趙沖

（同濟(jì)大學(xué) 上海 200092）

引言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)一直維持在一個(gè)較高的水平，從而加劇了對(duì)于樁基礎(chǔ)的使用量。樁基礎(chǔ)作為一種比較廣泛的地下建筑形式，承受地面建筑物的重量，將荷載傳遞至地下土層中。樁體分灌注樁和預(yù)制樁，預(yù)制樁由于其施工周期短、質(zhì)量容易得到保證等優(yōu)勢(shì)，在施工過(guò)程中廣泛使用。而其中錘擊沉樁由于工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、占用施工面積較少而在樁基工程中占有很大比重。

錘擊沉樁一方面便于施工，但另一方面它會(huì)給環(huán)境帶來(lái)不良影響。錘擊沉樁產(chǎn)生的振動(dòng)不同于地震產(chǎn)生的土體振動(dòng)，亦不同于地面震源產(chǎn)生的以面波為主的振動(dòng)，它是以樁尖為震源，向四周以球面波動(dòng)的形式傳播，且震源隨著樁尖位置的下移而不斷變化，從而也引起其振動(dòng)頻率和振動(dòng)衰減特性的不斷變化，容易造成周圍建筑開(kāi)裂并對(duì)人類身體健康造成不良影響。

1 樁體振動(dòng)理論分析

由錘擊樁產(chǎn)生的周圍土體的動(dòng)力相應(yīng)問(wèn)題就是一個(gè)非常典型的由錘擊產(chǎn)生的擾動(dòng)問(wèn)題。至今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于錘擊沉樁對(duì)周圍土體的波的是為了給現(xiàn)代人提供一定便利條件。所以在這種前提條件下，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)要盡可能與人們的日常生活進(jìn)行聯(lián)系，同時(shí)還要與房屋建設(shè)工程進(jìn)行同步規(guī)劃，這樣才能夠針對(duì)現(xiàn)存于其中的問(wèn)題起到良好的緩解作用，同時(shí)還能夠盡可能避免出現(xiàn)一些不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象。除此之外，在針對(duì)公共設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)的時(shí)候，嚴(yán)格按照建設(shè)單位已經(jīng)提出的規(guī)劃進(jìn)行操作，同時(shí)還要與主體工程相互之間保證同步。無(wú)論是在設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段或者是在具體使用過(guò)程，都需要嚴(yán)格按照相關(guān)流程進(jìn)行，這樣不僅能夠保證市政維護(hù)工作開(kāi)展的有效性，而且還能夠?qū)Ω鱾€(gè)環(huán)節(jié)都起到良好的監(jiān)督和管理[4]。動(dòng)分析都還處于探討階段，目前還沒(méi)有一個(gè)較為實(shí)用的理論模型可以較好地對(duì)振動(dòng)周圍的土體環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1931年，Isaacs[1]在考慮樁周土體阻力情況下，利用彈簧表示樁體的錘擊過(guò)程，提出了樁的一維波動(dòng)方程，Smith[2]利用差分法模擬樁基的振動(dòng)響應(yīng)，并將波動(dòng)方程拓展到樁周土體中。Randolph[3]在假設(shè)土骨架的彈性變形條件下，提出了用圓孔擴(kuò)張法來(lái)模擬樁周土體固結(jié)的封閉式解析解，在此基礎(chǔ)上，Carter[4]又給出了該問(wèn)題的彈塑性解答。他們給出的解析解都是基于平面應(yīng)變假設(shè)條件下提出的，無(wú)法解釋分層土體的復(fù)雜條件下的振動(dòng)響應(yīng)。

為了更好地模擬錘擊沉樁過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還通過(guò)有限元與其他方法相結(jié)合進(jìn)行研究。有些學(xué)者采用人工邊界來(lái)解決動(dòng)力沉樁過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，并通過(guò)但是人工邊界不可避免地會(huì)產(chǎn)生反射波的影響，White等[5]通過(guò)加權(quán)平均法及Degrande[6]等提出的模擬吸收邊界法對(duì)反射波問(wèn)題的解決提供的一定的借鑒。陳云敏[7]采用有限元與人工邊界相耦合的形式，編寫(xiě)相關(guān)程序來(lái)擬合錘擊沉樁過(guò)程中樁周土體動(dòng)力響應(yīng)，尹雄采用有限元與無(wú)限元相耦合的形式，對(duì)錘擊沉樁的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了擬合，盡管數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比偏小，但是有一定的分析借鑒價(jià)值。

土塞效應(yīng)下振動(dòng)理論分析：

在開(kāi)口管樁條件下，土體由于樁體擠壓作用進(jìn)入樁身形成土塞，土塞的存在使得錘擊沉樁的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題變得更為復(fù)雜。HeeremaEP等[8]將土塞模擬成彈簧，指出土塞阻力的形成與樁周土體的變形有關(guān)，陶桂蘭[9]在考慮土體與樁體接觸面摩阻力條件下，提出了考慮土塞的樁體振動(dòng)響應(yīng)方程。但是由于土體與開(kāi)口樁之間接觸面的復(fù)雜性以及兩者材料參數(shù)之間以及應(yīng)力波在兩者之間傳播的狀態(tài)也差別巨大，因此期望求得在整個(gè)土體中波動(dòng)傳播的解析解是不經(jīng)濟(jì)且不實(shí)際的。

2 樁周土體振動(dòng)應(yīng)用公式

錘擊樁的整個(gè)系統(tǒng)包括落錘、墊、樁、樁周土體。由于錘擊能量損失，一小部分錘擊能量損失在樁錘與樁帽之間的振動(dòng)中，其余大部分能量在樁尖處以彈性波的形式向樁周土體和地表傳播。在研究樁體本身的波動(dòng)以外，沉樁會(huì)產(chǎn)生體波與面波，從而引起周圍環(huán)境的振動(dòng)。體波包括S波與P波，而面波包括R波與L波該振動(dòng)會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生不良影響[10]，為了確保樁周建筑物不受錘擊沉樁施工過(guò)程的影響，需要探究樁體在沉樁過(guò)程中，錘擊波動(dòng)的衰減規(guī)律。

圖1

Athanasopolos等[11]提出打樁引起的地面振動(dòng)距離衰減通常用對(duì)數(shù)關(guān)系來(lái)模擬：

υ=kr-m

其中υ是地面的峰值質(zhì)點(diǎn)速度（通常是垂直方向）；r是振動(dòng)源的距離（通常是與打樁點(diǎn)的水平距離），m是斜率或衰減率，k是常數(shù)。

該公式?jīng)]有考慮材料阻尼以及初始錘擊能量對(duì)錘擊振動(dòng)的影響，為此Attewell等[12]又提出以下公式：

其中：υ1為土顆粒最大速度，r為震源至測(cè)點(diǎn)的距離，E0為下落的能量。

該公式和實(shí)際工程有較好的擬合度，但是由于其公式本身的復(fù)雜性，較少應(yīng)用于工程實(shí)際，在實(shí)際工程中，往往使用Wiss等[13]提出的

n的值綜合考慮了土層材料衰減與幾何衰減，范圍為1～2。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)樁周土體的衰減規(guī)律做了大量工作，提出了各自的經(jīng)驗(yàn)公式，吳鐵生[14]通過(guò)觀察，將衰減規(guī)律總結(jié)為下式：

υ=k[Em/r]-n

υ為質(zhì)點(diǎn)速度峰值，E為振動(dòng)能量，r為與震源距離，k、n為場(chǎng)地系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文較為系統(tǒng)地介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)錘擊沉樁過(guò)程的理論研究。并對(duì)錘擊沉樁過(guò)程中，各類樁周土體振動(dòng)公式進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的借鑒意義。但由于錘擊沉樁過(guò)程的復(fù)雜性及樁周土體的不確定性，在錘擊沉樁的過(guò)程中，樁體及樁周的動(dòng)力響應(yīng)理論還有待進(jìn)一步研究分析，尤其是針對(duì)不同樁體形式、不同土體條件下的動(dòng)力響應(yīng)，該研究具有較好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，值得進(jìn)一步深入探究。

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