桥梁桩基冲击钻机冲击效应分析

宁远思

(成都铁路局贵阳枢纽建设指挥部，贵州 贵阳 550003)

桥梁桩基冲击钻机冲击效应分析

宁远思

(成都铁路局贵阳枢纽建设指挥部，贵州 贵阳 550003)

冲击式钻机是灌注桩基础施工的一种重要钻孔机械，它能适应各种不同地质情况。本文以老王冲大桥为工程背景，采用ANSYS LS-DYNA对老王冲大桥桩基冲击钻机冲击效应进行了仿真分析，计算得到了该桥附近天然气管道周围质点的位移、速度及加速度变化规律，评价了老王冲大桥桩基冲击钻施工中的冲击波对临近天然气管道的影响，为桩基冲击钻机施工提供了分析数据，并为附近天然气管道的安全使用提出了相应措施。

冲击式钻机；桩基础；冲击效应；冲击波，天然气管道

随着城市人口的迅速增加和城镇化建设的快速发展，越来越多的生命线工程包括天然气和石油管线、供水和污水管线、煤气和石油存储设备涵管、电力和通讯线路等工程被埋于地下,这些地下管线作为城市的生命线,对城市的正常运行起着至关重要的作用[1]。

城市的快速发展，导致新建的桥梁、道路难以避免从地下管线附近经过或跨越。虽然施工荷载没有直接作用在这些地下管线上，但它对周围环境包括地下管线的影响不能忽视[2-4]，国内外曾报道过多起因施工破坏地下管线的严重事故，教训深刻[5]。

在桥梁施工过程中，冲击式钻机是桩基础施工的一种常用机械设备，它操作工序简单、效率高、适应性强。但由于采用冲击钻施工，冲击钻头重量大、提升高度较高，冲击钻头从最高点自由下落时，在很短的时间内与孔底地基土撞击，产生强烈的冲击波。该冲击波向桩孔周围地基土传递，对桩基施工场地周围的建筑物或构筑物形成较大动力影响[6-8]。关于冲击钻孔对周边环境的影响，国内还没有十分明确的规范，研究中大多参考《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[9]和《机械工业环境保护设计规范》(JBJ 16—2000)[10]以及其他相关规程，主要依据为建筑物的最大振动速度。实际施工中，地表土因振动产生的升降也是导致建筑物破坏的影响因素。

本文以老王冲大桥为工程背景，采用ANSYS LS-DYNA对老王冲大桥桩基冲击钻机冲击效应进行了仿真分析，计算得到该桥附近天然气管道周围质点的位移、速度及加速度变化规律，评价老王冲大桥桩基冲击钻施工中的冲击波对临近天然气管道的影响，为天然气管道的使用安全提出了相应措施。

1 工程背景

长沙至昆明铁路客运专线，简称长昆客专，是沪昆客专的西段，位于湖南、贵州和云南境内，是我国“四纵四横”客运专线网的重要组成部分，区段列车最高时速250km/h，基础设施预留提速条件，正线全长1158.09km。

老王冲大桥位于贵州省贵阳市城郊，桥梁全长168.08m。老王冲大桥第2孔跨越中贵天然气、贵阳西环网天然气两条并行管道。

本桥2号墩为群桩基础，桩径1.5m，桩长22m，临近的天然气管道直径1.016m，埋深3～5m。由于本桥桩基采用冲击钻施工，冲击钻头重量大、提升高度较高，冲击钻头从最高点自由下落时，在很短的时间内与孔底地基土撞击，产生强烈的冲击波。该冲击波向桩孔周围地基土传递，对桩基施工场地周围的建筑物或构筑物形成动力影响。目前国内对桩基冲击钻冲击效应的研究还并不多，为了考察长昆客专老王冲大桥桩基冲击钻施工中的冲击波对临近天然气管道使用安全的影响，和中南大学一起采用ANSYS LS-DYNA对冲击过程进行了仿真分析。

2 地质条件及岩土物理特性

桩位处，各土层物理力学参数见表1。由于填筑土层、全风化岩层较为松散，撞击过程能量损失大、冲击波衰减速度快，本文分析冲击钻头行进至弱风化岩面的情况。

表1 土层物理力学参数

3 有限元模型

采用一个大圆柱体模拟地基土半空间无限体，该圆柱体的直径为100倍桩径，深度为2倍桩长，用一个小圆柱体模拟冲击钻头。在ANSYS LS-DYNA(ANSYS版本为14.5，WIN64)中，采用Solid164单元冲击钻头和地基土，采用Shell163单元模拟管道壁。冲击钻头自由落距2.0m，在冲击钻头底面和桩孔底面之间建立接触关系，静摩擦系数取0.3，动摩擦系数取0.2。

根据冲击钻头的提升高度及其自由下落到达孔底的时间，结合桩基施工时冲击钻的工作频率，计算3.5s时间内的动力效应。自由下落时，冲击钻头施加竖向加速度荷载，撞击完成后，冲击波在地基内传递，考虑500个荷载子步，从而观察冲击波的传递过程。有限元模型如图1所示。

图1 1/2有限元模型

4 计算结果及分析

4.1 位移分析

典型的竖向位移分布曲线如图2至图5所示，撞击发生瞬间(即自由下落开始后第0.642366s)及撞击发生后的典型竖向位移云图如图6至图9所示。图中竖向位移以向上为正，向下为负。

图2 桩底竖向位移沿深度分布曲线

图3 桩周竖向位移沿深度分布曲线

在自由下落阶段，各个测点的竖向位移为零；撞击发生的瞬间，测点竖向位移达到最大值0.02mm；撞击完成后，测点竖向位移呈现波动，幅值逐渐减小。但由于钻头回弹后又重新落下以及冲击波在各个土层分界面和边界面中的反射，导致竖向位移出现多次峰值。

图4 桩周10m竖向位移沿深度分布曲线

图5 桩底竖向位移沿径向分布曲线

图6 撞击发生时竖向位移云图(t=0.642366s)

图7 撞击发生后的竖向位移云图(t=0.649421s)

桩底竖向位移峰值在撞击面最大，沿深度增加而逐渐减小；桩周土节点竖向位移峰值在撞击面以下最大，并沿深度增加而逐渐减小，在撞击面以上的填筑土及全风化花岗岩层中几乎为零；距离桩轴线10m处的竖向位移峰值呈现出与桩周土节点一致的规律；撞击面处竖向位移峰值沿径向衰减较快，当径向距离大于10m时，基本接近于零。

图8 撞击发生后的竖向位移云图(t=0.656481s)

图9 撞击发生后的竖向位移云图(t=0.663538s)

4.2 速度分析

典型的速度分布曲线如图10至图13所示，撞击发生瞬间(即自由下落开始后第0.642366s)及撞击发生后的典型速度云图如图14至图17所示。

桩底速度峰值在撞击面以下一定位置最大，沿深度增加而逐渐减小；桩周土节点速度峰值在撞击面以下最大，并沿深度增加而逐渐减小，在撞击面以上的填筑土及全风化花岗岩层中几乎为零；距离桩轴线10m处的速度峰值呈现出与桩周土节点一致的规律；撞击面处速度峰值沿径向衰减较快，但比竖向位移峰值衰减速度较慢，在距离桩轴线10m处的地基土节点速度峰值约1cm/s，当径向距离大于40m时，基本接近于零。

图10 桩底速度沿深度分布曲线 图11 桩周速度沿深度分布曲线

图12 桩周10m速度沿深度分布曲线 图13 桩底速度沿径向分布曲线

图14 撞击发生时速度分布云图(t=0.642366s) 图15 撞击发生后的速度分布云图(t=0.649421s)

图16 撞击发生后的速度分布云图(t=0.656481s) 图17 撞击发生后的速度分布云图(t=0.663538s)

4.3 加速度分析

典型的加速度分布曲线如图18至图21所示，撞击发生瞬间(即自由下落开始后第0.642366s)及撞击发生后的典型加速度云图如图22至图25所示。

桩底加速度峰值在撞击面以下一定位置最大，沿深度增加而逐渐减小；桩周土节点加速度峰值在撞击面以下最大，并沿深度增加而逐渐减小，在撞击面以上的填筑土及全风化岩层中几乎为零；距离桩轴线10m处的加速度峰值呈现出与桩周土节点一致的规律；撞击面处加速度峰值沿径向衰减较快，在距离桩轴线10m处的地基土节点加速度峰值约25m/s2，当径向距离大于40m时，基本接近于零。

图18 桩底加速度沿深度分布曲线 图19 桩周加速度沿深度分布曲线

图20 桩周10m加速度沿深度分布曲线 图21 桩底加速度沿径向分布曲线

图22 撞击发生时加速度分布云图(t=0.642366s) 图23 撞击发生后的加速度分布云图(t=0.649421s)

图24 撞击发生后的加速度分布云图(t=0.656481s) 图25 撞击发生后的加速度分布云图(t=0.663538s)

5 结论

根据计算结果可知，距离桩轴线10m处节点的最大瞬时竖向位移约为0.02mm，方向向下。距离桩轴线10m处节点的最大瞬时速度约为1.54cm/s，小于5cm/s的安全限值。距离桩轴线10m处节点的最大瞬时加速度约为24.74m/s2，超过2倍重力加速度。

目前国际上一般采用质点振动速度峰值作为冲击钻孔对临近埋地天然气管道影响的安全判据，天然气管道附近质点最大瞬时速度满足5cm/s的限值要求，但由于其瞬时加速度很大，建议开挖减振沟，以降低振动对天然气管道的影响。

[1] 侯忠良.地下管线抗震[M]. 北京：学术书刊出版社,1990.

[2] 杜小娟. 冲击钻孔施工对埋地天然气管道的影响研究[D]. 西南科技大学, 2011.

[3] 佘艳华. 苏华友.桥梁桩基施工振动对邻近埋地管道影响试验研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版, 2014,33(2):35-39.

[4] 宋春生，李鹏飞，蒲传金. 冲击钻孔振动对埋地管道的安全判据探讨[J].天然气技术与经济, 2011, 05(1):40-42.

[5] 姜小兰. 跨越天然气管线桥梁桩基冲击钻孔施工数值分析[J].大科技·科技天地, 2010(10).

[6] 姜峰,方佳,陈子毅,王宇,张波. 冲地周边建筑物击钻孔对场的影响[J]. 工业建筑,2012,03:88-92.

[7] 彭建江. 冲击钻机在分离式立交桥桩基施工中的应用[J]. 黑龙江交通科技,2010,02:104-105.

[8] 李锴. 旋挖钻机在大连地区桩基施工中的应用研究[D].沈阳建筑大学,2013.

[9] 爆破安全规程(GB6722-2014)[S].北京：中国标准出版社,2015

[10] 机械工业环境保护设计规范JBJ 16—2000[S]．北京：机械工业出版社，2001.

(责任编辑：王先桃)

Impact Effect Analysis of Bridge Pile Foundation Drill

NING Yuansi

(Guiyang Hub Construction Headquarters of Chengdu Railway Bureau， Guiyang 550003, China)

Impact drill which can adapt to different geological conditions is an important drilling machine of pile foundation construction. Taking the Laowangchong Bridge as an engineering background, shock effect simulation analysis for pile impact drills was completed by using ANSYS LS-DYNA. Variation characteristics of displacement, velocity and acceleration of the particles near the gas pipeline for the bridge were obtained. The effect on the shock wave from the impact of pile drilling construction of the Laowangchong Bridge near the gas pipeline was evaluated. It provides analytical data for the construction of a percussive drill pile, and the reasonable measure to the safety of nearby gas pipeline was proposed.

impact drills; pile foundation; impact effect; shock wave; gas pipeline

1000-5269(2016)06-0130-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.28

2016-07-09

贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2015]2037号)

宁远思(1971-10),男, 高级工程师, 从事铁路建设管理工作。Emial:ningyuansi@126.com.

*通讯作者： 宁远思，Email：ningyuansi@126.com.

U443.15

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