張龍, 諸裕良

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京210098)

近海工程沉樁振動對鄰近埋地管道影響的數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測

張龍, 諸裕良*

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京210098)

為探究沉樁振動對鄰近埋地管道安全性的影響,在基于ABAQUS平臺數(shù)值建模計算和工程現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上,就近海工程沉樁振動對鄰近埋地管道安全運行可能產(chǎn)生的影響進行了建模探究與比對。研究表明,埋地管道周邊質(zhì)點振動速度峰值和管道位移這兩個要素對埋地管道的影響最為直接顯著。在此基礎(chǔ)上提出了實際工程條件下近海埋地管道在沉樁振動施工下的安全控制標(biāo)準(zhǔn):埋地管道質(zhì)點振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm/s,埋地管道鄰近土體水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm。該控制標(biāo)準(zhǔn)在實際工程中取得了良好效果。

沉樁振動;埋地管道;數(shù)值計算;現(xiàn)場監(jiān)測;控制標(biāo)準(zhǔn)

近年來,科研人員對振動沉樁施工等沖擊作用的問題,較多的是研究土體的動力特性,而對引起地下結(jié)構(gòu),如埋地管道的振動響應(yīng)研究較少。隨著沿海各地大規(guī)模的海洋開發(fā),近海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施工程的大量興建,研究沉樁振動對埋地管道的影響及控制已成為當(dāng)前近海工程界亟待解決的重要問題。

在已有的研究中,Northwood和Wiss等[1]認(rèn)為質(zhì)點峰值速度是分析結(jié)構(gòu)在振動破壞下的最佳參數(shù)。目前,國內(nèi)外相關(guān)文獻中都公認(rèn)將質(zhì)點振動速度作為表征振動特征的控制標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)規(guī)程規(guī)范[2]及相關(guān)文獻[3]中都以質(zhì)點振動速度作為控制標(biāo)準(zhǔn);另一方面,由于振動沉樁施工過程中形成的振動波具有強度高、頻率低和振動累計時間長的特點,在較長時間的連續(xù)沖擊荷載作用下埋地管道管周土體累積變形可能很大。鑒于以上兩方面原因,文中將埋地管道周邊質(zhì)點振動速度峰值和管道位移作為研究的主要對象,結(jié)合工程實例,通過數(shù)模計算和現(xiàn)場試驗,提出該工程中埋地管道在沉樁振動下的安全控制標(biāo)準(zhǔn),該控制標(biāo)準(zhǔn)為現(xiàn)場監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐,使現(xiàn)場監(jiān)測更有針對性,極大地增強了現(xiàn)場監(jiān)測對工程安全的指導(dǎo)作用,同時現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)也驗證了該控制標(biāo)準(zhǔn)的適用性。

1 埋地管道損傷模型建立與分析

1.1 工程背景

寧波算山碼頭擴建改造工程位于北侖電廠取水管道附近,取水管為電廠冷卻水供應(yīng)管道。1#～3#系纜墩即為擴建位置,其距發(fā)電廠取水管道較近,預(yù)計沉入的鋼管樁與取水管平面距離最近為24.8 m,每座系纜墩設(shè)計沉樁數(shù)量為8根,樁基采用Φ1 200 mm鋼管樁,具體如圖1所示。

圖1 碼頭改擴建項目與電廠位置關(guān)系Fig.1 Location map of pier and the p lant expansion project

北侖電廠取水管海底埋深約20 m,直徑達4.84 m,安裝時采用盾構(gòu)法進行施工,由若干管節(jié)組成,每個管節(jié)由6片厚度為330 mm的弧形混凝土預(yù)制板組成,預(yù)制板之間采用螺栓連接。

1.2 模型主要參數(shù)

ABAQUS軟件可以很好地模擬非線性問題,并且能控制有限元分析精度,文中運用ABAQUS有限元軟件的顯示動力分析以及接觸面功能,通過建立沉樁對埋地管道影響的有限元模型進行計算和分析。埋地管道采用C40混凝土材料,在模型中考慮材料強度折減因素,折減系數(shù)取為0.8,模型中采用彈性模型模擬,其材料參數(shù)及基本土質(zhì)參數(shù)見表1和表2。

表1 管道參數(shù)Tab.1 Pipe parameters

表2 土體參數(shù)Tab.2 Soil param eters

1.3 模型尺寸和網(wǎng)格劃分

基樁直徑取為1.2 m,樁長為11 m,為使網(wǎng)格形狀有良好的適應(yīng)性,樁靴部分建成半圓型,樁靴長為0.25 m。為了減少單元數(shù)量,節(jié)約求解時間,建模時利用對稱性,取整個系統(tǒng)的1/4建立土體模型,總計133 300單元,土體表面為15 m×15m,土體高度取為20 m。為解決土體大變形導(dǎo)致模型計算不收斂,將樁周2.5倍樁徑范圍內(nèi)的區(qū)域進行切割,同時對該區(qū)域使用任意拉格朗日歐拉網(wǎng)格劃分,并增加該區(qū)域網(wǎng)格密度。管道外徑取為4.84 m,壁厚0.05 m,模型中管道及土體單元選用減縮積分8節(jié)點實體單元C3D8R。模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite elem entm odel

1.4 邊界條件

建模時利用對稱性,土體取整個系統(tǒng)對稱建模,需要在其對稱面上施加平面對稱邊界條件,另外約束模型底部6個方向位移,土體上表面不加約束,保留其為自由表面。為確?；鶚对谑茌d后不發(fā)生旋轉(zhuǎn),約束其3個旋轉(zhuǎn)自由度和水平位移自由度,釋放其豎向(Z方向)自由度。在管道-土之間設(shè)置接觸對,利用罰函數(shù)算法計算,不再對管道另外設(shè)置邊界條件。

1.5 沖擊荷載形式

假定沖擊荷載為線性加載,荷載作用時間0.2 s,影響時間為1 s,打樁沖擊荷載峰值為2 000 kN。沖擊荷載分布形式如圖3所示。

圖3 沖擊荷載形式Fig.3 Im pact loading form

1.6 沖擊速度的損傷分析

埋地管道破壞時質(zhì)點振動速度如圖4所示。

圖4 埋地管道破壞時質(zhì)點振動速度Fig.4 Peak particle velocity when the buried pipeline is damaged

由圖4可以看出,埋地管道開始破壞時振動速度最大值為0.12 m/s,埋地管道受沉樁影響最不利的振動位置出現(xiàn)在如圖5所示的管道頂部與管道離樁較近側(cè)之間的圓弧上。

圖5 埋地管道破壞時最不利截面各處振動速度Fig.5 Peak particle velocity of the m ost un favorab le section when the buried pipeline is damaged

1.7 管道位移分析

管道位移隨時間的變化是以管道近樁一端的最不利截面為研究對象,在最不利截面上分別選取頂部、底部、靠近樁一側(cè)、遠(yuǎn)離樁一側(cè)的4個點為觀察點,具體情況如圖6所示。圖6中記錄這4個點的水平位移隨時間的變化。

對于管道最不利截面參考點處的水平位移,管道水平位移與時間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可以看出,沉樁剛開始時近樁側(cè)有微小水平位移,這是由于基樁剛沉樁時對其產(chǎn)生一定的水平方向擠壓造成的。隨后,管道在水平方向上表現(xiàn)為整體運動,但是近樁側(cè)的點位移幅度較其他3點相比更大。這是因為近樁側(cè)距沉樁點更近,受到沉樁擠土效應(yīng)更明顯,管道破壞時,近樁側(cè)的水平位移為3.3 mm。

圖6 管道最不利截面Fig.6 M ost unfavorable section of the buried pipeline

圖7 管道水平位移-時間曲線Fig.7 Pipeline horizontal disp lacement-tim e curve

1.8 混凝土管振動損壞控制標(biāo)準(zhǔn)

目前對近海沉樁振動破壞的理論研究還不充分,我國對沉樁振動效應(yīng)的評估,因尚無適用的安全標(biāo)準(zhǔn),目前常規(guī)方法是直接套用《GB6722—2011爆破安全規(guī)程》[4]決定安全指標(biāo)。具體規(guī)定為:水工隧洞的爆破振動判據(jù),采用保護對象所在地基礎(chǔ)質(zhì)點峰值振動速度和主振頻率(見表3)。

表3 《GB6722—2011爆破安全規(guī)程》爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Safety standards of blasting vibration in GB6722—2011 Blasting safety regu lations

鑒于沉樁振動低頻多次振動特點、取水管道實際運行情況、國內(nèi)相關(guān)文獻[5-7]與規(guī)范[8-9]及上文數(shù)值模型計算成果,從安全性角度考慮,確定該工程實例中取水管質(zhì)點振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm/s,取水管鄰近土體水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)為10 mm。

2 現(xiàn)場監(jiān)測及分析

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測工作

2.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容 在此項工程實例中,主要監(jiān)測管道周邊質(zhì)點振動速度以及深層水平位移兩項內(nèi)容,共布置5個測試點位,總計布設(shè)速度傳感器21個,深層位移計16個。

2.1.2 監(jiān)測方法

2.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

現(xiàn)場監(jiān)測過程中,第1 d下午完成3#-6,3#-7, 3#-8,3#-5 4根試驗樁的沉樁試驗,在試驗樁的施打過程中對沉樁引起的質(zhì)點振動速度、土體水平位移進行了觀測,并將觀測數(shù)據(jù)反饋至數(shù)學(xué)模型。待數(shù)模計算結(jié)果確定后,于第8 d開始2號墩沉樁施工,并于第11 d完成2號墩、3號墩沉樁工作。具體沉樁順序見表4。

2.3 質(zhì)點振動速度監(jiān)測結(jié)果及分析

通過對沉樁過程質(zhì)點振動速度數(shù)據(jù)的采集、整理,得到了在沉樁過程中各測點振動速度最大值(見表5、表6)。通過數(shù)據(jù)可以看出,除3#-6號樁外,沉樁引起取水管附近振動速度最大值均小于上文取水管質(zhì)點振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)30 mm/s,取水管道處于安全狀態(tài)。

表4 沉樁順序表Tab.4 Piling sequence

在3#-6號樁沉樁過程中,測點速度值有明顯增大,此情況下立即停止沉樁施工。經(jīng)檢查分析,3#-6號樁振動速度變大(86.7 mm/s、37.8 mm/s)的原因為樁吊耳與老樁邊緣發(fā)生刮碰撞擊所致,后通過樁身扭轉(zhuǎn)后恢復(fù)正常。3#-6號樁沉樁過程中與取水管最近的3-1號測點測得速度最大值為17.03 mm/s,小于取水管質(zhì)點振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)30 mm/s,取水管道處于安全狀態(tài)。

表5 沉樁引起各測點振動速度最大值(I)Tab.5 Peak particle velocity caused by pile driving(I)

表6 沉樁引起各測點振動速度最大值(Ⅱ)Tab.6 Peak particle velocity caused by pile driving(Ⅱ)

2.4 土體水平位移監(jiān)測結(jié)果及分析

表7為監(jiān)測得到的取水管道鄰近土體水平位移的最大值。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在取水管道高程-24.8 m處,土體最大水平位移為8.60 mm小于上文確定的取水管鄰近土體水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)10 mm,所以取水管道處于安全狀態(tài)。

表7 取水管道鄰近土體水平位移最大值Tab.7 M aximum soil disp lacement of the surrounding buried pipeline

3 結(jié) 語

文中研究了以埋地管道所在位置質(zhì)點振動速度峰值和管道位移作為近海工程沉樁振動主參數(shù)的安全控制標(biāo)準(zhǔn),并且以該安全控制標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)場監(jiān)測,取得良好工程效果。

1)在數(shù)模計算和現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻與規(guī)范,提出了算山碼頭擴建改造工程中電廠取水管道振動沉樁施工的安全控制標(biāo)準(zhǔn)為取水管周邊質(zhì)點振動速度30 mm/s,鄰近土體水平位移10 mm;

2)以該控制標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)支撐指導(dǎo)工程現(xiàn)場監(jiān)測,極大地提高了振動沉樁施工的安全性,取得了良好的工程效益。

文中的研究方法為開展類似工程提供了參考,其控制標(biāo)準(zhǔn)對相近工程也有一定的參考價值。

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(責(zé)任編輯:邢寶妹)

Numerical Sim u lation and Field M onitoring of O ffshore Engineering Pile Driving Vibration on Ad jacent Buried Pipeline

ZHANG Long, ZHU Yuliang*
(College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

To explore the safety of pile driving vibration on adjacentburied pipeline,based on the platform of ABAQUS numericalmodeling calculation and engineering on the basis of field monitoring,this paper studies the problem of offshore engineering pile driving vibration on adjacentburied pipelinewhichmay affect safe operation.The results show that buried pipeline surrounding peak particle vibration velocity and pipeline displacement of the two elements of the influence of the buried pipelines are themost significant.On the basis of the proposed method,the engineering under the condition of offshore of buried pipelines under the pile driving vibration in the construction of safety control standard is thatwhen buried pipelines particle vibration velocity control standard is30mm/s,buried pipelines adjacent soil horizontal displacement control standards is 10 mm.The safety control standards achieve satisfactory results in engineering practice.The proposed method and its safety control standards provide guidance for similar engineering and research.

pile driving vibration,buried pipeline,numerical calculation,field monitoring,safety control standards

Email:zhyl@hhu.edu.cn

TU 473.1

A

1671-7147(2015)01-0097-06

2014-06-15;

2014-08-10。

張 龍(1988—),男,江蘇南通人,港口、海岸及近海工程專業(yè)碩士研究生。

*通信作者:諸裕良(1965—),男,江蘇無錫人,教授,碩士生導(dǎo)師。主要從事港口海岸及近海工程研究。