徐 通

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

國際上將振動、大氣污染、惡臭、噪音、水質(zhì)污染、土壤污染和地基下沉等7 種現(xiàn)象定義為“七大典型公害”。進入21世紀(jì)以來，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市的規(guī)模也越來越大，每年有大量的工程項目在城市中興建。由于城市用地日益緊張，建筑物密度逐漸加大，工程項目的施工往往在已有建筑的周邊進行，施工振動對周邊建筑的影響問題已逐漸成為人們關(guān)注的焦點。

雷學(xué)文等人［1-4］通過現(xiàn)場試驗研究表明，強夯引起的地面振動的振幅值隨著水平距離增大按負(fù)冪函數(shù)曲線的形式急劇衰減，地面振動幅值隨夯擊數(shù)的增加而逐漸增大；武志明［5］以佛開高速擴建工程九江大橋主墩基礎(chǔ)施工振動為背景，對2 座既有九江大橋主橋在擴建九江大橋主墩樁基礎(chǔ)施工期間的安全性進行評價，全面評價了九江大橋主墩樁基礎(chǔ)施工振動對既有2 座九江大橋主橋的影響程度及范圍；許錫昌等人［6］對某在建糧庫地基處理工地錘擊沉管灌注樁進行了測試，測得臨近房屋內(nèi)最大峰值速度為4.92 mm/s，并結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范，從而判定該項目施工振動的影響在安全范圍以內(nèi)；陳建峰等人［7］采用自主設(shè)計的加速度監(jiān)測系統(tǒng)分析了鋼板樁在施工過程中的振動衰減規(guī)律及對周邊建筑物的影響；唐成［8］基于對樁基施工時附近房建結(jié)構(gòu)的振動速度和振動頻率的實測，研究了樁基施工對周圍建筑物振動影響。然而，振動監(jiān)測試驗耗時長、成本高，且研究大多針對某一特定的施工場地測定建筑物對施工振動的響應(yīng)，試驗過程中沒有考慮場地工程地質(zhì)條件以及其他各種因素的影響，僅能反映某種地層結(jié)構(gòu)和工程狀況對強夯振動的響應(yīng)。

隨著計算機科學(xué)的飛速發(fā)展和理論水平的提高，在施工振動的研究中，有限元等數(shù)值方法得以廣泛應(yīng)用，大大減少了現(xiàn)場監(jiān)測的成本及耗時。CHEN 等人［9］和WU［10］采用有限元數(shù)值模擬方法和模型試驗?zāi)M，分析了樁基礎(chǔ)沉降對相鄰建筑的影響；蔣鵬等人［11］通過建立考慮大變形的強夯沖擊碰撞有限元模型，對夯擊能量為2 400 kN·m強夯振動特性及其對建筑物的影響、隔振溝效果進行了定量分析。HANAZATO［12］用有限元與薄層法相結(jié)合，對打樁引起的地面振動進行了分析。徐通［13］采用三維有限差分方法針對強夯施工振動對周邊環(huán)境的影響進行了非線性動力分析。

當(dāng)前對施工振動的數(shù)值模擬研究主要采用有限元軟件進行模擬，多采用彈性本構(gòu)模型，用半無限均質(zhì)彈性體來模擬土層，難以反映實際土層的各向異性和大變形特性，此外當(dāng)前的研究在考慮施工過程時進行了很大的簡化，無法反映實際狀況，且對打樁施工振動的數(shù)值模擬研究較少?；诖?，本文主要針對打樁施工振動對周邊建筑的影響，根據(jù)場地的實際情況，采用FLAC3D 非線性動力分析模式下的Mohr-Coulomb 模型，建立了中山市某試驗場地打樁振動影響的計算模型，并將模型求解結(jié)果與實際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明FLAC3D 非線性數(shù)值計算方法在打樁施工振動對周邊環(huán)境影響的評估中有較好的適用性和準(zhǔn)確性。在今后的打樁施工中，可采用FLAC3D 非線性數(shù)值計算方法對振動危害進行評價。本文的研究成果可為今后打樁施工振動對周邊環(huán)境影響的合理評估奠定基礎(chǔ)，為打樁施工振害的防治提供參考和借鑒，具有重大的社會意義和實用價值。

1 FLAC3D模型建立

打樁施工振動影響的三維數(shù)值分析是一個較為復(fù)雜的課題，涉及到錘擊荷載的施加，樁土界面的選擇及動力邊界設(shè)置等問題。本節(jié)將以中山市某試驗場地為例，詳細(xì)論述基于FLAC3D 的打樁施工振動對周邊建筑物影響的數(shù)值分析方法。

1.1 模型的建立與網(wǎng)格的劃分

根據(jù)場地的實際情況，建立了中山市某試驗場地打樁振動影響的計算模型，如圖1 所示。模型尺寸為60 m×40 m×60 m，共設(shè)置了162 976 個網(wǎng)格單元、186 739 個計算節(jié)點。為了真實模擬樁周土體對樁身的摩阻力以及樁端土的端阻力，在樁周和樁端均設(shè)置接觸面單元，共設(shè)置了7 920 個接觸面單元和4 081 個接觸面單元節(jié)點，如圖2所示。在錘擊過程中，接觸面單元可模擬樁周土體的滑移和樁端的貫入。

圖1 單元網(wǎng)格Fig.1 Cell Gridlines

根據(jù)試驗場地的勘察資料，將計算模型從地表開始劃分為填土層、淤泥層、粉砂層、粉質(zhì)粘土層和中砂層，土層厚度分別為1 m、31 m、10 m、3 m和15 m。

1.2 土層本構(gòu)模型和計算參數(shù)的選擇

本次數(shù)值模擬采用FLAC3D 非線性動力分析模式下的Mohr-Coulomb 模型，根據(jù)試驗場地的勘察報告，選定各土層的計算參數(shù)如表1 所示。其中接觸面的c、φ值根據(jù)對一些工程實例的模擬試驗研究取為樁相鄰?fù)翆拥腸、φ值的0.5 倍。法向剛度和剪切剛度根據(jù)FLAC3D 手冊要求取周圍“最硬”相鄰區(qū)域的等效剛度的10倍。

表1 土層計算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameter of Soil Layer

2 打樁動力荷載的施加及求解

2.1 動力荷載的施加

當(dāng)前，對柴油錘的模擬計算主要采用三角沖擊荷載模擬法，相關(guān)研究表明，以三角形荷載簡化錘擊荷載的沖量誤差一般在10%以內(nèi)。

當(dāng)樁錘以速度Vh沖擊樁頂時，其沖擊力為：

式中：e為樁錘的效率系數(shù)，表示樁錘工作時往樁身傳遞的能量占設(shè)計能量的比例，隨錘型的不同而不同；Et為錘的設(shè)計打擊能量。

本次數(shù)值分析所采用的動力荷載計算參數(shù)如下：錘墊直徑為0.4 m，錘墊厚度為0.1 m，錘墊剛度為193.0 MPa，錘重60.787 kN，樁錘效率為0.3，沖擊能量為180 kJ，樁徑0.4 m，樁彈性模量為38 GPa，波速為4 200 m/s。在FLAC3D中實現(xiàn)的打樁動力荷載曲線如圖3所示。

圖3 FLAC3D施加的動力荷載曲線Fig.3 Dynamic Load Curve Applied by FLAC3D

2.2 模型求解

為了分析打樁振動在進入不同土層時的地表振速峰值，可通過將樁端設(shè)置在不同土層并在樁頂施加動力荷載來模擬，其中樁身和樁側(cè)通過接觸面單元來模擬樁土的相對位移，在此次計算中僅考慮樁端進入中砂層的情況。計算流程為：計算模型在自重應(yīng)力下達到平衡→設(shè)置樁單元和接觸面單元后平衡→清除場地各單元位移和速度→設(shè)置動力邊界和動力荷載后進行動力分析。

自重應(yīng)力平衡后的豎向位移云圖如圖4 所示，設(shè)置樁單元后的X向位移云圖如圖5 所示，動力荷載施加0.2 s和1.0 s后的場地速度云圖如圖6所示。

圖4 自重應(yīng)力平衡后的豎向位移云圖Fig.4 Vertical Displacement Cloud Diagram after Gravity Stress Balance

圖5 打樁平衡后的X向位移云圖Fig.5 X-direction Displacement Cloud after Piling Balance

圖6 動力荷載施加后的Y向位移云圖Fig.6 Y-direction Displacement Cloudafter Dynamic Loading

動力荷載施加1.0 s 后的樁身位移云圖如圖7 所示，可以看出，樁底位移約為45 mm，這與實測樁尖進入中砂層時的貫入度非常接近。

圖7 動力荷載施加1.0 s后的z向位移云圖（剖面原點0，0，0，剖面法向量0，1，0）Fig.7 Cloud Map of z-direction Displacement after 1.0 s Dynamic Loading (Origin of Profile 0，0，0，Normal Vector of Profile 0，1，0）

3 數(shù)值結(jié)果分析

計算場地各點質(zhì)點振動速度時程曲線如圖8 所示，其中曲線6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 分別代表與樁距離5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m 的各質(zhì)點振動速度時程?？梢钥闯?，隨著與錘擊點距離的增加，各質(zhì)點振動速度峰值呈指數(shù)衰減，在近距離衰減速度最快，在遠距離逐漸變緩。

圖8 計算場地各質(zhì)點振動速度時程曲線Fig.8 Calculate the Time History Curve of Vibration Velocity of Each Particle in the Site

距離錘擊點5 m 及40 m 處的X、Y、Z向振動速度及合速度如圖9所示，由圖9可知，無論在近場還是遠場，相同質(zhì)點的三向振動速度均為Z向＞X向＞Y向，且3個方向的振動速度達到峰值的時刻并不相同，三向質(zhì)點振速的合速度峰值與Z向振動速度峰值非常接近。因此，在對建筑物進行振動安全評價時，選取Z向振動速度作為振動速度峰值也是合理的。

圖9 質(zhì)點X、Y、Z向振動速度及合速度Fig.9 X，Y，Z Direction Vibration Velocity and Combined Velocity

為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將計算結(jié)果與打樁現(xiàn)場監(jiān)測試驗的結(jié)果（中山市某試驗場地實測數(shù)據(jù)）進行對比分析，如圖10?所示。由圖10?可知，實測和計算的Z向振動速度隨距離衰減曲線吻合較好，但Y向、X向速度則存在一定的差異。

實測和計算的三向合速度峰值隨距離的衰減曲線如圖10?所示。由圖10?可知，F(xiàn)LAC3D 數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場測試結(jié)果總體上具有很好的一致性，雖然Y向、X向速度則存在一定的差異，但Z向速度及合速度吻合較好。

圖10 現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結(jié)果的對比分析Fig.10 Comparative Analysis of Field Measurement and numerical Calculation Results

4 結(jié)論

本文以中山市某試驗場地為例，詳細(xì)論述基于FLAC3D的打樁施工振動對周邊建筑物影響的數(shù)值分析方法。并通過數(shù)模計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測試驗的結(jié)果進行對比，驗證FLAC3D 在打樁施工模擬的準(zhǔn)確性及有效性。主要結(jié)論如下：

⑴FLAC3D求解結(jié)果表明，隨著與錘擊點距離的增加，各質(zhì)點振動速度峰值呈指數(shù)衰減，在近距離衰減速度最快，在遠距離逐漸變緩。

⑵無論在近場還是遠場，相同質(zhì)點的三向振動速度均為Z向＞X向＞Y向，且3個方向的振動速度達到峰值的時刻并不相同，三向質(zhì)點振速的合速度峰值與Z向振動速度峰值非常接近。因此，在對建筑物進行振動安全評價時，選取Z向振動速度作為振動速度峰值是合理的。

⑶將計算結(jié)果與打樁現(xiàn)場監(jiān)測試驗的結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)FLAC3D 數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場測試結(jié)果總體上具有很好的一致性。雖然Y向、X向速度則存在一定的差異，但Z向速度及合速度吻合較好。

以上結(jié)論證明了FLAC3D 非線性數(shù)值計算方法在打樁施工振動對周邊環(huán)境影響的評估中有較好的適用性和準(zhǔn)確性。在打樁施工過程中采用FLAC3D非線性數(shù)值計算方法對振動危害進行評價，有利于工程師快速地判別施工振動對周邊建筑的影響，為打樁施工振害的防治提供參考和借鑒，具有重大的社會意義和實用價值。