振動沉管碎石樁對軟土地基的震動影響研究

振動沉管碎石樁對軟土地基的震動影響研究

0振動液化作用振動沉淀池碎石樁是處理地層硬化的有效方法。它的加固原理是通過沉管的振動沉入，使樁管周圍的砂土受到相當(dāng)大的橫向擠壓力，將樁管同體積的砂土擠向周圍的土層中。在飽和松散的砂土中，甚至在振動樁管的周圍造成局部的砂土振動液化現(xiàn)象，致使土體顆粒重新排列，促使土的孔隙減少，密度增大。成孔填加碎石料后的振動和加壓擴徑過程中，由于擴徑的作用，致使樁體周圍的砂土進一步被擠密，從而增加處理后的地基承載力和抗液化的能力。沉管碎石樁施工過程中的這種振動液化作用對周圍環(huán)境的影響是很大的，一般均在樁位周圍形成顯著的地面沉陷和裂縫（見圖1）。為研究振動沉管碎石樁的施工振動對周圍環(huán)境的影響，我們在江蘇LNG工程的施工中進行了現(xiàn)場測試，研究了沉管沉入和拔出以及填料的整個過程中對周圍環(huán)境的影響及其安全邊界。1樁身尺寸、振動測試測試現(xiàn)場的上部分布約11m的人工吹填土，其余均為第四系全新統(tǒng)沖海積物和上更新統(tǒng)海積物，巖性以粉砂、細砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土為主。場地上部20m的吹填砂和粉砂層有嚴重的液化性，地基土的液化處理采用振動沉管碎石樁，設(shè)計樁徑400mm，樁長20m。沉管碎石樁施工采用DZ90型振動打樁錘，其性能為：樁錘質(zhì)量5864kg；偏心力矩500N·m；空載振幅9.0mm；激振力677kN；偏心軸速1100r/min。樁管直徑377mm。測試過程中，把振動沉管樁機作為振動源，振動源看作是一系列簡諧波（強迫振動）作用，由沉管處產(chǎn)生的振源向周圍土層及地表傳播開去。在距振動沉管碎石樁中心2m、5m、10m、15m、25m、35m、50m、70m和90m處共布設(shè)9對（豎向和水平）加速度傳感器。測試時采用941B型超低頻測振儀，在沉樁過程中，每下沉5m連續(xù)測讀一次數(shù)據(jù)，拔出過程中每上拔5m連續(xù)測讀一次數(shù)據(jù)。在沉管反復(fù)上拔和下沉過程中，也連續(xù)記錄振動加速度數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)和相關(guān)分析圖由excel、origion7.5軟件得到。2加速度和振動圖2和圖3分別給出沉管由地表0m下沉至5m過程中4個不同的徑向距離（2m、10m、50m、90m）的水平向加速度時程曲線和豎向加速度時程曲線。可見，離沉管樁中心較近距離測點的水平加速度和豎向加速度分別可達0.9m/s2和14.2m/s2。圖4和圖5分別給出沉管由深度5m上拔至地表過程中4個不同的徑向距離（2m,10m,50m,90m）的水平向加速度時程曲線和豎向加速度時程曲線。可見，離沉管樁中心較近距離測點的水平加速度和豎向加速度分別可達0.02m/s2和10.0m/s2。振動測試時程圖表明，地面振動頻率成分十分復(fù)雜，在不同的階段也差異很大。即便是在同一個點，水平振動加速度和豎向振動加速度時程曲線也有很大差異。歸結(jié)其原因，加速度時程曲線與沉管沉入時所遇到的土層的堅硬程度、沉管的入土深度、填料過程、反復(fù)沉入和拔出過程等有關(guān)。3沉管社會主義革命道路下，水平加速度隨徑向距離的變化規(guī)律圖6給出沉管沉入和上撥過程中，豎向振動加速度沿徑向距離衰減變化規(guī)律。由圖6(a)可以看出，在距離沉管較近的距離處（如2～5m），豎向振動加速度的變化比較復(fù)雜，而當(dāng)離開距離沉管一定的范圍后（如大于5m），振動加速度沿徑向距離呈現(xiàn)明顯的衰減特征。當(dāng)沉管沉入時，靠近沉管處（即距離沉管中心2m）的加速度最大值可達14.2m/s2；當(dāng)徑向距離超過25m時，振動加速度降至4.3m/s2以下；當(dāng)徑向距離超過50m時，振動加速度很快降到1.1m/s2以下；當(dāng)徑向距離超過70m時，振動加速度很快降到0.5m/s2以下?？梢?，沉管碎石樁沉入施工時，其引起的振動效應(yīng)是十分明顯的，影響范圍較大。由圖6(a)還可以看出，盡管豎向加速度的變化呈現(xiàn)比較復(fù)雜的性態(tài)，但總體上隨著沉管沉入深度的增加，沿著徑向距離的加速度值開始有逐漸增大的趨勢，然后在一定距離范圍內(nèi)卻有減小的趨勢。與沉入過程相比（圖6(a)），當(dāng)沉管拔出時豎向加速度值有一定減小的趨勢（圖6(b)）。特別是，由于拔出過程中伴隨著填料過程以及沉管的再次反復(fù)沉入，加速度呈現(xiàn)比較復(fù)雜的性態(tài)，但總體上隨著沉管拔出過程的進行，沿著徑向距離的加速度值有逐漸減小的趨勢。由圖6(b)還可以看出，當(dāng)沉管拔出時，加速度的影響范圍似乎更遠些，如離開沉管70m處的加速度為1.7m/s2，大于沉入時的最大值（即0.5m/s2）。圖7給出沉管沉入和上撥過程中，水平振動加速度沿徑向距離衰減變化規(guī)律?？梢钥闯?，水平振動加速度要比豎向振動加速度小得多，其最大值為0.5m/s2（大致在距離沉管中心5～10m處）。此外，水平振動加速度隨著徑向距離的增大也大致呈現(xiàn)逐漸衰減的規(guī)律，但其衰減程度要比豎向加速度慢些。4振動加速度衰減規(guī)律目前，一般是通過控制地基土體的位移場、速度場和加速度場來對振動產(chǎn)生的影響和危害進行監(jiān)測和評價。沉管碎石樁施工所引起的地基土的振動可用質(zhì)點位移、質(zhì)點速度、質(zhì)點加速度、頻率和振動傳播速度等5個參數(shù)來描述。沉管振動沉入和拔出所引起的彈性波可分為體波和面波（主要為瑞利波）兩大類。振動在地下傳播主要為體波，而面波在地面振動中起主導(dǎo)作用。若僅考慮瑞利波效應(yīng)，表面振動情況下土中振幅的衰減關(guān)系可用下式來表示：式中，Ar為距振源r處土體的振幅；A0為距振源r0處土體的振幅；α為振動衰減系數(shù)，表征土體對能量的吸收作用（m-1）。振動速度衰減規(guī)律可用下式表達：式中，V為距打樁點距離為r處地面振動速度值(mm/s)，V0為距打樁點距離為r0處地面振動速度值(mm/s)，α為振動衰減系數(shù)(m-1)。上述分析表明，隨著距振源距離的增大，振幅的衰減是明顯的。從本次現(xiàn)場振動加速度的衰減規(guī)律來看（圖6和7），在25m的范圍內(nèi)振動加速度較大，而在遠離25m的距離，振動加速度衰減很快，整個過程也大致成指數(shù)衰減規(guī)律。對于本項施工工藝，為保證現(xiàn)場施工的安全，施工地點100m范圍內(nèi)應(yīng)該避免有重要的建筑物。由圖6給出的加速度衰減規(guī)律可以得到下面的振動加速度衰減方程：式中，a為距打樁點距離為r處地面振動加速度(g)，a0為距打樁點距離為r0處地面振動加速度(g)，α為振動衰減系數(shù)(m-1)。圖8給出本次沉管沉入過程中最大豎向振動加速度隨徑向衰減的擬合曲線。其擬合方程為:對于吹填砂土地基的現(xiàn)場測試結(jié)果，可取a0=16.6，α=0.07。5沉管結(jié)構(gòu)沉管振動加速度分析通過振動沉管碎石樁施工過程中的振動測試可得出以下結(jié)論：(1）地面振動頻率成分十分復(fù)雜，在不同的階段也差異很大。即便是在同一個點，水平振動加速度和豎向振動加速度時程曲線也有很大差異，其原因可歸結(jié)為沉管沉入時所遇到的土層的堅硬程度、沉管的入土深度、填料過程、反復(fù)沉入和拔出過程等的不同。(2）在距離沉管較近的距離處，豎向振動加速度的變化比較復(fù)雜，而當(dāng)離開距離沉管一定的范圍后，振動加速度沿徑向距離呈現(xiàn)明顯的衰減特征。沉管碎石樁沉入施工時，其引起的振動效應(yīng)是十分明顯的，影響范圍較大。(3）水平振動加速度