軟土地區(qū)鋼板樁振動沉樁監(jiān)測及環(huán)境效應(yīng)分析

陳曉飛

(江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210007)

在基坑綠色支護(hù)與建造技術(shù)成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要需求的大趨勢下,施工工期短、造價(jià)低、可回收的鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-5]。與此同時(shí),鋼板樁由于其振動沉樁的施工工藝,振動錘帶動鋼板樁振動,產(chǎn)生的振動波會傳播到周邊土體和周邊建筑物處,這些振動可能會干擾人們生活，并對建筑物造成不同程度的影響。因此,《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》[6]明確對最大振動速度進(jìn)行限制,但是難點(diǎn)在于如何能在施工前較準(zhǔn)確地預(yù)測不同地層條件下、距離振源不同范圍內(nèi)的振動水平。Attewell等[7]基于特定機(jī)械和土層情況,給出了鋼板樁振動下周邊土體振動水平的預(yù)測模型。該模型被一直使用至今,但實(shí)際預(yù)測結(jié)果和軟土地區(qū)的實(shí)測結(jié)果相差甚遠(yuǎn),不具有適用性[8]。近幾年,國外部分學(xué)者[9-11]對振動沉樁過程中振動從鋼板樁到土體的傳播全過程進(jìn)行了監(jiān)測,認(rèn)為振動沉樁引起的地表振動受到場地空間條件、土層類別、距振源距離和施工方法等因素共同影響。鑒于上述多種因素的影響,實(shí)際中得到準(zhǔn)確的預(yù)測模型必須建立在大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。尤其對于鋼板樁推行較廣的我國沿海軟土地區(qū),急需大量的實(shí)測數(shù)據(jù)支持并建立準(zhǔn)確的振動水平預(yù)測模型[12-13]。

采用三軸測振儀分別對我國5個鋼板樁應(yīng)用較廣泛的沿海軟土地區(qū)(蘇州、連云港、寧波、天津、杭州)進(jìn)行了振動監(jiān)測,提取了距離振源不同距離處地表的徑向、切向和豎向振動加速度,并利用Matlab和SeismoSignal軟件分析了振動峰值加速度和振動峰值速度隨測點(diǎn)到振源不同距離下的變化趨勢及環(huán)境效應(yīng),可供相關(guān)方向的設(shè)計(jì)人員參考使用。

1 監(jiān)測方案

1.1 監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理

振動監(jiān)測儀器采用上海同禾工程科技有限公司研制的TH-VBR系列三軸測振儀系統(tǒng),主要由三軸測振儀(測點(diǎn))、連接線纜及通用數(shù)據(jù)采集箱組成。三軸測振儀內(nèi)部配有工業(yè)級的MEMS加速度傳感器,輸出準(zhǔn)確的三向加速度值,并可配合采集器、平臺使用輸出基頻、幅值等振動特性值(見圖1)。該三軸測振儀量程±2g,分辨率 0.1 mg,可同時(shí)監(jiān)測垂直打樁方向-徑向、平行打樁方向-切向和豎向方向的振動加速度。

圖1 三軸測振儀Fig.1 Triaxial vibrometer

1.2 監(jiān)測項(xiàng)目簡介

對我國5個沿海軟土地區(qū)(蘇州、連云港、寧波、天津、杭州)的工程項(xiàng)目進(jìn)行振動監(jiān)測,分別為蘇州某房建地下室項(xiàng)目、連云港某公園地下車庫項(xiàng)目、寧波某雨水泵站項(xiàng)目、天津某工業(yè)廠房項(xiàng)目和杭州某小區(qū)房建項(xiàng)目。5個項(xiàng)目均涉及不同厚度的軟土層,具體鋼板樁沉樁范圍內(nèi)土層的信息見表1。

表1 5個項(xiàng)目鋼板樁沉樁范圍內(nèi)的土層信息

1.3 振動監(jiān)測方案

采用上述振動信號采集儀進(jìn)行監(jiān)測,配 12個加速度傳感器,最大可布置12個測點(diǎn)。利用工程尺來準(zhǔn)確定位傳感器,確保監(jiān)測點(diǎn)在一條線上，且尺子帶有明顯刻度,在移動過程中也能確保測點(diǎn)間隔相等,具體測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of test points

5個地區(qū)的項(xiàng)目均采用津西IV型拉森鋼板樁,樁長均為12 m。蘇州和連云港項(xiàng)目打樁機(jī)錘頭采用誠立 PCF-350 型,施工頻率 3 500 C/min,即 58.3 Hz,最大振力 45 Tons;寧波、天津和杭州項(xiàng)目采用艾思博AXB-450型,施工頻率 3 500 C/min,即 58.3 Hz,最大振力 58 Tons。

2 振動現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

2.1 軟土地區(qū)典型項(xiàng)目監(jiān)測結(jié)果

以蘇州項(xiàng)目為例，分析軟土地區(qū)振動沉樁對地表振動的影響。蘇州項(xiàng)目距離鋼板樁1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m測點(diǎn)處監(jiān)測到的切向、徑向和豎向峰值加速度隨打樁深度的變化曲線見圖3。從圖3中可知,3個方向的峰值加速度都在距離鋼板樁1 m、2 m和3 m的測點(diǎn)處劇烈震蕩,大于3 m以后趨于平緩,表明在該軟土地塊的振動影響范圍主要為距離沉樁3 m范圍以內(nèi)。同時(shí),對比1 m、2 m和3 m的測點(diǎn)處3個方向的峰值加速度得出,地表切向峰值加速度在1 m 測點(diǎn)處的值明顯大于2 m測點(diǎn)處的值,而徑向峰值加速度2 m處的峰值和切向大致相同,該結(jié)果說明切向峰值加速度在接近樁側(cè)明顯增加。這個結(jié)果一方面和Viking[14]認(rèn)為樁錘偏心夾持鋼板樁,導(dǎo)致鋼板樁在沉樁過程中產(chǎn)生水平位移,從而產(chǎn)生附加的水平振動有關(guān);另一方面,隨著鋼板樁打入較硬土層,水平振動也有增加趨勢。

圖3 蘇州項(xiàng)目各測點(diǎn)3個方向時(shí)域分析曲線Fig.3 Time domain analysis curve of each measuring point in suzhou project in three directions

為了解釋上述原因,圖4繪制了樁打入深度和地表3個方向振動加速度的立面圖,直觀分析土層情況對3個方向振動的影響。由圖4可知,該地塊淤泥土層上覆蓋了較厚的粉質(zhì)黏土層,該土層強(qiáng)度較淤泥土高,導(dǎo)致豎向振動響應(yīng)明顯增加。同時(shí)切向振動響應(yīng)也有所增加,表明在較強(qiáng)土質(zhì)條件下會放大沉樁過程中水平位移的影響。從圖4可直觀看出在淤泥土附近3個方向的振動響應(yīng)明顯降低。Deckner[15]在其博士論文中指出,沉樁振動受到地層的強(qiáng)弱影響較明顯,主要和土的強(qiáng)度及波的傳遞模式相關(guān)。目前根據(jù)該項(xiàng)目的監(jiān)測結(jié)果可以證明,淤泥地層豎向的振動響應(yīng)明顯低于硬土層。

圖4 蘇州項(xiàng)目樁打入深度和地表3個方向振動加速度關(guān)系Fig.4 Relation diagram of pile driving depth and vibration acceleration in three directions of ground surface for Suzhou Project

2.2 5個地區(qū)振動監(jiān)測結(jié)果對比分析

其余4個項(xiàng)目地塊測點(diǎn)與沉樁點(diǎn)不同距離的地表徑向加速度監(jiān)測結(jié)果見圖5。圖5中的振動響應(yīng)基本和表1中的土層信息對應(yīng),表現(xiàn)出軟弱土層振動響應(yīng)弱,較好土層振動響應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著沉樁深度范圍內(nèi)土體強(qiáng)度的變化,表層徑向峰值加速度也呈現(xiàn)出相應(yīng)變化。如寧波項(xiàng)目測試地塊表層有約5 m厚度的承載力特征值為40的淤泥質(zhì)土,圖5(a)在沉樁0～4 m過程中表層土無振動響應(yīng)。值得關(guān)注的是,天津項(xiàng)目(見圖5(b))也類似蘇州項(xiàng)目,發(fā)現(xiàn)表層徑向峰值加速度的幅值出現(xiàn)在距離樁2 m處,而其余3個測試項(xiàng)目地塊并未發(fā)生此現(xiàn)象(均為隨距離增加逐漸遞減)。將蘇州和天津土層信息與其他項(xiàng)目場地對比發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能和表層粉質(zhì)黏土層強(qiáng)度關(guān)系一般,但是相比淤泥土層而言粘聚力較大且土體具有一定結(jié)構(gòu)性,從而導(dǎo)致其存在較大范圍的剪切滑移帶。圖6繪制了沉樁過程中靠近鋼板樁板的滑移和應(yīng)變變化關(guān)系,并說明了沉樁在一定范圍內(nèi)土體剪切模量和阻尼比的變化規(guī)律。振動過程中滑移帶處的土體剪切模量驟減,但是阻尼比顯著增加，且由于這兩個場地與淤泥土上覆蓋土體強(qiáng)度較好的粉質(zhì)黏土層,阻尼比的增加導(dǎo)致其距離樁側(cè)1 m處的土體振動響應(yīng)小于距離樁2 m處的測點(diǎn)。

圖5 軟土地區(qū)項(xiàng)目各測點(diǎn)徑向時(shí)域分析曲線Fig.5 Time domain analysis curve of radial acceleration on each measuring point in soft soil area project

圖6 靠近板樁軸的滑移和應(yīng)變變化示意圖 Fig.6 Schematic illustration of slippage and variationof strain in close proximity to a sheet pile shaft

2.3 典型地區(qū)頻域處理結(jié)果分析

借助Matlab對蘇州項(xiàng)目的監(jiān)測時(shí)域加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換,得到頻域下的峰值加速度-頻率關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可知,3個方向距離鋼板樁不同測點(diǎn)處的振動峰值加速度隨著距離增加明顯降低,當(dāng)測點(diǎn)距振源距離達(dá)到6 m時(shí),振動主頻處的峰值加速度只有場地最大峰值加速的十分之一左右。同時(shí),從圖7中明顯看到振動主頻率不隨距離的增加而變化,均在50 Hz左右,接近打樁機(jī)錘頭的頻率58.3 Hz,這表明振動主頻在一定沉樁范圍內(nèi)不發(fā)生變化。

圖7 蘇州項(xiàng)目各測點(diǎn)3個方向頻域分析曲線Fig.7 Frequency domain analysis curve of each measuring point in tianjin project in three directions

2.4 5個地區(qū)頻域處理結(jié)果對比分析

為進(jìn)一步證實(shí)振動主頻率和沉樁范圍內(nèi)的規(guī)律以及影響因素,繪制剩余4個項(xiàng)目的沉樁頻域下的峰值加速度-頻率關(guān)系曲線，如圖8所示。從圖8可知,除了連云港項(xiàng)目,其余項(xiàng)目的振動主頻數(shù)值均和蘇州項(xiàng)目相似,接近50 Hz。而連云港項(xiàng)目(見圖8(d))由于該沉樁附近土體多為吹填土,土質(zhì)條件極差且含水率高,略微振動即導(dǎo)致樁體在樁自身重力下完成沉樁,故可能其本身機(jī)械頻率未達(dá)到實(shí)際工作頻率,該結(jié)果也間接說明,沉樁附近土體的振動響應(yīng)頻率和土層性質(zhì)無關(guān),而與打樁機(jī)錘頭施工的頻率相關(guān)。

圖8 軟土地區(qū)項(xiàng)目各測點(diǎn)徑向頻域分析曲線Fig.8 Frequency domain analysis curve of radial acceleration on each measuring point in soft soil area project

3 振動變化規(guī)律

3.1 峰值加速度衰減分析

軟土地區(qū)5個項(xiàng)目3個方向的加速度衰減曲線如圖9所示。從圖9可知,上述軟土地區(qū)的場地峰值加速度在3 m范圍內(nèi)即發(fā)生迅速衰減;隨著距離的增加,衰減趨于平緩;當(dāng)距離大于6 m后峰值加速度逐漸趨于0。從上述結(jié)果可得軟土地區(qū)振動沉樁的影響范圍有限,在一定范圍以外對周邊環(huán)境的影響較小。

圖9 軟土地區(qū)項(xiàng)目各測點(diǎn)3個方向加速度衰減曲線Fig.9 Acceleration attenuation curves of each measuring point in soft soil area in three directions

3.2 峰值速度衰減分析

目前所有行業(yè)規(guī)范評價(jià)項(xiàng)目對周邊建筑物的影響時(shí),均參考抗震設(shè)計(jì)中的峰值速度指標(biāo)進(jìn)行判斷。研究采用地震波處理軟件SeismoSignal對3個方向加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行積分,獲得峰值速度數(shù)據(jù),得到峰值速度值隨距離的衰減曲線如圖10所示。針對峰值速度衰減的擬合方程,Athanasopoulos等[16]進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測,并分析了不同學(xué)者得出的鋼板樁施工振動時(shí)地面速度的衰減曲線,認(rèn)為利用指數(shù)函數(shù)公式可以很好地?cái)M合衰減規(guī)律。通過對軟土地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),指數(shù)函數(shù)偏差較大,采用對數(shù)函數(shù)公式對峰值速度-距離關(guān)系進(jìn)行擬合較為準(zhǔn)確,公式表示為

V=a+blnr，

(1)

其中:V為距振源距離為r的速度;a、b為擬合參數(shù)。

由圖10可見,對數(shù)函數(shù)能較好地?cái)M合峰值速度監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn),對于天津和寧波地質(zhì)條件較好的土層,峰值速度在0～3 m范圍內(nèi)衰減迅速,3～8 m范圍內(nèi)緩慢衰減。對于其余3個項(xiàng)目監(jiān)測地塊內(nèi)的峰值速度較低,鋼板樁沉樁引起的振動在距振源4 m范圍內(nèi)衰減,而后影響趨于較低水平。

圖10 軟土地區(qū)項(xiàng)目各測點(diǎn)3個方向速度衰減曲線Fig.10 Speed attenuation curves of each measuring point in soft soil area in three directions

《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》[6]中對工業(yè)和公共建筑、居住建筑、振動敏感且具有保護(hù)價(jià)值建筑的3類建筑給出了容許振動速度峰值。將容許振動速度峰值作為上述5個項(xiàng)目的峰值速度擬合公式的函數(shù)值,求出振源距離r值,該r值即為滿足容許峰值的鋼板樁沉樁的最小安全距離，其計(jì)算公式為

(2)

其中:Vr為容許振動速度峰值;rmin為容許最小安全距離。計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知,在軟土地區(qū)對于工業(yè)和公共建筑保證建筑物在沉樁范圍2.5 m以外即可滿足規(guī)范要求;對于居住建筑則需要控制在4.2 m以外;而對于振動敏感且具有保護(hù)價(jià)值的建筑,則需要控制在6 m以外,并可根據(jù)土質(zhì)條件的不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆艑?。尤其對于深厚軟土層區(qū)域,如蘇州和連云港項(xiàng)目,保證鋼板樁沉樁點(diǎn)到建筑物距離大于3 m即可滿足所有建筑物類型的規(guī)范要求。

表2 5個項(xiàng)目鋼板樁沉樁的最小安全距離

4 結(jié)語

通過對5個軟土地區(qū)的項(xiàng)目進(jìn)行鋼板樁沉樁振動監(jiān)測,提取了距離振源不同距離處地表的徑向、切向和豎向的振動加速度,并利用Matlab和SeismoSignal軟件分析了振動峰值加速度和振動峰值速度隨著測點(diǎn)到振源不同距離下的變化趨勢,得到如下結(jié)論:

(1) 鋼板樁在軟土地區(qū)的土體中的貫入速率快,地面振動響應(yīng)弱。3個方向的峰值加速度都在距離鋼板樁1 m、2 m和3 m的測點(diǎn)處劇烈震蕩,大于3 m 以后趨于平緩,表明在該軟土地塊振動引起的環(huán)境效應(yīng)主要在距離沉樁3 m范圍以內(nèi)。

(2) 鋼板樁施工引起的地面徑向和切向加速度在同一深度比較接近,但需要考慮到表層覆蓋土體參數(shù)和剪切帶對二者的影響。

(3) 振源距離和土層性質(zhì)對鋼板樁施工引起的地面振動主頻率影響不大,而與打樁機(jī)錘頭施工的頻率相關(guān)。

(4) 對于深厚軟土層地區(qū),保證鋼板樁沉樁點(diǎn)到建筑物距離大于3 m，即可滿足所有建筑物類型的規(guī)范要求。