橋梁樁基施工誘發(fā)振動(dòng)對臨近建筑物的影響分析

劉小林

（1、華南理工大學(xué) 廣州 510641；2、珠海大橫琴股份有限公司 廣東 珠海 519000）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)與城市的高速發(fā)展，因地域空間受限，城市里常出現(xiàn)將新建建筑選址定在既有建筑附近以提高空間利用率的情況。如今高層建筑或橋梁大多采用沖孔灌注樁［1］的基礎(chǔ)形式，這種方式采用沖擊式鉆機(jī)鉆頭自重上下反復(fù)沖擊，將土或巖層破碎成孔后注入泥漿，用泥漿循環(huán)清孔排渣，然后進(jìn)行混凝土澆筑，形成混凝土灌注樁。沖擊鉆孔過程中，鉆頭對土體的激振通過土體介質(zhì)向四周傳播［2］，引起周圍土體的沉降變形，土體振動(dòng)位移呈上下起伏趨勢，將會(huì)對臨近建筑結(jié)構(gòu)帶來持續(xù)性的影響，甚至?xí)硪恍w裂縫、土體下陷等安全隱患［3-4］。

國內(nèi)外學(xué)者近年來針對樁基施工對臨近建筑物的影響做了大量研究。畢博［5］運(yùn)用Midas GTS NX 軟件分析隧道與舊橋橋墩位移變化；葉蓉［6］用應(yīng)力釋放法分析基坑開挖對臨近橋梁的影響；SHE 等人［7］進(jìn)行了樁基施工振動(dòng)的微震監(jiān)測試驗(yàn)，并將微震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁樁基施工振動(dòng)監(jiān)測；陳華建［2］研究了沖孔灌注樁施工過程中各種因素對鄰樁受力變形的影響；謝宏云［8］研究了擴(kuò)建九江大橋產(chǎn)生的施工振動(dòng)對周圍的兩座舊橋的影響；李明波［9］研究了橋梁樁基施工對高鐵橋梁變形影響；陳軍州［10］通過數(shù)值模擬，分析了沖孔施工對臨近橋梁墩臺的振動(dòng)影響。唐成等人［11-12］分析了樁基的沖孔施工對臨近房屋建筑的振動(dòng)影響；高曉燕［13］研究了鉆孔灌注樁對既有高鐵線橋臺和橋墩的影響；BENIN 等人［14］運(yùn)用MIDAS/CIVIL 有限元軟件模擬研究了因樁基礎(chǔ)施工造成臨近建筑物沉降影響；YANG 等人［15］通過三維數(shù)值模擬研究了樁基礎(chǔ)施工對既有隧道的影響。

本文根據(jù)某工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)文件與地質(zhì)資料，分析新建橋梁的樁基施工與臨近建筑物的空間位置關(guān)系，通過有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行橋梁樁基施工過程對既有建筑物的影響進(jìn)行分析，確保既有建筑物的安全。

1 工程概況

既有建筑物為一棟3 層建筑樓房，現(xiàn)擬在該建筑物附近新建一座橋梁，橋梁采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)。橋址區(qū)的地層工程性質(zhì)較好，樁端置于穩(wěn)定、完整的中風(fēng)化地層中。新建橋梁樁基與既有建筑物凈距最小約2.5 m，如圖1所示。

圖1 土層-建筑物耦合三維數(shù)值模型Fig.1 Solid-building FEM Model

2 有限元模型與關(guān)鍵工況

新建樁基施工過程會(huì)對既有建筑物結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立三維數(shù)值模型；然后針對橋梁樁基施工加載過程中臨近既有建筑物結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力重分布情況進(jìn)行分析。具體分析流程為：①模型邊界確定；②計(jì)算模型的建立；③材料參數(shù)的取值；④邊界條件施加；⑤荷載施加；⑥關(guān)鍵計(jì)算工況設(shè)定。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 模型邊界確定

根據(jù)有限元原理和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，施工振動(dòng)影響范圍一般為10 倍樁徑范圍內(nèi)［16］。因此，模型的邊界取值為水平方向30 m，豎向取值40 m。

2.1.2 土體與建筑物耦合的有限元模型

建立土體與建筑物耦合的三維有限元模型，如圖1所示。在計(jì)算模型范圍內(nèi)分布的地層主要有素填土層和粉質(zhì)粘土層；新建橋梁樁基礎(chǔ)采用實(shí)體SOLID164單元模擬，樁、土單元采用接觸方式模擬樁土作用效應(yīng)，摩擦系數(shù)取0.2。

2.1.3 參數(shù)取值

既有建筑物混凝土和土層參數(shù)的取值分別如表1和表2所示。

表1 既有建筑物混凝土材料模型參數(shù)Tab.1 Parameters of the Materials in the Building Model

表2 土壤材料模型參數(shù)Tab.2 Parameters of the Materials in the Solid Model

2.1.4 邊界條件施加

在土層四周和底部施加無反射邊界條件，并在四周施加對稱約束。

2.2 荷載施加與分析工況

2.2.1 荷載施加因在地表進(jìn)行沖孔施工時(shí)引起的振動(dòng)對既有建筑物的影響最大，故考慮在樁基孔面（地面）處施加沖擊荷載。根據(jù)工程實(shí)際情況，沖擊錘的重量為6 t，沖擊時(shí)間設(shè)定為6 ms，沖錘起升的高度為2.0 m。

2.2.2 關(guān)鍵計(jì)算工況

在仿真分析的過程中，根據(jù)應(yīng)力波的傳播規(guī)律［15］，選擇距離樁基最小的橋墩作為研究對象，綜合考慮實(shí)際工程需要和結(jié)構(gòu)的性能退化，分析兩種不同工況下橋梁在樁基施工影響下的結(jié)果：工況1，建筑物無損傷時(shí)；工況2，既有建筑物樁頭連接部位損傷時(shí)。

3 結(jié)果分析

選取距離新橋樁位2.5 m處的土層（A）和樁基（B）作為觀測點(diǎn)，如圖2所示，分析樁基施工對土層和樁基的沉降位移影響，以及對既有建筑物的內(nèi)力影響，兩種工況下的分析結(jié)果如表3所示。

表3 沖擊施工對既有建筑物影響分析匯總Tab.3 Analysis and Summary of the Impact of Impact Construction on Existing Buildings

圖2 新建樁基節(jié)點(diǎn)沖擊荷載施加與土層、樁基觀測點(diǎn)位置Fig.2 Locations of the Compact Loadings

3.1 工況1：建筑物無損傷時(shí)，樁基施工

樁基加載后土層的沉降變形如圖3?所示，樁基加載會(huì)引起周圍土體的沉降變形，由于沖擊荷載的影響，土體振動(dòng)位移呈上下起伏趨勢，最大位移為8.5 mm，沖擊振動(dòng)傳遞到樁基礎(chǔ)，得到最大沉降值，為-1.1 mm左右。

圖3 土層A點(diǎn)和樁基B點(diǎn)沉降位移時(shí)程Fig.3 The Time History of Settlement Displacement of Point A of Soil Layer And Point B of Pile Foundation

樁基加載后的既有建筑物等效應(yīng)力分布如圖4?所示，可知既有建筑物立柱根部受力較大，為6.25 MPa。

圖4 樁基施工對既有建筑物的應(yīng)力影響分布Fig.4 Distribution of Stress Influence of Pile Foundation Construction on Existing Buildings

3.2 既有建筑物樁頭連接部位損傷時(shí)，樁基施工

考慮樁頭連接部位損傷工況下樁基施工對既有建筑物的影響。如圖5所示，在樁基模型中，設(shè)定樁基頂部10%的單元缺失，未參與與承臺的連接。

圖5 樁基頂部受損模擬Fig.5 Damage Simulation of the Pile

樁基加載后土層的沉降變形，樁基加載會(huì)引起周圍土體的沉降變形，由于沖擊效應(yīng)的影響，土體振動(dòng)位移呈上下起伏趨勢，最大位移為8.3 mm，沖擊振動(dòng)傳遞到樁基礎(chǔ)，得到最大沉降值為-1.2 mm左右。

樁基加載后的既有建筑物等效應(yīng)力分布如圖4?所示，可知既有建筑物立柱根部受力較大，為6.31 MPa。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值仿真分析橋梁樁基施工過程對既有建筑物結(jié)構(gòu)的安全影響，得出以下結(jié)論：

⑴在兩種工況下，樁基沖擊鉆施工對于既有建筑物立柱根部內(nèi)力的最大影響值為6.31 MPa，未達(dá)到混凝土的破壞極限承載值，所引起的土層位移最大為-1.2 mm，總體影響不大，新建橋梁樁基的施工不會(huì)對既有建筑物造成破壞。

⑵在條件允許的情況下，建議采用旋挖鉆施工，減少施工所帶來影響，同時(shí)，在樁基工程施工過程中應(yīng)加強(qiáng)既有建筑物的監(jiān)測工作。