張 云

（1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海市200061）

0 引 言

上海地區(qū)防汛墻是指沿河地面以上阻擋潮水漫溢的墻式建筑物，作為平原地區(qū)城市堤防，其兼具擋水、擋土等功能，對(duì)城市防洪起著重要作用。供水管線是城市供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是城市中較為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。防汛墻樁基施工過程中難免遇到近距離的既有供水管線，若樁基施工控制不當(dāng)，可能造成供水中斷，進(jìn)而影響居民生活、工廠生產(chǎn)[1]。因此需研究樁基施工對(duì)既有管線的影響。振沖沉樁是上海地區(qū)防汛墻樁基施工常采用的一種施工方式，為了避免防汛墻沉樁施工對(duì)既有倒虹供水管產(chǎn)生不利影響，合理地控制兩者的相對(duì)距離及樁群的施工順序是關(guān)鍵因素。

Henke等[2]提出了評(píng)估打樁對(duì)鄰近建筑影響的三維有限元分析方法，并比較了靜壓打入和振動(dòng)打入對(duì)周圍土體的影響。張楊楊等[3]分析了打樁對(duì)河道護(hù)岸的影響，且同時(shí)提出預(yù)防和減輕打樁施工影響的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)措施。李怡聞等[4]通過有限元分析，研究了振沖沉樁引起隧道振動(dòng)與位移的規(guī)律，確定了樁基相對(duì)間距、相對(duì)深度以及樁基動(dòng)力等參數(shù)。莫鼎革等[5]總結(jié)了不同施工振動(dòng)的類型、振沖沉樁的振動(dòng)特性，分析了打樁振害與地震震害的區(qū)別以及打樁振動(dòng)對(duì)建筑物的影響形式。羅雪貴[6]、尹洪樺等[7]分析了樁基施工的不同水平距離對(duì)鄰近隧道的影響差異，發(fā)現(xiàn)樁基施工對(duì)鄰近隧道的豎向變形（與水平變形相比）影響較大；隨水平位移增大，鄰近隧道的水平、豎向位移都近似呈指數(shù)減小。但是研究打樁對(duì)地下埋管或隧道的振動(dòng)影響并不多。

本文根據(jù)上海臨港地區(qū)某工程穿河倒虹供水管與河道擋墻施工的實(shí)例，采用動(dòng)力有限元法模擬了振沖沉樁對(duì)周邊倒虹供水管的影響。通過改變樁基與倒虹供水管的水平凈距，研究樁基振動(dòng)施工對(duì)不同距離處管道的影響。選定合理水平凈距后，模擬群樁施工對(duì)管道的綜合影響，分析對(duì)管道有影響的樁基范圍并提出是否應(yīng)該進(jìn)行預(yù)鉆孔沉樁或加固處理等施工措施。

1 基本理論及方法

1.1 樁基影響機(jī)理

振沖沉樁在施工過程中，對(duì)周圍土體及其他構(gòu)筑物的影響主要有振動(dòng)和擠土效應(yīng)兩種，其中更為明顯的是擠土效應(yīng)。沉樁擠土的物理過程是在很短時(shí)間內(nèi)將與樁身同體積的土擠向周圍[8]，樁周圍的土體受到擠壓產(chǎn)生水平和豎向位移，并產(chǎn)生擾動(dòng)和重塑[9]。根據(jù)斯凱普頓理論，由于打樁時(shí)樁周圍存在較高的土壓力，導(dǎo)致塑性超孔隙水壓力急劇升高，最終產(chǎn)生“水裂”現(xiàn)象。沉樁對(duì)周圍土體影響示意圖見圖1。

1.2 動(dòng)力有限元基本理論

動(dòng)力有限元法與靜力有限元法基本相同，僅需考慮幾個(gè)與時(shí)間相關(guān)函數(shù)如動(dòng)荷載、相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變、位移等，同時(shí)計(jì)算模型邊界應(yīng)考慮慣性力及阻尼力的作用。動(dòng)力平衡方程為：

圖1 沉樁對(duì)周圍土體影響示意圖

2 模型建立

2.1 工程概況

上海地區(qū)某河道整治工程擬采用直立式鋼筋混凝土擋墻，下設(shè)C30鋼筋混凝土方樁2排，樁基尺寸為300mm×300mm，樁長7m。擬建工程位置現(xiàn)有1條直徑為500mm的供水管，采用倒虹方式穿越該河道下方，在打樁過程中必須對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 幾何模型及參數(shù)

為了模擬倒虹供水管周邊樁基打樁振動(dòng)產(chǎn)生的影響，建立計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分（見圖2）。模型總寬度55m，土層深度30 m，左右兩側(cè)為水平約束，底部為固定邊界；同時(shí)為了避免振動(dòng)波在模型邊界處反射[10]，在底部和左右邊界設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)吸收邊界。通過調(diào)整樁基與倒虹供水管的水平凈距，研究樁基振動(dòng)施工對(duì)不同距離處管道的影響。

為正確模擬樁端土體在振動(dòng)荷載作用下的非線性變形，土體本構(gòu)選取Hardening soil small-strain model（以下簡稱HSS模型）。以勘察報(bào)告中“土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表”中各層土體的非飽和重度（γunsat）、標(biāo)準(zhǔn)三軸排水試驗(yàn)割線剛度、側(cè)限壓縮試驗(yàn)切線剛度）、卸載-再加載剛度剛度應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)（m）、有效黏聚力、內(nèi)摩擦角（φ）、GS=0.722G0時(shí)的剪切應(yīng)變（γ0.7）、小應(yīng)變參考剪切模量數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，確定各土層HSS模型參數(shù)，見表1。

圖2 樁基對(duì)供水管影響模型

樁體采用矩形實(shí)體單元模擬，選用線彈性本構(gòu)模型，同時(shí)沿樁體設(shè)置界面單元來模擬樁-土相互作用。倒虹供水管采用板單元模擬，材料類型選用彈性。

為了模擬群樁施工對(duì)管道的綜合影響，建立計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分（見圖3）。通過模擬供水管兩側(cè)各5根樁基的打樁振動(dòng)，研究對(duì)供水管影響較大的因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果推薦合理的群樁施工順序。

圖3 群樁施工對(duì)供水管影響模型

2.2.2 模型邊界條件

進(jìn)行樁基打樁動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，首先進(jìn)行模態(tài)分析，求取其特征周期。特征值分析時(shí)一般采取彈性邊界條件，其曲面彈簧計(jì)算公式為：

式中：kv為豎向地基反力系數(shù)；kv0為初始豎向地基反力系數(shù)其中的E0為地基的彈性系數(shù)，α 為系數(shù)，一般取為其中的Av為計(jì)算模型的豎直方向面的截面積；kh為水平地基反力系數(shù)；kh0為初始水平地基反力系數(shù)，kh0=kv0；其中的Ah是計(jì)算模型的水平方向面的截面積。

表1 HSS 模型參數(shù)及其物理含義表

在進(jìn)行樁基振動(dòng)時(shí)程分析時(shí)，采用靜力邊界誤差較大，應(yīng)采用Lysmer[11]黏滯邊界，其相應(yīng)的巖土體在X、Y方向上的縱向阻尼比CP、橫向阻尼比CS計(jì)算公式為:

式中：ρ 為密度；A為截面積；λ 為體積彈性系數(shù)；G為剪切彈性系數(shù)；γ 為重度。

2.2.3 樁基動(dòng)力

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本樁錘作用簡化為半周期的正弦函數(shù)，振幅5 000，相位角0.000°，頻率50.00 Hz，其簡諧波函數(shù)如圖4所示。

圖4 錘擊簡諧波荷載曲線

3 結(jié)果分析

3.1 2 根樁基對(duì)供水管影響分析

根據(jù)施工方法，本次共模擬2種工況下沉樁對(duì)管道的影響：工況1為當(dāng)完成1根樁基施工后，待擠土效應(yīng)及超空隙水壓力完全消散后再施打另1根樁基；工況2為當(dāng)完成1根樁基施工后，未待擠土效應(yīng)及超空隙水壓力消散立即施打另1根樁基。

采用工況1的施工方法時(shí)，不同樁基與倒虹供水管的水平凈距對(duì)供水管道位移的影響見圖5。

根據(jù)模擬結(jié)果可知：待擠土效應(yīng)及超空隙水壓力消散后，沉樁振動(dòng)對(duì)供水管道的影響以豎向位移為主；當(dāng)樁基與倒虹供水管水平凈距為0.3m，即1D（D為方樁截面長度，下同）時(shí)，供水管總位移（豎向位移）約12.35mm，隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大，對(duì)供水管道的影響逐漸減小，當(dāng)水平凈距為0.9m（3D）及以上時(shí)，供水管總位移變化及豎向位移變化均趨于穩(wěn)定，分別約3.00~3.66 mm和2.00~2.86mm；樁基對(duì)供水管道側(cè)向位移的影響隨兩者水平凈距的增大而逐漸增大，當(dāng)水平凈距大于0.9m（3D）及以上時(shí)，其對(duì)側(cè)向位移的影響趨于穩(wěn)定。

圖5 供水管變形影響趨勢(shì)圖（工況1）

為了減少樁基施工對(duì)供水管的影響，考慮對(duì)穿河倒虹管管截面豎向投影范圍進(jìn)行加固處理。在供水管1倍管徑范圍內(nèi)進(jìn)行加固處理的模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 加固處理前后樁基施工對(duì)供水管總位移影響趨勢(shì)圖

根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)樁基與倒虹供水管水平凈距為1D時(shí)，加固可使供水管總位移減小7.1%；當(dāng)凈距為2D~6D時(shí)，供水管總位移可以減小30%~40%。因此在控制樁基與供水管凈距的基礎(chǔ)上，對(duì)穿河倒虹管管截面豎向投影范圍進(jìn)行加固處理，可以顯著減小樁基施工對(duì)倒虹供水管的影響。

采用工況2的施工方法時(shí)，不同樁基與倒虹供水管的水平凈距對(duì)供水管道位移的影響見圖7。

圖7 供水管變形影響趨勢(shì)圖（工況2）

根據(jù)模擬結(jié)果可知：在擠土效應(yīng)及超空隙水壓力尚未消散時(shí)，沉樁對(duì)供水管道的影響以豎向位移為主，側(cè)向位移可忽略不計(jì)；隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大，沉樁振動(dòng)對(duì)供水管道的影響逐漸減小，當(dāng)水平凈距大于1.5m（5D）及以上時(shí)影響顯著減??；當(dāng)水平凈距為0.3~1.2m（1D~4D）時(shí)，沉樁振動(dòng)產(chǎn)生的總位移為2.59~42.51mm，明顯大于工況1下沉樁的總位移（0.73~2.60mm）；隨著水平凈距增大，工況1和工況2的數(shù)值逐漸接近。因此在1根樁基施工后，應(yīng)待擠土效應(yīng)及超空隙水壓力消散后再施打另1根樁基，如此可以顯著減輕對(duì)供水管的影響。

3.2 群樁對(duì)供水管影響分析

工程施工中，管線上方需要施打的樁基為群樁，如圖8所示。圖中樁基與倒虹供水管的水平凈距為0.9m，樁基間距為1.5m。

圖8 供水管兩側(cè)樁基分布圖

當(dāng)分別采用F→E→G→D→H→C→I→B→J→A（施工順序1）及A→J→B→I→C→H→D→G→E→F（施工順序2）的施工順序時(shí)，每根樁基施工對(duì)倒虹供水管總位移的影響見圖9。

圖9 群樁施工對(duì)倒虹供水管位移的影響

根據(jù)模擬結(jié)果可知：在施工順序1中，對(duì)供水管影響較大的為前6根樁基，即供水管兩側(cè)各3根樁基的振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生影響較大；施工順序2最終位移大于施工順序1。因此應(yīng)采用由毗鄰管道處向兩側(cè)交替施打的施工順序，使靠近供水管道處樁基產(chǎn)生遮簾作用，使樁對(duì)土體的擠壓作用向背離供水管道的方向發(fā)展。

4 結(jié)語

（1）當(dāng)管道兩側(cè)均需沉樁時(shí)，沉樁振動(dòng)對(duì)管道的影響以豎向位移為主，隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大至3D及以上時(shí)，沉樁振動(dòng)對(duì)管道的影響逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

（2）隨著樁基與倒虹供水管的水平凈距增大，打樁振動(dòng)對(duì)管道的影響逐漸減小。

（3）在合理控制樁基與供水管水平凈距的基礎(chǔ)上，對(duì)穿河倒虹管管截面豎向投影范圍進(jìn)行加固處理可以顯著減小樁基施工對(duì)倒虹供水管的影響。

（4）在1根樁基施工后，應(yīng)待擠土效應(yīng)及超空隙水壓力消散后，再施打另1根樁基，可以顯著減輕沉樁對(duì)供水管的影響。

（5）群樁施工時(shí)，不同的樁基施打順序?qū)┧墚a(chǎn)生的影響不同。管道周邊樁基施工順序宜由毗鄰管道處向兩側(cè)交替施打，使靠近管道處樁基產(chǎn)生遮簾作用，使樁對(duì)土體的擠壓作用向背離管道方向發(fā)展。

（6）可采用預(yù)鉆孔沉樁措施來減小沉樁對(duì)管道的影響，預(yù)鉆孔孔徑可比樁基尺寸小50~100mm。