振动荷载作用下桥梁桩基筑岛平台变形机制研究

王林峰 何静 唐宁 傅奕帆 周楠

摘要：为了研究钻机的振动荷载对峡谷裸岩深水地区桥梁桩基筑岛平台的稳定性和桩孔形状的影响机制，以贵州省北盘江贞望大桥6号桥墩桩基为研究对象，基于动力反应分析，利用FLAC 3D对钻机冲击振动作用下筑岛平台的位移响应规律进行了模拟分析。研究结果表明：水平和竖向位移最大值都出现在平台坡肩，筑岛平台顶面水平位移随着X方向（模型长度方向）距离的增加先减小后增大，而竖向位移随着X方向距离的增加而减小;在冲击荷载作用下，水平和竖向位移将分别放大1.27和1.37倍，筑岛内部的水平位移随着土体深度的增加迅速衰减，且水平位移影响深度增大了2 m，竖向位移最大值增幅为85%，位于3 m深度处;筑岛位移值随着冲击振动频率的减小而减小，并且冲击振动频率对竖向位移的影响大于水平位移。最后对比分析了10种冲击钻对筑岛平台位移的影响，推荐该工程使用CK-3000型冲击钻机。研究结果可为类似大桥桩基工程施工提供理论指导。

关 键 词：桥梁桩基; 筑岛平台; 变形机制; 振动荷载; 峡谷裸岩深水地区

中图法分类号： U443.15

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.028

0 引 言

在峡谷裸岩深水地区，由于交通不便，大型起吊设备和驳船设备无法停靠，因此桥梁桩基的施工难度较大。峡谷地区桩基施工平台主要有钢围堰平台、桩围堰平台和筑岛平台等3种形式。钢围堰平台、桩围堰平台无法控制桩孔不偏斜。因此，为了保证峡谷陡坡区域桩基施工桩孔不偏斜，筑岛平台是一种有效且经济的工程措施。筑岛平台的稳定性主要受库水位、填土材料、填筑质量、排水性能、原地面的倾角和施工荷载等因素的影响，其中施工荷载对平台的变形影响最大。因此研究冲击振动荷载对峡谷裸岩深水地区桥梁桩基筑岛平台变形的影响机制有着重要的意义。

峡谷裸岩陡坡区域的筑岛平台核心技术难题在于筑岛平台边坡在自重、施工荷载和库水位变化作用下的稳定性控制问题。李亚生等[1]考虑了填筑过程和固结效应，并采用有限元方法分析了库岸填筑类边坡的稳定性。王乐华等[2]基于模型试验，分析了降雨作用下库岸填筑类边坡的破坏模式。史尧等[3]通过GeoStudio 软件分析了深井降水筑岛边坡的稳定性的影响大小。贾恺等[4]考虑软弱地基失稳破坏的稳定系数比筑岛边坡小的情况，建立了软土地基筑岛边坡稳定性计算方法。李永春等[5]分析了筑岛平台在不同工况下的稳定性，提出了相应的施工措施。孙永广[6]通过有限元分析法对筑岛围堰工程进行了应力变形和稳定性分析。对于填筑岛的稳定性控制，常见的方法有锁扣钢管桩、工字形板桩、沙袋挡墙、土体强度增强处理技术等[7]。Mohamed[8]等分析了用混凝土充填土工袋后铺在岸坡上对岸坡稳定性的影响。王婷婷等[9]采用PLAXIS 3D软件对格型钢板桩的加固效果进行分析，发现填岛材料的选择也是筑岛质量控制的关键因素。高冉等[10-12]基于三轴试验，分析了岛礁吹填体钙质砂地基土的力学特性。吴杨等[13]通过三轴试验分析了筑岛用珊瑚砂的力学行为与颗粒破碎特性。王新志等[14]基于渗透试验分析了人工筑岛地基钙质粉土夹层的渗透特性。

综上所述，筑岛平台是确保峡谷裸岩深水地区桥梁桩基顺利施工的有效工程措施。目前对于筑岛平台的研究主要采用数值模拟和模型试验，研究内容主要集中在自重、降雨和库水位等因素作用下的稳定性和破坏机制研究。而在考虑钻机冲击动力荷载作用下筑岛平台的变形机制研究较少，因此本文将研究考虑钻机冲击动力荷载作用下筑岛平台的变形规律，分析平台水平位移和竖向位移的响应机制，并给出最优桩基成孔设备的建议。

1 工程概况

本文以位于贵州省北盘江贞望大桥6号桥墩的桩基工程施工为例进行分析。贞望大桥位于北盘江的峡谷中，岸坡倾角约为45°，江水深约40 m。该边坡坡陡，交通不便，大型起吊设备和驳船设备无法停靠，因此该项目选择了筑岛的方式修筑桩基施工平台，保证桩孔成型质量。筑岛平台的典型断面如图1所示。平台335 m高程以下为抛石区，该区域采用强夯进行密实，夯击能量为3 000 kN·m。平台335～345 m高程范围内为堆石区，高10 m迎水面坡比为1∶1.50，背水面坡比为1∶1.00。平台345 m高程以上为碎石土回填区，高10 m。碎石土面坡坡比1∶1.48，并采用结构为正六边形的C20预制混凝土块进行护面，边长为20 cm，厚20 cm，并在其下部设置40 cm厚的碎石过渡层和20 cm厚的砂反滤层以保证筑岛填土体的透水性。

2 振动作用下筑岛平台的位移响应

2.1 计算模型与参数的确定

冲孔灌注桩具有入土深、能入岩、刚度大、承载力高、桩身变形小、可方便进行水下施工等优点，已被广泛运用在工程建设中。钻机振动荷载为点状加载模型，是三维问题，采用FLAC 3D软件进行模拟，模型的X，Y，Z方向如图2所示，即X为模型长度方向，Y为模型宽度方向，Z为模型高度方向，模型X方向总长度为80.00 m，Y方向最大宽度为18.00 m，Z方向最大高度为40.00 m。模拟参数如表1所列。

在FLAC 3D中，对筑岛平台进行动力反应分析时，几何模型的各个侧面边界条件须考虑为没有地面结构的自由场运动。自由场网格通过阻尼器与中间的主体网格进行耦合。本文研究的筑岛平台施加边界约束后的数值计算模型如图2所示。FLAC 3D中为动力计算提供了瑞利阻尼、局部阻力、滞后阻尼3种阻尼形式。本文采用瑞利阻尼进行动力计算，其中最小临界阻尼比为0.05。

本文研究中动荷载主要考虑冲击钻机施工时产生的動荷载。钻机锤为DZJ-300型振动锤，其质量为1.5×104 kg，平台面积为546 m2，根据有关资料[15]得知冲击荷载作用下最大竖向加速度为0.157 m/s2。故动荷载为

Pd=Fd/s=ma/s=1.5×104×0.157/546=4.313 kPa

式中：Fd为振动锤的冲击力;m为振动锤的冲击力;a为振动锤的最大竖向加速度，取值为0.157 m/s2;s为平台面积。

2.2 计算结果分析

为了研究钻机振动对筑岛边坡变形的影响机制，本文根据已经确定的振动波形，采用APPLY命令在筑岛平台上模拟施加动荷载，动荷载作用于实际施工钻孔位置，并选择代表性监测点对钻机振动引起的筑岛平台位移变化进行监测，用监测结果分析出其影响规律，监测点如图3所示，具体坐标如表2所列。

2.2.1 位移分析

图4为筑岛边坡各测点位移变化曲线。由图4可知：随着距平台顶部距离的增大，加上冲击荷载后的筑岛边坡上水平位移和竖向位移迅速减小。平台坡肩的水平位移和竖向位移最大，其中最大水平位移为沿坡面向外-12.90 mm（负号表示位移方向指向坡面以外）;最大竖向位移为沿地面向下-15.44 mm（负号表示位移方向向下）。因此，在冲击荷载作用下，岛的竖向位移大于水平位移;无论水平位移还是竖向位移都主要发生在岛的上部，对下部的变形影响较小。

由图5可知：加和不加动荷载，水平位移变化趋势基本相同，均随着监测点距离坐标原点的X方向距离增大而逐渐减小。在动荷载作用下，靠近桩孔附近的土体水平位移较大，且靠近边坡的水平位移较大，是由于桩孔产生临空面，导致桩孔周围土体向孔内移动，因此出现孔左边土体水平位移随着监测点远離坐标原点而先减小（位移方向为负）后增大（位移方向为正），孔右边的土体也呈现先减小后增大的规律，但方向相反;当X=50.45 m时，水平位移量最大，为-12.78 mm。不考虑冲击动荷载时，最大水平位移是-10.05 mm，因此冲击动荷载可以使水平位移增大27.16%。

由图6可知：监测点6～10在动荷载作用下的水平位移随时间步长的增加而增加。监测点7，9在动荷载作用下的水平位移变化情况相同，位移值为3.50 mm左右，监测点6，8，10在动荷载作用下的水平位移分别为3.06，3.86，2.70 mm。对比可知，随着振动时间的不断增加，钻机冲击振动引起的水平位移增大。

图7为土体深度为3.00 m时筑岛平台顶面沿X方向各点的竖向位移变化曲线。由图7可知：随着监测点远离原点竖向位移减小，最终趋于0。竖向位移较大的区域集中在49.75～57.45 m范围内，该区域的竖向位移均超过6.72 mm，在X=50.45 m处，监测点竖向位移最大，为15.83 mm，较不加动荷载时的11.55 mm增加了4.28 mm，放大1.37倍。当X超过57.45 m时，筑岛平台的竖向位移基本小于1.64 mm，仅为最大竖向位移的10.36%，这是由于此区域离施工较远，受施工动荷载的影响小，且筑岛平台越往里其稳定性越好所致。

由图8（土体深度为3.00 m）可知：监测点11～15在振动荷载作用下竖向位移随时间步长的增加而增加，且位移是沿着Z轴负方向发生的;监测点15在振动荷载作用下竖向位移最后达到3.68 mm，为最小，监测点13在动力荷载作用下竖向位移为4.89 mm，为最大。对比图7发现，动荷载对筑岛平台水平位移的影响和竖向位移的影响存在差异，其对竖向位移的影响比水平位移增大了26.68%，因此，钻机振动对筑岛平台竖向位移的影响较大。

将不加动荷载时和加动荷载时的土体深度-位移曲线绘制如图9所示，分析动荷载对筑岛平台内部位移的影响。从图9可以看出：加动荷载后的水平位移变化趋势与不加时保持一致，即随着土体深度的增加，筑岛平台水平位移逐渐减小。加动荷载后，水平位移在数值上有所增大，对筑岛平台的影响深度也增大，在不加动荷载时，施工影响深度约为8 m，加动荷载后，影响深度约为10 m。筑岛平台底部的水平位移变化减小，主要集中在平台的上部，这是因为筑岛平台的下部是较稳定的灰岩，受动荷载影响较小，而平台的上部为填筑土体，稳定性较差，受动荷载影响较大。

由图10可知：加动荷载后的竖向位移变化规律与不加动荷载时相似，都是先增大后减小，都在土体深度为3.00 m时取得最大值，且都为负值。土体深度在0～10.00 m范围内动荷载对筑岛平台竖向位移影响显著，竖向位移均增大，在X=54.65 m处，平台竖向位移增加了5.44 mm，即增加了85%，土体深度大于10.00 m时，平台的竖向位移几乎为0。加动荷载和不加动荷载时对筑岛平台竖向位移的影响范围基本保持不变。

2.2.2 振动频率对筑岛平台位移影响分析

在冲击钻孔过程中，钻机振动频率对筑岛边坡的位移影响较大，图11～12分别为监测点5和监测点8在频率为50，30，5次/min下的水平位移和竖向位移变化时程曲线，由图可以看出：

（1） 监测点5和监测点8在不同振动频率下水平位移和竖向位移变化时程曲线相近，都随着时间步长的增加而增加，且位移值随着频率的减小而减小，频率为5次/min时的位移变化时程曲线更平缓，到最后，频率为5次/min的位移值最小。

（2） 振动频率从50次/min减小到30次/min时，监测点5的水平位移下降了1.01 mm，监测点8下降了1.58 mm;监测点5竖向位移下降了0.38 mm，监测点8下降了1.94 mm。而频率从30次/min减小到5次/min时，监测点5的水平位移下降了0.92 mm，监测点8下降了1.26 mm;监测点5的竖向位移下降了0.82 mm，监测点8下降了1.66 mm，说明频率对筑岛平台上的竖向位移的影响较大，降低振动频率能有效减小竖向位移。

2.2.3 冲击钻机选择

在施工时，应选择合适的冲击钻机，并且在施工过程中要注意控制钻进速率等。整理有关冲击钻机型号参数如表3所列。根据上述数值模拟分析的结果可以发现：

（1） 遭受钻机振动荷载作用时，筑岛边坡上的位移变化不大，筑岛平台上桩孔附近土体位移较大，且在X=54.65 m处的位移变化最大，水平位移增加3.86 mm，竖向位移增加4.89 mm，是水平位移的1.27倍，钻机振动不仅对筑岛边坡的竖向位移影响较大，也对边坡的水平位移也较大，即对影响桩孔质量也较大，故不容忽视。

（2） 通过研究钻机振动频率与筑岛边坡位移变化规律可知，筑岛边坡各点的位移随振动频率的减小而减小，频率为5次/min的位移值最小，频率从50次/min减小到30次/min时，位移下降的幅度比频率从30次/min减小到5次/min时稍大，竖向位移下降了2.05 mm，水平位移下降了1.58 mm。

（3） 在冲击钻孔过程中，冲击频率与冲击行程之间相互制约，要想增大冲击行程，必须要减小冲击频率，相反，如果要增大冲击频率，则也必须要减小冲击行程。相关文献指出[16]，冲击行程越大，越有利于碎岩，在钻孔过程中可采用较大冲程的冲击钻机。

由于该工程的灌注桩直径为2.80 m，桩长为30.00 m，因此CK-3000、CK-3200、CK-3500满足要求，从耗电量来看，CK-3000型冲击钻机总功率为140 kW，CK-3200型冲击钻机总功率为142 kW，而CK-3500型冲击钻机总功率为169 kW，该工程建议冲击钻机型号为CK-3000，并在冲击钻机底部加宽基座，保证设备稳固牢靠。

3 结 论

（1） 本文以貴州省北盘江的贞望大桥6号桥墩的桩基工程施工为例，揭示了在钻机冲击振动作用下筑岛平台的位移响应规律。通过计算分析发现，钻机冲击振动作用时平台坡肩的水平和竖向位移最大，分别为-12.90 mm和-15.44 mm。而筑岛平台顶面的水平位位移先减小后增大，最大值为-12.78 mm，不考虑冲击动荷载时的最大水平位移是-10.05 mm，即冲击动荷载可以使水平位移放大1.27倍;竖向位移随着X方向距离的增大而减小，在X=50.45 m处竖向位移最大，为15.83 mm，较不加动荷载时的11.55 mm增加了4.28 mm，放大1.37倍。

（2） 随着土体深度的增加，岛内部的水平位移迅速衰减，当不考虑冲击振动荷载时，水平位移的影响深度为8 m，而考虑冲击荷载时，水平位移的影响深度约为10 m。随着土体深度的增加，岛内部的竖向位移先增加后减小，最后深度大于10.00 m时趋于0。竖向位移最大值位于深度为3 m处。当考虑动荷载后，岛内竖向位移增加了5.44 mm，即增加了85%。

（3） 考虑了50，30，5次/min 3种振动频率，发现岛的位移值随着频率的减小而减小，并且振动频率对竖向位移的影响大于水平位移。

（4） 对比分析了10种冲击钻对筑岛平台变形的影响大小，并基于本文的研究成果，建议贵州省北盘江的贞望大桥6号桥墩的桩基工程施工宜选用CK-3000型冲击钻机。

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（编辑：胡旭东）

Study on deformation mechanism of island platform for bridge pile foundation under impact load

WANG Linfeng，HE Jing，TANG Ning，FU Yifan，ZHOU Nan

（Key Laboratory of Geological Hazards Mitigation for Mountainous Highway and Waterway of Chongqing Municipal Education Commission，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：

In order to study the influence mechanism of impact and vibration load of the drilling rig on the stability and the pile hole shape of a island platform for bridge pile foundation in gorge area with bare rock and deep water，No.6 pier foundation of Zhenwang Bridge on Beipan River in Guizhou Province was simulated by FLAC3D to analyze the deformation mechanism based on dynamic response analysis.The results showed that both the maximum horizontal and vertical displacements all appeared on the slope shoulder of the island platform，while the horizontal displacement of the top surface started to decrease and then increased with the increase of the model length direction（X），and the vertical displacement continued to decrease with the increase of X direction.Under the action of impact load，the horizontal and vertical displacements were respectively magnified by 1.27 and 1.37 times.The horizontal displacement inside the island platform decayed rapidly with the increase of soil depth and the influence depth increased by 2 m，and the increase amplitude of maximum vertical displacement was 85%，where was 3m deep.The displacement of the island platform decreased with the decrease of the impact vibration frequency，and the vertical displacement was greater affected by the impact vibration frequency than the horizontal displacement.At last，the impact of 10 types of percussion drills on the displacement of the island platform were compared and analyzed，and CK-3000 impact drill was recommended for this project.The research results can provide theoretical guidance for pile foundation construction of similar bridges.

Key words：

bridge pile foundation;island platform;deformation mechanism;vibration load;gorge area of bare rock and deep water