近海工程沉桩振动对邻近埋地管道影响的数值模拟和现场监测

张龙, 诸裕良

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098)

近海工程沉桩振动对邻近埋地管道影响的数值模拟和现场监测

张龙, 诸裕良*

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098)

为探究沉桩振动对邻近埋地管道安全性的影响,在基于ABAQUS平台数值建模计算和工程现场监测的基础上,就近海工程沉桩振动对邻近埋地管道安全运行可能产生的影响进行了建模探究与比对。研究表明,埋地管道周边质点振动速度峰值和管道位移这两个要素对埋地管道的影响最为直接显著。在此基础上提出了实际工程条件下近海埋地管道在沉桩振动施工下的安全控制标准:埋地管道质点振动速度控制标准为30 mm/s,埋地管道邻近土体水平位移控制标准为10 mm。该控制标准在实际工程中取得了良好效果。

沉桩振动;埋地管道;数值计算;现场监测;控制标准

近年来,科研人员对振动沉桩施工等冲击作用的问题,较多的是研究土体的动力特性,而对引起地下结构,如埋地管道的振动响应研究较少。随着沿海各地大规模的海洋开发,近海地区基础设施工程的大量兴建,研究沉桩振动对埋地管道的影响及控制已成为当前近海工程界亟待解决的重要问题。

在已有的研究中,Northwood和Wiss等[1]认为质点峰值速度是分析结构在振动破坏下的最佳参数。目前,国内外相关文献中都公认将质点振动速度作为表征振动特征的控制标准,相关规程规范[2]及相关文献[3]中都以质点振动速度作为控制标准;另一方面,由于振动沉桩施工过程中形成的振动波具有强度高、频率低和振动累计时间长的特点,在较长时间的连续冲击荷载作用下埋地管道管周土体累积变形可能很大。鉴于以上两方面原因,文中将埋地管道周边质点振动速度峰值和管道位移作为研究的主要对象,结合工程实例,通过数模计算和现场试验,提出该工程中埋地管道在沉桩振动下的安全控制标准,该控制标准为现场监测提供数据支撑,使现场监测更有针对性,极大地增强了现场监测对工程安全的指导作用,同时现场监测数据也验证了该控制标准的适用性。

1 埋地管道损伤模型建立与分析

1.1 工程背景

宁波算山码头扩建改造工程位于北仑电厂取水管道附近,取水管为电厂冷却水供应管道。1#～3#系缆墩即为扩建位置,其距发电厂取水管道较近,预计沉入的钢管桩与取水管平面距离最近为24.8 m,每座系缆墩设计沉桩数量为8根,桩基采用Φ1 200 mm钢管桩,具体如图1所示。

图1 码头改扩建项目与电厂位置关系Fig.1 Location map of pier and the p lant expansion project

北仑电厂取水管海底埋深约20 m,直径达4.84 m,安装时采用盾构法进行施工,由若干管节组成,每个管节由6片厚度为330 mm的弧形混凝土预制板组成,预制板之间采用螺栓连接。

1.2 模型主要参数

ABAQUS软件可以很好地模拟非线性问题,并且能控制有限元分析精度,文中运用ABAQUS有限元软件的显示动力分析以及接触面功能,通过建立沉桩对埋地管道影响的有限元模型进行计算和分析。埋地管道采用C40混凝土材料,在模型中考虑材料强度折减因素,折减系数取为0.8,模型中采用弹性模型模拟,其材料参数及基本土质参数见表1和表2。

表1 管道参数Tab.1 Pipe parameters

表2 土体参数Tab.2 Soil param eters

1.3 模型尺寸和网格划分

基桩直径取为1.2 m,桩长为11 m,为使网格形状有良好的适应性,桩靴部分建成半圆型,桩靴长为0.25 m。为了减少单元数量,节约求解时间,建模时利用对称性,取整个系统的1/4建立土体模型,总计133 300单元,土体表面为15 m×15m,土体高度取为20 m。为解决土体大变形导致模型计算不收敛,将桩周2.5倍桩径范围内的区域进行切割,同时对该区域使用任意拉格朗日欧拉网格划分,并增加该区域网格密度。管道外径取为4.84 m,壁厚0.05 m,模型中管道及土体单元选用减缩积分8节点实体单元C3D8R。模型如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite elem entm odel

1.4 边界条件

建模时利用对称性,土体取整个系统对称建模,需要在其对称面上施加平面对称边界条件,另外约束模型底部6个方向位移,土体上表面不加约束,保留其为自由表面。为确保基桩在受载后不发生旋转,约束其3个旋转自由度和水平位移自由度,释放其竖向(Z方向)自由度。在管道-土之间设置接触对,利用罚函数算法计算,不再对管道另外设置边界条件。

1.5 冲击荷载形式

假定冲击荷载为线性加载,荷载作用时间0.2 s,影响时间为1 s,打桩冲击荷载峰值为2 000 kN。冲击荷载分布形式如图3所示。

图3 冲击荷载形式Fig.3 Im pact loading form

1.6 冲击速度的损伤分析

埋地管道破坏时质点振动速度如图4所示。

图4 埋地管道破坏时质点振动速度Fig.4 Peak particle velocity when the buried pipeline is damaged

由图4可以看出,埋地管道开始破坏时振动速度最大值为0.12 m/s,埋地管道受沉桩影响最不利的振动位置出现在如图5所示的管道顶部与管道离桩较近侧之间的圆弧上。

图5 埋地管道破坏时最不利截面各处振动速度Fig.5 Peak particle velocity of the m ost un favorab le section when the buried pipeline is damaged

1.7 管道位移分析

管道位移随时间的变化是以管道近桩一端的最不利截面为研究对象,在最不利截面上分别选取顶部、底部、靠近桩一侧、远离桩一侧的4个点为观察点,具体情况如图6所示。图6中记录这4个点的水平位移随时间的变化。

对于管道最不利截面参考点处的水平位移,管道水平位移与时间的关系如图7所示。

由图7可以看出,沉桩刚开始时近桩侧有微小水平位移,这是由于基桩刚沉桩时对其产生一定的水平方向挤压造成的。随后,管道在水平方向上表现为整体运动,但是近桩侧的点位移幅度较其他3点相比更大。这是因为近桩侧距沉桩点更近,受到沉桩挤土效应更明显,管道破坏时,近桩侧的水平位移为3.3 mm。

图6 管道最不利截面Fig.6 M ost unfavorable section of the buried pipeline

图7 管道水平位移-时间曲线Fig.7 Pipeline horizontal disp lacement-tim e curve

1.8 混凝土管振动损坏控制标准

目前对近海沉桩振动破坏的理论研究还不充分,我国对沉桩振动效应的评估,因尚无适用的安全标准,目前常规方法是直接套用《GB6722—2011爆破安全规程》[4]决定安全指标。具体规定为:水工隧洞的爆破振动判据,采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率(见表3)。

表3 《GB6722—2011爆破安全规程》爆破振动安全允许标准Tab.3 Safety standards of blasting vibration in GB6722—2011 Blasting safety regu lations

鉴于沉桩振动低频多次振动特点、取水管道实际运行情况、国内相关文献[5-7]与规范[8-9]及上文数值模型计算成果,从安全性角度考虑,确定该工程实例中取水管质点振动速度控制标准为30 mm/s,取水管邻近土体水平位移控制标准为10 mm。

2 现场监测及分析

2.1 现场监测工作

2.1.1 现场监测内容 在此项工程实例中,主要监测管道周边质点振动速度以及深层水平位移两项内容,共布置5个测试点位,总计布设速度传感器21个,深层位移计16个。

2.1.2 监测方法

2.2 监测结果及分析

现场监测过程中,第1 d下午完成3#-6,3#-7, 3#-8,3#-5 4根试验桩的沉桩试验,在试验桩的施打过程中对沉桩引起的质点振动速度、土体水平位移进行了观测,并将观测数据反馈至数学模型。待数模计算结果确定后,于第8 d开始2号墩沉桩施工,并于第11 d完成2号墩、3号墩沉桩工作。具体沉桩顺序见表4。

2.3 质点振动速度监测结果及分析

通过对沉桩过程质点振动速度数据的采集、整理,得到了在沉桩过程中各测点振动速度最大值(见表5、表6)。通过数据可以看出,除3#-6号桩外,沉桩引起取水管附近振动速度最大值均小于上文取水管质点振动速度控制标准30 mm/s,取水管道处于安全状态。

表4 沉桩顺序表Tab.4 Piling sequence

在3#-6号桩沉桩过程中,测点速度值有明显增大,此情况下立即停止沉桩施工。经检查分析,3#-6号桩振动速度变大(86.7 mm/s、37.8 mm/s)的原因为桩吊耳与老桩边缘发生刮碰撞击所致,后通过桩身扭转后恢复正常。3#-6号桩沉桩过程中与取水管最近的3-1号测点测得速度最大值为17.03 mm/s,小于取水管质点振动速度控制标准30 mm/s,取水管道处于安全状态。

表5 沉桩引起各测点振动速度最大值(I)Tab.5 Peak particle velocity caused by pile driving(I)

表6 沉桩引起各测点振动速度最大值(Ⅱ)Tab.6 Peak particle velocity caused by pile driving(Ⅱ)

2.4 土体水平位移监测结果及分析

表7为监测得到的取水管道邻近土体水平位移的最大值。通过分析监测数据,发现在取水管道高程-24.8 m处,土体最大水平位移为8.60 mm小于上文确定的取水管邻近土体水平位移控制标准10 mm,所以取水管道处于安全状态。

表7 取水管道邻近土体水平位移最大值Tab.7 M aximum soil disp lacement of the surrounding buried pipeline

3 结 语

文中研究了以埋地管道所在位置质点振动速度峰值和管道位移作为近海工程沉桩振动主参数的安全控制标准,并且以该安全控制标准指导现场监测,取得良好工程效果。

1)在数模计算和现场试验的基础上,结合国内外相关文献与规范,提出了算山码头扩建改造工程中电厂取水管道振动沉桩施工的安全控制标准为取水管周边质点振动速度30 mm/s,邻近土体水平位移10 mm;

2)以该控制标准为数据支撑指导工程现场监测,极大地提高了振动沉桩施工的安全性,取得了良好的工程效益。

文中的研究方法为开展类似工程提供了参考,其控制标准对相近工程也有一定的参考价值。

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(责任编辑:邢宝妹)

Numerical Sim u lation and Field M onitoring of O ffshore Engineering Pile Driving Vibration on Ad jacent Buried Pipeline

ZHANG Long, ZHU Yuliang*
(College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

To explore the safety of pile driving vibration on adjacentburied pipeline,based on the platform of ABAQUS numericalmodeling calculation and engineering on the basis of field monitoring,this paper studies the problem of offshore engineering pile driving vibration on adjacentburied pipelinewhichmay affect safe operation.The results show that buried pipeline surrounding peak particle vibration velocity and pipeline displacement of the two elements of the influence of the buried pipelines are themost significant.On the basis of the proposed method,the engineering under the condition of offshore of buried pipelines under the pile driving vibration in the construction of safety control standard is thatwhen buried pipelines particle vibration velocity control standard is30mm/s,buried pipelines adjacent soil horizontal displacement control standards is 10 mm.The safety control standards achieve satisfactory results in engineering practice.The proposed method and its safety control standards provide guidance for similar engineering and research.

pile driving vibration,buried pipeline,numerical calculation,field monitoring,safety control standards

Email:zhyl@hhu.edu.cn

TU 473.1

A

1671-7147(2015)01-0097-06

2014-06-15;

2014-08-10。

张 龙(1988—),男,江苏南通人,港口、海岸及近海工程专业硕士研究生。

*通信作者:诸裕良(1965—),男,江苏无锡人,教授,硕士生导师。主要从事港口海岸及近海工程研究。