王林峰 何靜 唐寧 傅奕帆 周楠

摘要：為了研究鉆機(jī)的振動(dòng)荷載對(duì)峽谷裸巖深水地區(qū)橋梁樁基筑島平臺(tái)的穩(wěn)定性和樁孔形狀的影響機(jī)制，以貴州省北盤江貞望大橋6號(hào)橋墩樁基為研究對(duì)象，基于動(dòng)力反應(yīng)分析，利用FLAC 3D對(duì)鉆機(jī)沖擊振動(dòng)作用下筑島平臺(tái)的位移響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果表明：水平和豎向位移最大值都出現(xiàn)在平臺(tái)坡肩，筑島平臺(tái)頂面水平位移隨著X方向（模型長(zhǎng)度方向）距離的增加先減小后增大，而豎向位移隨著X方向距離的增加而減小;在沖擊荷載作用下，水平和豎向位移將分別放大1.27和1.37倍，筑島內(nèi)部的水平位移隨著土體深度的增加迅速衰減，且水平位移影響深度增大了2 m，豎向位移最大值增幅為85%，位于3 m深度處;筑島位移值隨著沖擊振動(dòng)頻率的減小而減小，并且沖擊振動(dòng)頻率對(duì)豎向位移的影響大于水平位移。最后對(duì)比分析了10種沖擊鉆對(duì)筑島平臺(tái)位移的影響，推薦該工程使用CK-3000型沖擊鉆機(jī)。研究結(jié)果可為類似大橋樁基工程施工提供理論指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：橋梁樁基; 筑島平臺(tái); 變形機(jī)制; 振動(dòng)荷載; 峽谷裸巖深水地區(qū)

中圖法分類號(hào)： U443.15

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.028

0 引 言

在峽谷裸巖深水地區(qū)，由于交通不便，大型起吊設(shè)備和駁船設(shè)備無法?？?，因此橋梁樁基的施工難度較大。峽谷地區(qū)樁基施工平臺(tái)主要有鋼圍堰平臺(tái)、樁圍堰平臺(tái)和筑島平臺(tái)等3種形式。鋼圍堰平臺(tái)、樁圍堰平臺(tái)無法控制樁孔不偏斜。因此，為了保證峽谷陡坡區(qū)域樁基施工樁孔不偏斜，筑島平臺(tái)是一種有效且經(jīng)濟(jì)的工程措施。筑島平臺(tái)的穩(wěn)定性主要受庫水位、填土材料、填筑質(zhì)量、排水性能、原地面的傾角和施工荷載等因素的影響，其中施工荷載對(duì)平臺(tái)的變形影響最大。因此研究沖擊振動(dòng)荷載對(duì)峽谷裸巖深水地區(qū)橋梁樁基筑島平臺(tái)變形的影響機(jī)制有著重要的意義。

峽谷裸巖陡坡區(qū)域的筑島平臺(tái)核心技術(shù)難題在于筑島平臺(tái)邊坡在自重、施工荷載和庫水位變化作用下的穩(wěn)定性控制問題。李亞生等[1]考慮了填筑過程和固結(jié)效應(yīng)，并采用有限元方法分析了庫岸填筑類邊坡的穩(wěn)定性。王樂華等[2]基于模型試驗(yàn)，分析了降雨作用下庫岸填筑類邊坡的破壞模式。史堯等[3]通過GeoStudio 軟件分析了深井降水筑島邊坡的穩(wěn)定性的影響大小。賈愷等[4]考慮軟弱地基失穩(wěn)破壞的穩(wěn)定系數(shù)比筑島邊坡小的情況，建立了軟土地基筑島邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。李永春等[5]分析了筑島平臺(tái)在不同工況下的穩(wěn)定性，提出了相應(yīng)的施工措施。孫永廣[6]通過有限元分析法對(duì)筑島圍堰工程進(jìn)行了應(yīng)力變形和穩(wěn)定性分析。對(duì)于填筑島的穩(wěn)定性控制，常見的方法有鎖扣鋼管樁、工字形板樁、沙袋擋墻、土體強(qiáng)度增強(qiáng)處理技術(shù)等[7]。Mohamed[8]等分析了用混凝土充填土工袋后鋪在岸坡上對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響。王婷婷等[9]采用PLAXIS 3D軟件對(duì)格型鋼板樁的加固效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)填島材料的選擇也是筑島質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素。高冉等[10-12]基于三軸試驗(yàn)，分析了島礁吹填體鈣質(zhì)砂地基土的力學(xué)特性。吳楊等[13]通過三軸試驗(yàn)分析了筑島用珊瑚砂的力學(xué)行為與顆粒破碎特性。王新志等[14]基于滲透試驗(yàn)分析了人工筑島地基鈣質(zhì)粉土夾層的滲透特性。

綜上所述，筑島平臺(tái)是確保峽谷裸巖深水地區(qū)橋梁樁基順利施工的有效工程措施。目前對(duì)于筑島平臺(tái)的研究主要采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，研究?jī)?nèi)容主要集中在自重、降雨和庫水位等因素作用下的穩(wěn)定性和破壞機(jī)制研究。而在考慮鉆機(jī)沖擊動(dòng)力荷載作用下筑島平臺(tái)的變形機(jī)制研究較少，因此本文將研究考慮鉆機(jī)沖擊動(dòng)力荷載作用下筑島平臺(tái)的變形規(guī)律，分析平臺(tái)水平位移和豎向位移的響應(yīng)機(jī)制，并給出最優(yōu)樁基成孔設(shè)備的建議。

1 工程概況

本文以位于貴州省北盤江貞望大橋6號(hào)橋墩的樁基工程施工為例進(jìn)行分析。貞望大橋位于北盤江的峽谷中，岸坡傾角約為45°，江水深約40 m。該邊坡坡陡，交通不便，大型起吊設(shè)備和駁船設(shè)備無法?？?，因此該項(xiàng)目選擇了筑島的方式修筑樁基施工平臺(tái)，保證樁孔成型質(zhì)量。筑島平臺(tái)的典型斷面如圖1所示。平臺(tái)335 m高程以下為拋石區(qū)，該區(qū)域采用強(qiáng)夯進(jìn)行密實(shí)，夯擊能量為3 000 kN·m。平臺(tái)335～345 m高程范圍內(nèi)為堆石區(qū)，高10 m迎水面坡比為1∶1.50，背水面坡比為1∶1.00。平臺(tái)345 m高程以上為碎石土回填區(qū)，高10 m。碎石土面坡坡比1∶1.48，并采用結(jié)構(gòu)為正六邊形的C20預(yù)制混凝土塊進(jìn)行護(hù)面，邊長(zhǎng)為20 cm，厚20 cm，并在其下部設(shè)置40 cm厚的碎石過渡層和20 cm厚的砂反濾層以保證筑島填土體的透水性。

2 振動(dòng)作用下筑島平臺(tái)的位移響應(yīng)

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)的確定

沖孔灌注樁具有入土深、能入巖、剛度大、承載力高、樁身變形小、可方便進(jìn)行水下施工等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運(yùn)用在工程建設(shè)中。鉆機(jī)振動(dòng)荷載為點(diǎn)狀加載模型，是三維問題，采用FLAC 3D軟件進(jìn)行模擬，模型的X，Y，Z方向如圖2所示，即X為模型長(zhǎng)度方向，Y為模型寬度方向，Z為模型高度方向，模型X方向總長(zhǎng)度為80.00 m，Y方向最大寬度為18.00 m，Z方向最大高度為40.00 m。模擬參數(shù)如表1所列。

在FLAC 3D中，對(duì)筑島平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析時(shí)，幾何模型的各個(gè)側(cè)面邊界條件須考慮為沒有地面結(jié)構(gòu)的自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。自由場(chǎng)網(wǎng)格通過阻尼器與中間的主體網(wǎng)格進(jìn)行耦合。本文研究的筑島平臺(tái)施加邊界約束后的數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。FLAC 3D中為動(dòng)力計(jì)算提供了瑞利阻尼、局部阻力、滯后阻尼3種阻尼形式。本文采用瑞利阻尼進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，其中最小臨界阻尼比為0.05。

本文研究中動(dòng)荷載主要考慮沖擊鉆機(jī)施工時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載。鉆機(jī)錘為DZJ-300型振動(dòng)錘，其質(zhì)量為1.5×104 kg，平臺(tái)面積為546 m2，根據(jù)有關(guān)資料[15]得知沖擊荷載作用下最大豎向加速度為0.157 m/s2。故動(dòng)荷載為

Pd=Fd/s=ma/s=1.5×104×0.157/546=4.313 kPa

式中：Fd為振動(dòng)錘的沖擊力;m為振動(dòng)錘的沖擊力;a為振動(dòng)錘的最大豎向加速度，取值為0.157 m/s2;s為平臺(tái)面積。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究鉆機(jī)振動(dòng)對(duì)筑島邊坡變形的影響機(jī)制，本文根據(jù)已經(jīng)確定的振動(dòng)波形，采用APPLY命令在筑島平臺(tái)上模擬施加動(dòng)荷載，動(dòng)荷載作用于實(shí)際施工鉆孔位置，并選擇代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)鉆機(jī)振動(dòng)引起的筑島平臺(tái)位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用監(jiān)測(cè)結(jié)果分析出其影響規(guī)律，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示，具體坐標(biāo)如表2所列。

2.2.1 位移分析

圖4為筑島邊坡各測(cè)點(diǎn)位移變化曲線。由圖4可知：隨著距平臺(tái)頂部距離的增大，加上沖擊荷載后的筑島邊坡上水平位移和豎向位移迅速減小。平臺(tái)坡肩的水平位移和豎向位移最大，其中最大水平位移為沿坡面向外-12.90 mm（負(fù)號(hào)表示位移方向指向坡面以外）;最大豎向位移為沿地面向下-15.44 mm（負(fù)號(hào)表示位移方向向下）。因此，在沖擊荷載作用下，島的豎向位移大于水平位移;無論水平位移還是豎向位移都主要發(fā)生在島的上部，對(duì)下部的變形影響較小。

由圖5可知：加和不加動(dòng)荷載，水平位移變化趨勢(shì)基本相同，均隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離坐標(biāo)原點(diǎn)的X方向距離增大而逐漸減小。在動(dòng)荷載作用下，靠近樁孔附近的土體水平位移較大，且靠近邊坡的水平位移較大，是由于樁孔產(chǎn)生臨空面，導(dǎo)致樁孔周圍土體向孔內(nèi)移動(dòng)，因此出現(xiàn)孔左邊土體水平位移隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)而先減?。ㄎ灰品较?yàn)樨?fù)）后增大（位移方向?yàn)檎?，孔右邊的土體也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，但方向相反;當(dāng)X=50.45 m時(shí)，水平位移量最大，為-12.78 mm。不考慮沖擊動(dòng)荷載時(shí)，最大水平位移是-10.05 mm，因此沖擊動(dòng)荷載可以使水平位移增大27.16%。

由圖6可知：監(jiān)測(cè)點(diǎn)6～10在動(dòng)荷載作用下的水平位移隨時(shí)間步長(zhǎng)的增加而增加。監(jiān)測(cè)點(diǎn)7，9在動(dòng)荷載作用下的水平位移變化情況相同，位移值為3.50 mm左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6，8，10在動(dòng)荷載作用下的水平位移分別為3.06，3.86，2.70 mm。對(duì)比可知，隨著振動(dòng)時(shí)間的不斷增加，鉆機(jī)沖擊振動(dòng)引起的水平位移增大。

圖7為土體深度為3.00 m時(shí)筑島平臺(tái)頂面沿X方向各點(diǎn)的豎向位移變化曲線。由圖7可知：隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離原點(diǎn)豎向位移減小，最終趨于0。豎向位移較大的區(qū)域集中在49.75～57.45 m范圍內(nèi)，該區(qū)域的豎向位移均超過6.72 mm，在X=50.45 m處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移最大，為15.83 mm，較不加動(dòng)荷載時(shí)的11.55 mm增加了4.28 mm，放大1.37倍。當(dāng)X超過57.45 m時(shí)，筑島平臺(tái)的豎向位移基本小于1.64 mm，僅為最大豎向位移的10.36%，這是由于此區(qū)域離施工較遠(yuǎn)，受施工動(dòng)荷載的影響小，且筑島平臺(tái)越往里其穩(wěn)定性越好所致。

由圖8（土體深度為3.00 m）可知：監(jiān)測(cè)點(diǎn)11～15在振動(dòng)荷載作用下豎向位移隨時(shí)間步長(zhǎng)的增加而增加，且位移是沿著Z軸負(fù)方向發(fā)生的;監(jiān)測(cè)點(diǎn)15在振動(dòng)荷載作用下豎向位移最后達(dá)到3.68 mm，為最小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)13在動(dòng)力荷載作用下豎向位移為4.89 mm，為最大。對(duì)比圖7發(fā)現(xiàn)，動(dòng)荷載對(duì)筑島平臺(tái)水平位移的影響和豎向位移的影響存在差異，其對(duì)豎向位移的影響比水平位移增大了26.68%，因此，鉆機(jī)振動(dòng)對(duì)筑島平臺(tái)豎向位移的影響較大。

將不加動(dòng)荷載時(shí)和加動(dòng)荷載時(shí)的土體深度-位移曲線繪制如圖9所示，分析動(dòng)荷載對(duì)筑島平臺(tái)內(nèi)部位移的影響。從圖9可以看出：加動(dòng)荷載后的水平位移變化趨勢(shì)與不加時(shí)保持一致，即隨著土體深度的增加，筑島平臺(tái)水平位移逐漸減小。加動(dòng)荷載后，水平位移在數(shù)值上有所增大，對(duì)筑島平臺(tái)的影響深度也增大，在不加動(dòng)荷載時(shí)，施工影響深度約為8 m，加動(dòng)荷載后，影響深度約為10 m。筑島平臺(tái)底部的水平位移變化減小，主要集中在平臺(tái)的上部，這是因?yàn)橹u平臺(tái)的下部是較穩(wěn)定的灰?guī)r，受動(dòng)荷載影響較小，而平臺(tái)的上部為填筑土體，穩(wěn)定性較差，受動(dòng)荷載影響較大。

由圖10可知：加動(dòng)荷載后的豎向位移變化規(guī)律與不加動(dòng)荷載時(shí)相似，都是先增大后減小，都在土體深度為3.00 m時(shí)取得最大值，且都為負(fù)值。土體深度在0～10.00 m范圍內(nèi)動(dòng)荷載對(duì)筑島平臺(tái)豎向位移影響顯著，豎向位移均增大，在X=54.65 m處，平臺(tái)豎向位移增加了5.44 mm，即增加了85%，土體深度大于10.00 m時(shí)，平臺(tái)的豎向位移幾乎為0。加動(dòng)荷載和不加動(dòng)荷載時(shí)對(duì)筑島平臺(tái)豎向位移的影響范圍基本保持不變。

2.2.2 振動(dòng)頻率對(duì)筑島平臺(tái)位移影響分析

在沖擊鉆孔過程中，鉆機(jī)振動(dòng)頻率對(duì)筑島邊坡的位移影響較大，圖11～12分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)5和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8在頻率為50，30，5次/min下的水平位移和豎向位移變化時(shí)程曲線，由圖可以看出：

（1） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)5和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8在不同振動(dòng)頻率下水平位移和豎向位移變化時(shí)程曲線相近，都隨著時(shí)間步長(zhǎng)的增加而增加，且位移值隨著頻率的減小而減小，頻率為5次/min時(shí)的位移變化時(shí)程曲線更平緩，到最后，頻率為5次/min的位移值最小。

（2） 振動(dòng)頻率從50次/min減小到30次/min時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的水平位移下降了1.01 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8下降了1.58 mm;監(jiān)測(cè)點(diǎn)5豎向位移下降了0.38 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8下降了1.94 mm。而頻率從30次/min減小到5次/min時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的水平位移下降了0.92 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8下降了1.26 mm;監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的豎向位移下降了0.82 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8下降了1.66 mm，說明頻率對(duì)筑島平臺(tái)上的豎向位移的影響較大，降低振動(dòng)頻率能有效減小豎向位移。

2.2.3 沖擊鉆機(jī)選擇

在施工時(shí)，應(yīng)選擇合適的沖擊鉆機(jī)，并且在施工過程中要注意控制鉆進(jìn)速率等。整理有關(guān)沖擊鉆機(jī)型號(hào)參數(shù)如表3所列。根據(jù)上述數(shù)值模擬分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 遭受鉆機(jī)振動(dòng)荷載作用時(shí)，筑島邊坡上的位移變化不大，筑島平臺(tái)上樁孔附近土體位移較大，且在X=54.65 m處的位移變化最大，水平位移增加3.86 mm，豎向位移增加4.89 mm，是水平位移的1.27倍，鉆機(jī)振動(dòng)不僅對(duì)筑島邊坡的豎向位移影響較大，也對(duì)邊坡的水平位移也較大，即對(duì)影響樁孔質(zhì)量也較大，故不容忽視。

（2） 通過研究鉆機(jī)振動(dòng)頻率與筑島邊坡位移變化規(guī)律可知，筑島邊坡各點(diǎn)的位移隨振動(dòng)頻率的減小而減小，頻率為5次/min的位移值最小，頻率從50次/min減小到30次/min時(shí)，位移下降的幅度比頻率從30次/min減小到5次/min時(shí)稍大，豎向位移下降了2.05 mm，水平位移下降了1.58 mm。

（3） 在沖擊鉆孔過程中，沖擊頻率與沖擊行程之間相互制約，要想增大沖擊行程，必須要減小沖擊頻率，相反，如果要增大沖擊頻率，則也必須要減小沖擊行程。相關(guān)文獻(xiàn)指出[16]，沖擊行程越大，越有利于碎巖，在鉆孔過程中可采用較大沖程的沖擊鉆機(jī)。

由于該工程的灌注樁直徑為2.80 m，樁長(zhǎng)為30.00 m，因此CK-3000、CK-3200、CK-3500滿足要求，從耗電量來看，CK-3000型沖擊鉆機(jī)總功率為140 kW，CK-3200型沖擊鉆機(jī)總功率為142 kW，而CK-3500型沖擊鉆機(jī)總功率為169 kW，該工程建議沖擊鉆機(jī)型號(hào)為CK-3000，并在沖擊鉆機(jī)底部加寬基座，保證設(shè)備穩(wěn)固牢靠。

3 結(jié) 論

（1） 本文以貴州省北盤江的貞望大橋6號(hào)橋墩的樁基工程施工為例，揭示了在鉆機(jī)沖擊振動(dòng)作用下筑島平臺(tái)的位移響應(yīng)規(guī)律。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，鉆機(jī)沖擊振動(dòng)作用時(shí)平臺(tái)坡肩的水平和豎向位移最大，分別為-12.90 mm和-15.44 mm。而筑島平臺(tái)頂面的水平位位移先減小后增大，最大值為-12.78 mm，不考慮沖擊動(dòng)荷載時(shí)的最大水平位移是-10.05 mm，即沖擊動(dòng)荷載可以使水平位移放大1.27倍;豎向位移隨著X方向距離的增大而減小，在X=50.45 m處豎向位移最大，為15.83 mm，較不加動(dòng)荷載時(shí)的11.55 mm增加了4.28 mm，放大1.37倍。

（2） 隨著土體深度的增加，島內(nèi)部的水平位移迅速衰減，當(dāng)不考慮沖擊振動(dòng)荷載時(shí)，水平位移的影響深度為8 m，而考慮沖擊荷載時(shí)，水平位移的影響深度約為10 m。隨著土體深度的增加，島內(nèi)部的豎向位移先增加后減小，最后深度大于10.00 m時(shí)趨于0。豎向位移最大值位于深度為3 m處。當(dāng)考慮動(dòng)荷載后，島內(nèi)豎向位移增加了5.44 mm，即增加了85%。

（3） 考慮了50，30，5次/min 3種振動(dòng)頻率，發(fā)現(xiàn)島的位移值隨著頻率的減小而減小，并且振動(dòng)頻率對(duì)豎向位移的影響大于水平位移。

（4） 對(duì)比分析了10種沖擊鉆對(duì)筑島平臺(tái)變形的影響大小，并基于本文的研究成果，建議貴州省北盤江的貞望大橋6號(hào)橋墩的樁基工程施工宜選用CK-3000型沖擊鉆機(jī)。

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（編輯：胡旭東）

Study on deformation mechanism of island platform for bridge pile foundation under impact load

WANG Linfeng，HE Jing，TANG Ning，F(xiàn)U Yifan，ZHOU Nan

（Key Laboratory of Geological Hazards Mitigation for Mountainous Highway and Waterway of Chongqing Municipal Education Commission，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

In order to study the influence mechanism of impact and vibration load of the drilling rig on the stability and the pile hole shape of a island platform for bridge pile foundation in gorge area with bare rock and deep water，No.6 pier foundation of Zhenwang Bridge on Beipan River in Guizhou Province was simulated by FLAC3D to analyze the deformation mechanism based on dynamic response analysis.The results showed that both the maximum horizontal and vertical displacements all appeared on the slope shoulder of the island platform，while the horizontal displacement of the top surface started to decrease and then increased with the increase of the model length direction（X），and the vertical displacement continued to decrease with the increase of X direction.Under the action of impact load，the horizontal and vertical displacements were respectively magnified by 1.27 and 1.37 times.The horizontal displacement inside the island platform decayed rapidly with the increase of soil depth and the influence depth increased by 2 m，and the increase amplitude of maximum vertical displacement was 85%，where was 3m deep.The displacement of the island platform decreased with the decrease of the impact vibration frequency，and the vertical displacement was greater affected by the impact vibration frequency than the horizontal displacement.At last，the impact of 10 types of percussion drills on the displacement of the island platform were compared and analyzed，and CK-3000 impact drill was recommended for this project.The research results can provide theoretical guidance for pile foundation construction of similar bridges.

Key words：

bridge pile foundation;island platform;deformation mechanism;vibration load;gorge area of bare rock and deep water