振动沉管碎石桩对软土地基的震动影响研究

振动沉管碎石桩对软土地基的震动影响研究

0振动液化作用振动沉淀池碎石桩是处理地层硬化的有效方法。它的加固原理是通过沉管的振动沉入，使桩管周围的砂土受到相当大的横向挤压力，将桩管同体积的砂土挤向周围的土层中。在饱和松散的砂土中，甚至在振动桩管的周围造成局部的砂土振动液化现象，致使土体颗粒重新排列，促使土的孔隙减少，密度增大。成孔填加碎石料后的振动和加压扩径过程中，由于扩径的作用，致使桩体周围的砂土进一步被挤密，从而增加处理后的地基承载力和抗液化的能力。沉管碎石桩施工过程中的这种振动液化作用对周围环境的影响是很大的，一般均在桩位周围形成显著的地面沉陷和裂缝（见图1）。为研究振动沉管碎石桩的施工振动对周围环境的影响，我们在江苏LNG工程的施工中进行了现场测试，研究了沉管沉入和拔出以及填料的整个过程中对周围环境的影响及其安全边界。1桩身尺寸、振动测试测试现场的上部分布约11m的人工吹填土，其余均为第四系全新统冲海积物和上更新统海积物，岩性以粉砂、细砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土为主。场地上部20m的吹填砂和粉砂层有严重的液化性，地基土的液化处理采用振动沉管碎石桩，设计桩径400mm，桩长20m。沉管碎石桩施工采用DZ90型振动打桩锤，其性能为：桩锤质量5864kg；偏心力矩500N·m；空载振幅9.0mm；激振力677kN；偏心轴速1100r/min。桩管直径377mm。测试过程中，把振动沉管桩机作为振动源，振动源看作是一系列简谐波（强迫振动）作用，由沉管处产生的振源向周围土层及地表传播开去。在距振动沉管碎石桩中心2m、5m、10m、15m、25m、35m、50m、70m和90m处共布设9对（竖向和水平）加速度传感器。测试时采用941B型超低频测振仪，在沉桩过程中，每下沉5m连续测读一次数据，拔出过程中每上拔5m连续测读一次数据。在沉管反复上拔和下沉过程中，也连续记录振动加速度数据。全部数据和相关分析图由excel、origion7.5软件得到。2加速度和振动图2和图3分别给出沉管由地表0m下沉至5m过程中4个不同的径向距离（2m、10m、50m、90m）的水平向加速度时程曲线和竖向加速度时程曲线。可见，离沉管桩中心较近距离测点的水平加速度和竖向加速度分别可达0.9m/s2和14.2m/s2。图4和图5分别给出沉管由深度5m上拔至地表过程中4个不同的径向距离（2m,10m,50m,90m）的水平向加速度时程曲线和竖向加速度时程曲线。可见，离沉管桩中心较近距离测点的水平加速度和竖向加速度分别可达0.02m/s2和10.0m/s2。振动测试时程图表明，地面振动频率成分十分复杂，在不同的阶段也差异很大。即便是在同一个点，水平振动加速度和竖向振动加速度时程曲线也有很大差异。归结其原因，加速度时程曲线与沉管沉入时所遇到的土层的坚硬程度、沉管的入土深度、填料过程、反复沉入和拔出过程等有关。3沉管社会主义革命道路下，水平加速度随径向距离的变化规律图6给出沉管沉入和上拨过程中，竖向振动加速度沿径向距离衰减变化规律。由图6(a)可以看出，在距离沉管较近的距离处（如2～5m），竖向振动加速度的变化比较复杂，而当离开距离沉管一定的范围后（如大于5m），振动加速度沿径向距离呈现明显的衰减特征。当沉管沉入时，靠近沉管处（即距离沉管中心2m）的加速度最大值可达14.2m/s2；当径向距离超过25m时，振动加速度降至4.3m/s2以下；当径向距离超过50m时，振动加速度很快降到1.1m/s2以下；当径向距离超过70m时，振动加速度很快降到0.5m/s2以下。可见，沉管碎石桩沉入施工时，其引起的振动效应是十分明显的，影响范围较大。由图6(a)还可以看出，尽管竖向加速度的变化呈现比较复杂的性态，但总体上随着沉管沉入深度的增加，沿着径向距离的加速度值开始有逐渐增大的趋势，然后在一定距离范围内却有减小的趋势。与沉入过程相比（图6(a)），当沉管拔出时竖向加速度值有一定减小的趋势（图6(b)）。特别是，由于拔出过程中伴随着填料过程以及沉管的再次反复沉入，加速度呈现比较复杂的性态，但总体上随着沉管拔出过程的进行，沿着径向距离的加速度值有逐渐减小的趋势。由图6(b)还可以看出，当沉管拔出时，加速度的影响范围似乎更远些，如离开沉管70m处的加速度为1.7m/s2，大于沉入时的最大值（即0.5m/s2）。图7给出沉管沉入和上拨过程中，水平振动加速度沿径向距离衰减变化规律。可以看出，水平振动加速度要比竖向振动加速度小得多，其最大值为0.5m/s2（大致在距离沉管中心5～10m处）。此外，水平振动加速度随着径向距离的增大也大致呈现逐渐衰减的规律，但其衰减程度要比竖向加速度慢些。4振动加速度衰减规律目前，一般是通过控制地基土体的位移场、速度场和加速度场来对振动产生的影响和危害进行监测和评价。沉管碎石桩施工所引起的地基土的振动可用质点位移、质点速度、质点加速度、频率和振动传播速度等5个参数来描述。沉管振动沉入和拔出所引起的弹性波可分为体波和面波（主要为瑞利波）两大类。振动在地下传播主要为体波，而面波在地面振动中起主导作用。若仅考虑瑞利波效应，表面振动情况下土中振幅的衰减关系可用下式来表示：式中，Ar为距振源r处土体的振幅；A0为距振源r0处土体的振幅；α为振动衰减系数，表征土体对能量的吸收作用（m-1）。振动速度衰减规律可用下式表达：式中，V为距打桩点距离为r处地面振动速度值(mm/s)，V0为距打桩点距离为r0处地面振动速度值(mm/s)，α为振动衰减系数(m-1)。上述分析表明，随着距振源距离的增大，振幅的衰减是明显的。从本次现场振动加速度的衰减规律来看（图6和7），在25m的范围内振动加速度较大，而在远离25m的距离，振动加速度衰减很快，整个过程也大致成指数衰减规律。对于本项施工工艺，为保证现场施工的安全，施工地点100m范围内应该避免有重要的建筑物。由图6给出的加速度衰减规律可以得到下面的振动加速度衰减方程：式中，a为距打桩点距离为r处地面振动加速度(g)，a0为距打桩点距离为r0处地面振动加速度(g)，α为振动衰减系数(m-1)。图8给出本次沉管沉入过程中最大竖向振动加速度随径向衰减的拟合曲线。其拟合方程为:对于吹填砂土地基的现场测试结果，可取a0=16.6，α=0.07。5沉管结构沉管振动加速度分析通过振动沉管碎石桩施工过程中的振动测试可得出以下结论：(1）地面振动频率成分十分复杂，在不同的阶段也差异很大。即便是在同一个点，水平振动加速度和竖向振动加速度时程曲线也有很大差异，其原因可归结为沉管沉入时所遇到的土层的坚硬程度、沉管的入土深度、填料过程、反复沉入和拔出过程等的不同。(2）在距离沉管较近的距离处，竖向振动加速度的变化比较复杂，而当离开距离沉管一定的范围后，振动加速度沿径向距离呈现明显的衰减特征。沉管碎石桩沉入施工时，其引起的振动效应是十分明显的，影响范围较大。(3）水平振动加速度