明挖法施工產(chǎn)生的振動荷載計算

朱爐軍，楊 東，鄭林輝

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.四川省煤田地質(zhì)局一四一地質(zhì)隊(duì)，四川 618000；3.重慶607勘察實(shí)業(yè)總公司，重慶 400056)

地下工程現(xiàn)有施工方法較多，主要有明挖法、暗挖法(主要指新奧法)、盾構(gòu)法、頂管法和沉管法等。由于明挖法具有施工作業(yè)面多，速度快，工期短，易于保證工程質(zhì)量，工程造價低等優(yōu)點(diǎn)，因此在地面交通和環(huán)境條件允許的前提下，常被采用。明挖法施工的一般程序是：從地表向下開挖基坑至設(shè)計標(biāo)高，然后自下向上構(gòu)筑防水設(shè)施和主體結(jié)構(gòu)，最后回填恢復(fù)路面。對于淺、表部明挖地下工程，由施工帶來的巖土體擾動較小，振動荷載可忽略不計，但對于深度較大的明挖地下工程，常常需要采用振動的方式沉入樁體避免基坑開挖時大量巖土體坍塌，這就不可避免的會對周圍巖土體產(chǎn)生擾動，振動荷載不可忽略。針對明挖施工帶來的振動荷載方面的研究成果，國內(nèi)外雖有相關(guān)報道，但多數(shù)為定性分析，未見嚴(yán)密的理論計算公式，如：楊曉杰等以北京地鐵十號線區(qū)間明挖法施工段為研究背景，采用FLAC3D模擬分析了明挖施工各工序?qū)又苓叺乇淼淖冃斡绊懸?guī)律，結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合[1]；周光孔研究沉樁振動對周圍環(huán)境的影響，定性、半定量的論述了從控制沉樁設(shè)計到施工的全過程如何避免由于沉樁振動導(dǎo)致周圍建筑物發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞[2]；儲潔統(tǒng)計分析了國內(nèi)102起地下工程明挖施工的安全事故案例，揭示了可能會導(dǎo)致明挖施工安全事故的因素，對今后從事相關(guān)實(shí)踐工程有一定參考價值[3]；李小彭等借助ANSYS有限元軟件，模擬分析了振動沉樁的動力學(xué)過程，揭示了激振力振幅、頻率和土體強(qiáng)度參數(shù)對樁位移的影響機(jī)理[4]；馬秉務(wù)、姚愛國在前人研究的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了明挖施工中由于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的地表沉降值計算公式，研究成果可為工程設(shè)計提供參考價值[5]；王莉平研究既有建筑物下明挖基坑施工對樁基及周圍地層的影響，提出了給定地質(zhì)條件下更為合理的明挖基坑施工工序[6]；麻鳳海應(yīng)用ADINA軟件建立了明挖法深基坑開挖支護(hù)過程的三維模型，分析了地鐵車站深基坑開挖對土體的影響[7]。

縱觀上述研究，明挖施工產(chǎn)生的振動荷載計算未見有詳細(xì)的論述。基于此，本文采用彈性力學(xué)分析方法，計算明挖施工對周圍巖土體產(chǎn)生的振動荷載(此處只考慮由于振動沉樁產(chǎn)生的振動荷載，其他暫且不計)。

1 振動沉樁分析模型

圖1 振動沉樁機(jī)

根據(jù)振動沉樁機(jī)工作方式及相應(yīng)工作原理，建立如圖2所示的振動沉樁過程分析模型：

圖2 振動沉樁分析模型

其中：Fd為振動沉樁機(jī)產(chǎn)生的總激振力(kN)，由兩部分組成，一部分是振動錘和配重的靜荷載F0，另一部分是正弦變化的激振力Fv，總激振力Fd計算如式(1)[8]；qf為樁側(cè)摩阻力(kPa)；G為振動沉樁的自重(kN)；Nt為樁體下沉t時刻樁端阻力(kPa)；L為振動沉樁總長度(m)；l為樁體下沉t時沉入巖土體中的長度(m)。

Fd=F0+Fv

=F0+4π2Mf2sin(2πft+Δφ)

(1)

式中：M為偏心靜力矩(kg·m)；f為振動錘振動頻率(Hz)；△φ為初始相位角(°)。

對于實(shí)際工程中常用的SAF160型振動錘，樁錘和配重的總重量F0為70kN，偏心靜力矩M=60 kg·m，振動頻率為10 Hz，初始相位△φ=0°。實(shí)際在沉樁之前，樁體已有部分伸入土體中，令此部分長度為l0，我們認(rèn)為樁體下沉速度是一定的，用v表示，則t時刻樁體伸入土中長度為l：

l=l0+vt

(2)

由于已假定樁體勻速下沉，即樁體在每個時刻皆處于平衡狀態(tài)，所以

充分利用現(xiàn)有渠道及其構(gòu)筑物，以現(xiàn)代化遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度技術(shù)為支撐進(jìn)行遠(yuǎn)距離無調(diào)蓄水庫的供水工程建設(shè)，對于有多水源保證的區(qū)域來講是可行的。通過細(xì)致優(yōu)化的方案比選及設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)供水目標(biāo)，減少建設(shè)調(diào)蓄水庫所帶來的遷占問題，大大降低工程投資，加快工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)水利固定資產(chǎn)的增值，對于加快推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化供水具有事半功倍的效果。

Nt+Qf=Fd

(3)

式中：Qf為樁側(cè)摩阻力(kN)，按下式計算。

Qf=πDlqf

(4)

聯(lián)立(1)、(2)、(3)和(4)得式(5)。

Nt=F0+4π2Mf2sin(2πft+Δφ)

-πD(l0+vt)qf

(5)

2 振動沉樁過程巖土體中產(chǎn)生的振動荷載求解

將樁軸線與地面的交點(diǎn)o作為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立定坐標(biāo)系xyz，同時，將樁底端中心o’作為動坐標(biāo)系x’y’z’的坐標(biāo)原點(diǎn)。將樁周土體視為彈性體，樁端阻力視為集中力作用于樁端中心，如圖3，則依布辛內(nèi)斯克(Boussinesq·J)解答[9]，樁端以下任一點(diǎn)M應(yīng)力計算式為：

圖3 t時刻樁底M點(diǎn)處應(yīng)力計算模式圖

(6)

其中：

(7)

理想情況下，當(dāng)M點(diǎn)位于樁端以上時，作用在土體上的端阻力(端阻力的反力)并不會對該點(diǎn)應(yīng)力有任何影響，則地面下任一點(diǎn)M的應(yīng)力計算式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

樁端中心點(diǎn)為應(yīng)力奇異點(diǎn)，此處只給出其豎向應(yīng)力σz的計算式：

(14)

至此，振動沉樁機(jī)沉樁過程中，周圍巖土體的振動荷載求解完畢。

3 結(jié)論

明挖施工作為地下工程開挖的一種常用施工手段，已經(jīng)普遍被工程技術(shù)人員所掌握。本文以明挖施工產(chǎn)生的振動荷載研究為背景，開展了明挖施工對周圍巖土體振動荷載的計算式推導(dǎo)，總結(jié)如下：

(1)由于淺、表部明挖地下工程施工給巖土體帶來的擾動小，本文建立的振動荷載計算方法只針對深度較大的明挖地下工程，并認(rèn)為振動荷載主要源自振動沉樁機(jī)的振動沉樁過程。

(2)本文參考了著名的布辛內(nèi)斯克解答，并未考慮土體的塑性特性，將其視為彈性體，求解結(jié)果存在局限性。

(3)針對建立的計算方法，文中并未作相應(yīng)的算例，下一步的工作重點(diǎn)是將理論計算方法運(yùn)用于實(shí)際工程中，并與實(shí)際情況作對比，檢驗(yàn)公式的適用性。

參考文獻(xiàn)：

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[2]周光孔.沉樁振動對周圍環(huán)境影響的計算[J].廣西土木建筑,1997,22(3):89-94.

[3]儲潔.明挖法地下工程施工安全事故統(tǒng)計及原因分析[J].江蘇建筑,2012,(5):52-53.

[4]李小彭,段澤亮,李濤,等.振動沉樁過程的動力學(xué)仿真分析[J].振動與沖擊,2012,31(7):24-26.

[5]馬秉務(wù),姚愛國.基坑邊緣地面沉降計算方法分析[J].西部探礦工程,2004,(1):12-14.

[6]王莉平.既有建筑物下明挖基坑施工對樁基及周圍地層的影響研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2012,31(4):49-52.

[7]麻鳳海,張維來,呂培印.地鐵車站深基坑開挖對土體影響的數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,31(3):295-299.

[8]霍曉強(qiáng),周傳立,柯瑾.振動沉拔樁機(jī)振動樁錘主要參數(shù)的選擇及計算[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2001,18(總90):1-4.

[9]盧廷浩.土力學(xué)[M].北京：中國電力出版社,2010.