振冲沉桩对穿河倒虹供水管的动力响应分析

张 云

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061；2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海市200061）

0 引 言

上海地区防汛墙是指沿河地面以上阻挡潮水漫溢的墙式建筑物，作为平原地区城市堤防，其兼具挡水、挡土等功能，对城市防洪起着重要作用。供水管线是城市供水系统的重要环节，是城市中较为重要的基础设施。防汛墙桩基施工过程中难免遇到近距离的既有供水管线，若桩基施工控制不当，可能造成供水中断，进而影响居民生活、工厂生产[1]。因此需研究桩基施工对既有管线的影响。振冲沉桩是上海地区防汛墙桩基施工常采用的一种施工方式，为了避免防汛墙沉桩施工对既有倒虹供水管产生不利影响，合理地控制两者的相对距离及桩群的施工顺序是关键因素。

Henke等[2]提出了评估打桩对邻近建筑影响的三维有限元分析方法，并比较了静压打入和振动打入对周围土体的影响。张杨杨等[3]分析了打桩对河道护岸的影响，且同时提出预防和减轻打桩施工影响的设计、施工、监测措施。李怡闻等[4]通过有限元分析，研究了振冲沉桩引起隧道振动与位移的规律，确定了桩基相对间距、相对深度以及桩基动力等参数。莫鼎革等[5]总结了不同施工振动的类型、振冲沉桩的振动特性，分析了打桩振害与地震震害的区别以及打桩振动对建筑物的影响形式。罗雪贵[6]、尹洪桦等[7]分析了桩基施工的不同水平距离对邻近隧道的影响差异，发现桩基施工对邻近隧道的竖向变形（与水平变形相比）影响较大；随水平位移增大，邻近隧道的水平、竖向位移都近似呈指数减小。但是研究打桩对地下埋管或隧道的振动影响并不多。

本文根据上海临港地区某工程穿河倒虹供水管与河道挡墙施工的实例，采用动力有限元法模拟了振冲沉桩对周边倒虹供水管的影响。通过改变桩基与倒虹供水管的水平净距，研究桩基振动施工对不同距离处管道的影响。选定合理水平净距后，模拟群桩施工对管道的综合影响，分析对管道有影响的桩基范围并提出是否应该进行预钻孔沉桩或加固处理等施工措施。

1 基本理论及方法

1.1 桩基影响机理

振冲沉桩在施工过程中，对周围土体及其他构筑物的影响主要有振动和挤土效应两种，其中更为明显的是挤土效应。沉桩挤土的物理过程是在很短时间内将与桩身同体积的土挤向周围[8]，桩周围的土体受到挤压产生水平和竖向位移，并产生扰动和重塑[9]。根据斯凯普顿理论，由于打桩时桩周围存在较高的土压力，导致塑性超孔隙水压力急剧升高，最终产生“水裂”现象。沉桩对周围土体影响示意图见图1。

1.2 动力有限元基本理论

动力有限元法与静力有限元法基本相同，仅需考虑几个与时间相关函数如动荷载、相应的应力应变、位移等，同时计算模型边界应考虑惯性力及阻尼力的作用。动力平衡方程为：

图1 沉桩对周围土体影响示意图

2 模型建立

2.1 工程概况

上海地区某河道整治工程拟采用直立式钢筋混凝土挡墙，下设C30钢筋混凝土方桩2排，桩基尺寸为300mm×300mm，桩长7m。拟建工程位置现有1条直径为500mm的供水管，采用倒虹方式穿越该河道下方，在打桩过程中必须对其进行保护。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 几何模型及参数

为了模拟倒虹供水管周边桩基打桩振动产生的影响，建立计算模型及网格划分（见图2）。模型总宽度55m，土层深度30 m，左右两侧为水平约束，底部为固定边界；同时为了避免振动波在模型边界处反射[10]，在底部和左右边界设置标准吸收边界。通过调整桩基与倒虹供水管的水平净距，研究桩基振动施工对不同距离处管道的影响。

为正确模拟桩端土体在振动荷载作用下的非线性变形，土体本构选取Hardening soil small-strain model（以下简称HSS模型）。以勘察报告中“土层物理力学性质参数表”中各层土体的非饱和重度（γunsat）、标准三轴排水试验割线刚度、侧限压缩试验切线刚度）、卸载-再加载刚度刚度应力相关幂指数（m）、有效黏聚力、内摩擦角（φ）、GS=0.722G0时的剪切应变（γ0.7）、小应变参考剪切模量数据为基本参数，确定各土层HSS模型参数，见表1。

图2 桩基对供水管影响模型

桩体采用矩形实体单元模拟，选用线弹性本构模型，同时沿桩体设置界面单元来模拟桩-土相互作用。倒虹供水管采用板单元模拟，材料类型选用弹性。

为了模拟群桩施工对管道的综合影响，建立计算模型及网格划分（见图3）。通过模拟供水管两侧各5根桩基的打桩振动，研究对供水管影响较大的因素，根据计算结果推荐合理的群桩施工顺序。

图3 群桩施工对供水管影响模型

2.2.2 模型边界条件

进行桩基打桩动力时程分析时，首先进行模态分析，求取其特征周期。特征值分析时一般采取弹性边界条件，其曲面弹簧计算公式为：

式中：kv为竖向地基反力系数；kv0为初始竖向地基反力系数其中的E0为地基的弹性系数，α 为系数，一般取为其中的Av为计算模型的竖直方向面的截面积；kh为水平地基反力系数；kh0为初始水平地基反力系数，kh0=kv0；其中的Ah是计算模型的水平方向面的截面积。

表1 HSS 模型参数及其物理含义表

在进行桩基振动时程分析时，采用静力边界误差较大，应采用Lysmer[11]黏滞边界，其相应的岩土体在X、Y方向上的纵向阻尼比CP、横向阻尼比CS计算公式为:

式中：ρ 为密度；A为截面积；λ 为体积弹性系数；G为剪切弹性系数；γ 为重度。

2.2.3 桩基动力

根据现场实际情况，本桩锤作用简化为半周期的正弦函数，振幅5 000，相位角0.000°，频率50.00 Hz，其简谐波函数如图4所示。

图4 锤击简谐波荷载曲线

3 结果分析

3.1 2 根桩基对供水管影响分析

根据施工方法，本次共模拟2种工况下沉桩对管道的影响：工况1为当完成1根桩基施工后，待挤土效应及超空隙水压力完全消散后再施打另1根桩基；工况2为当完成1根桩基施工后，未待挤土效应及超空隙水压力消散立即施打另1根桩基。

采用工况1的施工方法时，不同桩基与倒虹供水管的水平净距对供水管道位移的影响见图5。

根据模拟结果可知：待挤土效应及超空隙水压力消散后，沉桩振动对供水管道的影响以竖向位移为主；当桩基与倒虹供水管水平净距为0.3m，即1D（D为方桩截面长度，下同）时，供水管总位移（竖向位移）约12.35mm，随着桩基与倒虹供水管的水平净距增大，对供水管道的影响逐渐减小，当水平净距为0.9m（3D）及以上时，供水管总位移变化及竖向位移变化均趋于稳定，分别约3.00~3.66 mm和2.00~2.86mm；桩基对供水管道侧向位移的影响随两者水平净距的增大而逐渐增大，当水平净距大于0.9m（3D）及以上时，其对侧向位移的影响趋于稳定。

图5 供水管变形影响趋势图（工况1）

为了减少桩基施工对供水管的影响，考虑对穿河倒虹管管截面竖向投影范围进行加固处理。在供水管1倍管径范围内进行加固处理的模拟计算结果如图6所示。

图6 加固处理前后桩基施工对供水管总位移影响趋势图

根据模拟结果可知，当桩基与倒虹供水管水平净距为1D时，加固可使供水管总位移减小7.1%；当净距为2D~6D时，供水管总位移可以减小30%~40%。因此在控制桩基与供水管净距的基础上，对穿河倒虹管管截面竖向投影范围进行加固处理，可以显著减小桩基施工对倒虹供水管的影响。

采用工况2的施工方法时，不同桩基与倒虹供水管的水平净距对供水管道位移的影响见图7。

图7 供水管变形影响趋势图（工况2）

根据模拟结果可知：在挤土效应及超空隙水压力尚未消散时，沉桩对供水管道的影响以竖向位移为主，侧向位移可忽略不计；随着桩基与倒虹供水管的水平净距增大，沉桩振动对供水管道的影响逐渐减小，当水平净距大于1.5m（5D）及以上时影响显著减小；当水平净距为0.3~1.2m（1D~4D）时，沉桩振动产生的总位移为2.59~42.51mm，明显大于工况1下沉桩的总位移（0.73~2.60mm）；随着水平净距增大，工况1和工况2的数值逐渐接近。因此在1根桩基施工后，应待挤土效应及超空隙水压力消散后再施打另1根桩基，如此可以显著减轻对供水管的影响。

3.2 群桩对供水管影响分析

工程施工中，管线上方需要施打的桩基为群桩，如图8所示。图中桩基与倒虹供水管的水平净距为0.9m，桩基间距为1.5m。

图8 供水管两侧桩基分布图

当分别采用F→E→G→D→H→C→I→B→J→A（施工顺序1）及A→J→B→I→C→H→D→G→E→F（施工顺序2）的施工顺序时，每根桩基施工对倒虹供水管总位移的影响见图9。

图9 群桩施工对倒虹供水管位移的影响

根据模拟结果可知：在施工顺序1中，对供水管影响较大的为前6根桩基，即供水管两侧各3根桩基的振动对其产生影响较大；施工顺序2最终位移大于施工顺序1。因此应采用由毗邻管道处向两侧交替施打的施工顺序，使靠近供水管道处桩基产生遮帘作用，使桩对土体的挤压作用向背离供水管道的方向发展。

4 结语

（1）当管道两侧均需沉桩时，沉桩振动对管道的影响以竖向位移为主，随着桩基与倒虹供水管的水平净距增大至3D及以上时，沉桩振动对管道的影响逐渐减小，趋于稳定。

（2）随着桩基与倒虹供水管的水平净距增大，打桩振动对管道的影响逐渐减小。

（3）在合理控制桩基与供水管水平净距的基础上，对穿河倒虹管管截面竖向投影范围进行加固处理可以显著减小桩基施工对倒虹供水管的影响。

（4）在1根桩基施工后，应待挤土效应及超空隙水压力消散后，再施打另1根桩基，可以显著减轻沉桩对供水管的影响。

（5）群桩施工时，不同的桩基施打顺序对供水管产生的影响不同。管道周边桩基施工顺序宜由毗邻管道处向两侧交替施打，使靠近管道处桩基产生遮帘作用，使桩对土体的挤压作用向背离管道方向发展。

（6）可采用预钻孔沉桩措施来减小沉桩对管道的影响，预钻孔孔径可比桩基尺寸小50~100mm。