陳 偉，謝建斌，趙一錦，孫孝海，葉海涵，林煌超

(云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院, 昆明650501)

在一帶一路的推動下，云南省昆明市的公共基礎(chǔ)設(shè)施正在加速建設(shè).然而，昆明市處于四面環(huán)山地形、地質(zhì)條件特別復(fù)雜的區(qū)域，在工程施工中會大大增加工程樁的難度.昆明市區(qū)車流量多，人口密集，都會影響到工程樁的沉樁效率和安全.因此，在選擇任何一種沉樁工藝時都首先要考慮經(jīng)濟問題、沉樁質(zhì)量、如何確保施工中的安全顯得非常重要.目前，根據(jù)地形、地質(zhì)條件如何選取工程樁的類型、支護樁和相配套的施工工藝已成為巖土工程領(lǐng)域研究的熱點之一[1].

樁基礎(chǔ)在巖土工程中應(yīng)用廣泛[2]，因為它具有承載力高、適應(yīng)性強、施工速度快等特點.但是，樁基礎(chǔ)作用在有水平作用力的情況下，容易對樁基礎(chǔ)本身產(chǎn)生剪切破壞.因此，在有水平剪切荷載大的地區(qū)不易使用樁基礎(chǔ)[3].到目前為止，國內(nèi)常用的沉樁方法主要有三種：1)錘擊法沉樁.適用于軟土、砂土層中，采用該施工方法時會對周邊環(huán)境產(chǎn)生巨大的噪聲和振動[4]，對人體也會產(chǎn)生一定的危害.所以，在城市中心、人口密集區(qū)域使用該工藝日趨減少[5]；2)鉆孔灌注樁.適用于任何土層中，鉆孔效率高，鉆孔時需要配合泥漿護壁[6]，施工成本較高.采用該工藝施工時，作業(yè)范圍小且對周邊要求較高；3)靜壓法沉樁.適用于泥炭質(zhì)土、軟土[7]，采用該方法施工時，需要靜力液壓樁機.該設(shè)備體積大且轉(zhuǎn)移不便，對場地要求較高.采用該工藝在飽和砂土中施工時，容易出現(xiàn)樁頭壓爆、沉樁難等情況[8].

本文擬依托云南省昆明市昆紡舊址改造項目，該項目使用了高頻液壓振動對鋼管樁實施沉樁.以此為依據(jù)，深入研究在飽和砂土中鋼管樁高頻液壓振動沉樁機理，對其結(jié)果進行總結(jié)并優(yōu)化沉樁工藝[9-11].

1 三維整體動力有限元模型的建立

分析鋼管樁樁徑(D)對鋼管樁沉樁速率及樁周環(huán)境的影響[12-14].分別取樁徑D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m，建立三維整體有限元計算模型.圖1為各直徑鋼管樁示意圖.

利用MIDAS-GTS NX有限元分析軟件建立了如圖2(A)所示的鋼管樁直徑為D=0.83 m的三維有限元模型，模型邊界尺寸為：24 m×24 m×36 m，三維有限元模型包含了46 610個節(jié)點和79 098個單元；鋼管樁與土之間采用截面單元，模型底部單元采用固定約束，鋼管樁周邊采用黏彈性邊界模擬.

圖1 不同直接的鋼管樁

利用MIDAS-GTS NX有限元分析軟件建立了如圖2(B)所示的鋼管樁直徑為D=1.00 m的三維有限元模型，模型邊界尺寸為：24 m×24 m×36 m，三維有限元模型包含了54 010個節(jié)點和93 942個單元；鋼管樁與土之間采用截面單元，模型底部單元采用固定約束，鋼管樁周邊采用黏彈性邊界模擬.

圖2 不同樁徑的三維動力模型

利用MIDAS-GTS NX有限元分析軟件建立了如圖3(A)所示的鋼管樁直徑為D=1.20 m的三維有限元模型，模型邊界尺寸為：24 m×24 m×36 m，三維有限元模型包含了62 337個節(jié)點和10 518個單元；鋼管樁與土之間采用截面單元，模型底部單元采用固定約束，鋼管樁周邊采用黏彈性邊界模擬.

利用MIDAS-GTS NX有限元分析軟件建立了如圖3(B)所示的鋼管樁直徑為D=1.40 m的三維有限元模型，模型邊界尺寸為：24 m×24 m×36 m，三維有限元模型包含了77 765個節(jié)點和128 277個單元；鋼管樁與土之間采用截面單元，模型底部單元采用固定約束，鋼管樁周邊采用黏彈性邊界模擬.

圖3 不同樁徑的三維動力模型

2 樁徑敏感性計算結(jié)果分析

通過有限元模型計算鋼管樁直徑為D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m沉樁位移云圖如圖4(A)、(B)、(C)、(D)所示.

圖4 不同樁徑的位移場云圖

如圖5所示，可以看出鋼管樁直徑為D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m時，在這四種不同工況下沉樁位移變化曲線近似于一條直線.在10 s內(nèi)，鋼管樁直徑為D=0.83 m時的沉樁位移量為-0.178 807 2 m、鋼管樁直徑為D=1.00 m時的沉樁位移量為-0.157 548 6 m、鋼管樁直徑為D=1.20 m時的沉樁位移量為-0.140 189 9m、鋼管樁直徑為D=1.40 m時的沉樁位移量為-0.114 751 m.從圖中可以看出，鋼管樁在沉樁過程中鋼管樁的直徑越大會導(dǎo)致沉樁位移減小.假設(shè)每根鋼管樁的厚度都是一樣的，如果鋼管樁直徑增加時必然會導(dǎo)致鋼管樁內(nèi)、外側(cè)與土壤的接觸面積變大，使得鋼管樁的內(nèi)摩阻力和外摩阻力增大容易引起鋼管樁在沉樁的過程中偏離中心點、沉樁效率低、沉樁難度大等一系列問題.因此，下沉鋼管樁的沉樁位移隨著鋼管樁直徑增加而減小.

圖5 不同樁徑的鋼管樁沉樁位移曲線

鋼管樁直徑為D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40m的沉樁加速度云圖如圖6(A)～(D)所示.在鋼管樁設(shè)置監(jiān)測點，分別將D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m不同樁徑下鋼管樁沉樁加速度時程變化曲線進行對比，如圖7所示.

圖6 不同樁徑的加速度場云圖

圖7 鋼管樁樁端豎向加速度時程曲線

由圖6可知，隨著鋼管樁直徑不斷增加，鋼管樁端部的垂直加速度也在不斷地減小.在動力沉樁10 s后，直徑為D=0.83 m的鋼管樁端部的垂直加速度值為2.7 m/s2，D=1.00 m的鋼管樁端部的垂直加速度值為2.363 503 m/s2，D=1.20 m的鋼管樁端部的垂直加速度值為2.107 723 m/s2，D=1.40 m的鋼管樁端部的垂直加速度值為1.728 75 m/s2，分別與鋼管樁直徑為D=0.83 m相比加速度幅值減小了12.46%、21.94%、35.97%.隨著鋼管樁直徑不斷增大，鋼管樁的內(nèi)、外摩阻力也在不斷的增大.因此，隨著鋼管樁直徑的增大端部的垂直加速度也在逐漸地減小.

圖8 不同樁徑樁周地表土體豎向位移變化曲線

在工程中不僅要深入研究高頻液壓振動沉樁對周圍土壤的影響還要深入研究鋼管樁貫入位移量[15].圖8通常研究土壤垂直加速、土壤垂直運動速率、土壤的垂直位移和沉降量時要考慮到不同樁徑管壁的影響，研究過程中對比不同樁徑可能會對周圍土壤引起不同的運動情況.圖9、10分別為不同樁徑下地表豎向位移、地表豎向速度、地表豎向加速度對應(yīng)的曲線.

圖9 不同樁徑樁周地表土體豎向位移變化曲線

圖10 不同樁徑樁周地表土體豎向位移變化曲線

3 結(jié) 語

根據(jù)圖8～10，在這不同四種樁徑鋼管樁中，樁徑為D=0.83m對地表土體擾動相對較大，四種鋼管樁樁徑對地表土體豎向位移主要集中在離管壁2 m范圍之內(nèi).隨著距鋼管壁距離的增加，每個樁直徑對土壤層的影響逐漸減小，并且差異化程度也在減小.這是使用高頻液壓振動樁下沉過程的優(yōu)勢.

當(dāng)鋼管樁壁厚相同時，隨著鋼管樁直徑增大將會導(dǎo)致沉樁難度加大，是因為在沉樁施工中鋼管樁外側(cè)與內(nèi)側(cè)和土體接直接觸的面積越來越大，導(dǎo)致鋼管樁內(nèi)、外摩阻力增大.因此，隨著鋼管樁樁徑的增大而沉樁位移量逐漸減少.鋼管樁樁端豎向加速度和鋼管樁的樁徑呈反比關(guān)系，即鋼管樁樁徑越大，樁端豎向加速度越小.