：

(a) 沖擊卵石層

(1) 隨著沖擊位置的加深，沖擊對臨近建筑的影響逐漸減小。

(2) 有限元模擬時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取人工彈性阻尼邊界，以減小由于有限邊界產(chǎn)生的回波噪聲。

(3) 正確處理荷載以及材料本構(gòu)關(guān)系，三角形荷載和德魯克普拉格準(zhǔn)則能夠滿足工程精度的要求。

圖5 邊跨跨中加速度計(jì)算值與實(shí)測值對比圖

(4) 網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性，在核心影響區(qū)的網(wǎng)格尺寸應(yīng)控制在1 m以內(nèi)，核心區(qū)以外可適當(dāng)增大單元尺寸以減小計(jì)算規(guī)模，提高非線性的收斂速度。