基于FLAC3D对古海塘塘前打桩振动的动力响应分析

王海礼，祝湛毅，张 默

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

近年来，城市发展和建设的规模日益扩大，大型工程建设离不开桩基础。 预制桩具有承载力高、施工方便、造价低等优点[1]，通常作为软土地基桩基础的首选。 打桩施工不但产生噪声，同时会引起桩身及桩周围附近土体的强烈振动，对周围土体以及建筑物产生影响[2]。 芦森等[1]通过实测测点的振动速度及振动频率，分析打桩振动对邻近新浇筑混凝土底板的影响；韦中华等[3]人通过室内模型试验，就打桩过程中对基坑黏性土边坡的瞬时位移、边坡加速度和边坡压力等动力响应规律进行研究。本文采用FLAC3D有限差分软件，建立三维模型，合理选择模型参数及边界条件， 输入实测振动荷载，仿真分析打桩振动作用下古海塘的永久变形及速度传播衰减规律，并以此指导施工。

1 工程概况

海宁段明清古海塘处于强涌潮区域[4]，受径流和涌潮冲刷的强烈影响。 目前对抗防冲的有效措施主要有水平防冲（ 丁坝） 和垂直防冲（ 桩）。 防冲板桩施工是海塘加固[5]中不可缺少的组成部分，但其施工过程对古海塘会带来一定的影响。 本次试桩选择位置为盐官上游海宁庙湾段海塘，桩号K83+255，该段海塘堤脚防冲能力相对薄弱，海塘典型断面（见图1）。 打桩起点位置为上游10#桩式丁坝坝根平台下游，在二坦外侧的位置从上游往下游进行打桩。 桩型有普通的方桩、H型板桩、U型板桩和离心板桩，工程板桩长度统一取10 m，经验算可以满足最不利冲刷工况下的防冲要求。 通过施工方案比选，最终选取机臂灵活、场地适应性强的600型挖机，通过改装更换合适夹头，进行打桩施工。

图1 海塘典型断面图

2 计算工程设计

FLAC3D采用完全非线性分析方法[6-8]，基于显示差分求解网格节点的运动方程，与等效线性方法相比，其本构模型选择更加灵活。 采用弹塑性模型求解时，能够计算塘前打桩振动作用下的古海塘的永久变形。

2.1 计算模型

根据地质钻孔勘察资料和海塘断面特征建立三维数值模型，沿着堤轴线方向取120 m，横断面取70 m，下边界自堤内坡脚地面向下取40 m。 动力分析对模型网格尺寸有要求，根据地质勘察资料，塘身填土剪切波速最小为220 m/s，实测打桩频率为10 ～20 Hz， 取 大 值20 Hz。 计 算 网 格 尺 寸 需 满 足△L≤（1 /8 ～1 /10） λ=1.1 ～1.38 m。 本次网格划分土体单元最大尺寸为1.1 m，海塘块石最大尺寸取2.5 m，模型共划分56 206 个节点，53 618 个单元（见图2）。

2.2 材料本构及计算参数

本次采用理想的弹塑性本构模型，其屈服准则采用摩尔-库伦强度屈服准则。 根据地质勘察资料，计算参数（见表1）。

图2 三维数值计算模型网格图

表1 数值计算模型参数表

2.3 边界条件及阻尼设置

FLAC3D提供静止（ 粘性） 边界和自由场边界条件减少模型边界上波的反射，考虑到动力源为内部，模型底部及四周均采用静止边界。 动力分析中，阻尼的选择十分关键，FLAC3D提供三种阻尼，本次选用瑞利阻尼，其理论与常规动力分析方法类似，计算得到的响应规律比较符合实际。 经初步计算，中心频率取8.7 Hz，最小临界阻尼比取3%。

2.4 振动荷载

打桩期间采用RU-S0301 测振仪（磁电式速度传感器）对古海塘振动应进行监测，并用卡尔曼滤波法对速度数据进行滤波处理，消除了环境噪声等对监测结果的影响，滤波后典型塘面振动速度实时程曲线（见图3）。

图3 监测设施及振动数据

3 数值模拟结果分析

考虑到桩身截面积不大，沉桩位置距离海塘较远，忽略打桩挤土效应，仅考虑打桩机械及打桩振动荷载对古海塘的影响，假定通过机臂传至机械振动与桩头处振动一致。 塘面上下振动方向为Z方向，垂直于堤轴线方向为X方向，平行于堤轴线方向为Y方向，同时沿着塘面轴线每10 m，分别布置一个速度、位移和应力监测点。

3.1 速度时程分析

塘前打桩引起古海塘塘面三个方向波动，打桩机械与打桩位置连线处古海塘的振动时程曲线（ 见图4），可以看出，垂直地表上下方向（ Z方向） 振动速度最大，垂直于堤轴线方向（ X方向） 次之，堤轴线方向（ Y方向） 最小。 测点振动主频为10 ～20 Hz，按照《 爆破安全规程GB6722—2014》，当振动主频10 Hz＜F＜50 Hz时，对于一般古建筑与古迹，安全允许质点振动速度为0.2 ～0.3 cm/s。 打桩时Z方向振速值集中分布在0.1 ～0.3 cm/s间， 当打桩阻力过大，振动主频和振速超出阈值，最大振速高达0.52 cm/s，对古海塘造成影响较大，同时桩顶端容易被夹破损。

图4 古海塘三个方向振动时程曲线

以打桩机械与打桩位置连线为轴线，沿着古海塘轴线向两侧布置测点，不同距离测点振动时程曲线（见图5）。 不同位置测点振动频率基本一致，轴线处古海塘测点振动速度最大，距离轴线越远，测点振动速度越小。 绘制X和Z方向最大振速值随距离的变化曲线（见图6）。 塘前打桩施工振动主要影响范围自打桩轴线向古海塘两侧约20 m。

图5 不同距离测点振动时程曲线

图6 不同距离测点最大振速

3.2 位移分析

塘前打桩振动对古海塘变形产生影响（ 见图7），与实测结果一致，塘面测点随着打桩振动而波动，Z方向变化最大，表现形式为逐渐产生沉降，表明古海塘在振动荷载作用下，底部土体逐渐密实；X方向次之，表现形式为向外江侧，主要原因外江侧临空没有横向约束；Y方向基本不变化。 打桩振动结束后，模型位移变化切面（见图8），地表变形近似呈盆状，中间大，两端小，表明离打桩轴线越远，地表变形受施工影响越小，从观测结果看，施工主要影响范围自打桩轴线向古海塘两侧约20 m，与振速影响范围相吻合。

图7 古海塘塘顶位移变化

4 结 语

结合试验段塘前打桩案例，对打桩过程进行三维数值模拟动力分析，得出结论如下：

（1）塘面机械打桩施工造成的古海塘上下振动振速值集中分布在0.1 ～0.3 cm/s间，当打桩困难时，振动主频和振速超出阈值，对古海塘造成影响较大，同时桩顶端容易被夹破损，建议更换打桩方法，可考虑采用塘下围堰内作业或者使用作业船只进行打桩施工。

（2）数值模拟结果与现场监测结果基本吻合，表明可通过合理选取参数进行数值模拟仿真分析，寻找塘前打桩引起古海塘的振动传播规律及位移变形趋势，进而确定主要影响范围，并在施工时重点关注加强监测，保障古海塘安全运行，同时为打桩施工方法的选取提供参考依据。

（3）本次试桩历时较短，振动数据的采集与分析有待于进一步优化，后续将对古海塘安全振动阀值进行试验研究，为古海塘振动安全评估提供更多依据。

图8 振动结束后模型位移变化