钢板桩施工振动现场监测分析*

陈建峰 姚宇昂 张菊连 姚鸿梁

(①同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092，中国)(②上海宏信设备工程有限公司，上海 201806，中国)(③上海同禾工程科技有限公司，上海 200092，中国)

0 引 言

钢板桩是一种新型环保支护材料，具有可重复利用、耐久性强、安全可靠等优势，自20世纪50年代首次应用于铁路桥梁围堰施工以来，已广泛应用于防堤护岸、基坑支护、建桥围堰等工程中(李仁民等，2010；侯军，2011；张骏，2012；张玉成等，2012；豆红强等，2018)。

打桩施工会引起地面的振动，可能对周边建(构)筑物产生影响(高广运等，2018，2019；郑海忠等，2020)。尽管钢板桩是一种部分挤土桩，但振动施工仍会引起明显的地面振动。一些学者已对钢板桩施工振动开展了现场监测和分析。Viking(2002)进行了钢板桩施工的足尺试验，认为钢板桩打入性能与场地条件、桩锤参数和钢板桩参数等因素有关。Lidén(2012)分析了钢板桩振动沉桩监测数据，认为土性对振动衰减影响显著，并且发现当钢板桩打至较硬土层时，振动幅值随之增大。Deckner et al.(2015a，2015b)分析了已有的钢板桩施工监测数据，认为打桩引起的地面振动主要受场地条件、振源距离和施工方法等因素的影响。Athanasopoulos et al.(2000)进行了现场监测，并分析不同学者得出的钢板桩施工振动时地面速度的衰减曲线，认为利用指数函数公式可以很好地拟合衰减规律。此外，国内外专家学者也对振动衰减规律及环境影响评估进行了研究。Attewell et al.(1992)对振动打桩时周边地面振动速度进行了监测，指出采用二次双对数形式可以更好地描述振动衰减规律。胡建敏等(2001)对钢板桩施工进行了振动速度监测，分析了钢板桩对周边建(构)筑物的影响。

目前对钢板桩施工振动的现场监测还不多，本文采用自主设计的地面振动加速度监测系统对3个不同土性场地的钢板桩施工进行了现场监测，以研究不同土性条件下钢板桩施工振动特性及衰减规律。

1 场地工程概况

本文对3个场地进行现场监测，分别为福建省宁德市某快堆厂地下室基坑支护工程、北京市某高铁桥梁承台施工临时支护工程和江西省九江市某污水处理厂基坑支护工程。表1为3个场地钢板桩入土土层的物理力学指标。

表1 3个场地钢板桩入土土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the penetrated soil layers in three sites

3个场地所使用的钢板桩型号均为拉森Ⅱ型钢板桩，长度为15m。但由于施工需要地面预留1m桩长，因此实际打入的有效桩长为14m。钢板桩的动弹性模量为173.4GPa，阻尼比为0.04，自振频率为4.4Hz。场地一和场地二采用PCF-350型号的桩锤，可打入最大桩长16m，施工频率47Hz；场地三采用ZA2019B2-02型号的桩锤，可打入最大桩长18m，施工频率58Hz。

2 监测系统及方案

图1 地面振动加速度监测系统Fig.1 Ground vibration acceleration monitoring systema.监测系统排布图；b.信号处理单元；c.三轴测振仪

本文中监测沿测线距钢板桩4m范围内每隔1m共布置5个测点，4m以外每隔2m共布置2个测点。每个场地均监测了2个水平方向和1个垂直方向的加速度，分别表示为切向T、径向L和竖向V(图2)。图3为在场地二的现场监测情况。

图2 测试方案示意图Fig.2 Schematic chart of the monitoring program

图3 场地二的现场监测情况Fig.3 Steel sheet pile monitoring scene

3 监测结果分析

3.1 振动加速度

图4为3个场地距离钢板桩1m处测点所监测的径向、切向和竖向峰值加速度随打桩深度的变化曲线。由图可见，3个场地的3个方向峰值加速度随深度有显著的波动；场地一的峰值加速度全局最大值仅为0.038g，而场地二和场地三的峰值加速度全局最大值分别为0.45g和0.52g，分别要比场地一的值大11.8倍和13.7倍。Viking(2002a,2002b)、Lidén(2012)和Deckner et al.(2015b)指出，土的强度会对打桩振动产生显著影响。可以看到，场地二和场地三土体的黏聚力以及内摩擦角均为场地一的2～3倍，其加速度值则相差更大。Martin(1980)、Head et al.(1992)认为，在高阻力的土体中，打入桩的贯入速率低，则有更多的能量转化为地面振动，而在低阻力的土体中，打入桩的贯入速率快，几乎没有能量转化为振动。这解释了本文不同土性中钢板桩施工实测峰值加速度的差异。场地一主要为淤泥质土，钢板桩在淤泥质土中遇到的阻力低，所引起的地面振动响应微弱；而场地二和场地三的土性较好，其地基承载力特征值为140kPa，是淤泥质土地基承载力特征值的2.3倍左右，所引起的地面振动加速度要比场地一大10多倍。

图4 不同方向加速度随深度的变化Fig.4 Changes of acceleration in different directions with deptha.场地一；b.场地二；c.场地三

从图4中可以看出，场地二在1m、6～8m和10.5m深度附近位置竖向加速度偏大，场地三在约2.5m深度竖向加速度偏大。这是因为钢板桩在桩锤竖向振动下打入土体中，当土性较好、地基阻力较大时，除钢板桩本身与地面接触处引起地面的竖向振动外，已打入土层中的桩身和桩端位置的竖向振动也会传至地面，产生叠加效应；此外，土体在受迫振动下会产生一定幅度的共振效应，可使得地面的竖向加速度出现偏大情况。

从图4中还可看出，钢板桩打入过程中引起的地面径向和切向加速度在同一深度比较接近，且随着深度的增加有增大的趋势。Viking(2002a,2002b)和Whenham(2011)认为桩锤偏心夹持钢板桩，导致钢板桩在打入过程中产生水平位移，从而产生附加的水平振动。随着钢板桩打入深度的增加，附加水平振动也应有增大的趋势。

3.2 振动频率

为分析振源距离对振动频率分布的影响，以场地二为例，绘制不同振源距离下的频域曲线(图5)。由图5可见，不同振源距离下振动的主频率集中在32.2～34.3Hz；同时随着振源距离的增大，主频率略有减小，主频率对应的频域竖向加速度则快速减小，如距振源1m的主频率为34.3Hz左右，对应的竖向加速度为0.02g，而距振源9m的主频率为32.2Hz左右，对应的竖向加速度锐减为0.001g。胡建敏等(2001)对长江堤防钢板桩防渗墙施工监测，发现地面的振动频率在距振源0.4～34.4m的范围内均保持在18～19Hz附近。这表明振源距离对土体振动主频率量值影响不大。

图5 场地二不同振源距离下的频域曲线Fig.5 Spectrum curves vary with source distance at Site 2

图6为距离振源1m处3个场地竖向加速度时域曲线作快速傅里叶变换后所得到频域曲线。为方便对比，纵轴使用傅里叶振幅，并对场地一振幅放大。由图可见，场地一和场地二振动主频率为34.3Hz左右，约为桩锤施工频率(47Hz)的73%；场地三振动主频率为47Hz左右，约为桩锤施工频率(58Hz)的81%。Athanasopoulos(2000)监测了钢板桩施工时的场地地面土体振动，获得了25Hz、40Hz和50Hz桩锤频率下地面振动主频率分别为17Hz、25Hz和40Hz左右。图7为本文和Athanasopoulos(2000)获得的地面振动主频率与桩锤施工频率关系，可见两者呈较好的线性正相关关系，表明场地地面振动主频率与桩锤施工频率直接相关，而与场地土性相关性不大。

图6 桩锤振动频率对场地的影响Fig.6 Influence of vibration frequency of driver instrumentation on site

图7 地面振动主频率与桩锤施工频率之间的关系Fig.7 Relationship between dominant frequency of site vibration and the frequency of pile hammer

3.3 振动衰减规律及对周边的影响评价

为分析钢板桩施工引起的地面振动衰减规律，并评价其对周边建筑物的影响，采用地震波处理软件SeismoSignal对3个方向加速度监测数据进行积分，获得峰值速度数据，绘制峰值速度值随距离的衰减曲线如图8所示。采用指数函数公式对峰值速度-距离关系进行拟合，公式如下：

V=a×r-b

(1)

式中：V为距振源r处的速度；a、b为拟合系数。

由图8可见，指数函数能较好地拟合峰值速度监测数据点；钢板桩施工引起的振动在距振源4m范围内衰减迅速，而后衰减平缓。

图8 峰值速度衰减曲线Fig.8 Peak velocity attenuation curvea.场地一；b.场地二；c.场地三

《建筑工程容许振动标准》(2013)对工业和公共建筑、居住建筑、振动敏感且具有保护价值建筑的3类建筑给出了容许振动速度峰值。按照规范取场地振动标称频率为25Hz，这里用基础处容许振动速度峰值作为上述3个场地峰值速度拟合公式的函数值，反求振源距离r值，见表2所示，该r值即为满足容许峰值的钢板桩施工最小安全距离。正如前面分析的结果，场地一土性差，振动幅值小，钢板桩施工最小安全距离较场地二和场地三要小很多。

表2 不同建筑物条件下场地最小安全距离Table 2 Safety distance of sites under different building conditions

根据Athanasopoulos(2000)的监测数据，在土性较好的粉细砂场地进行钢板桩施工时，距振源11.4m处监测到的地面最大振动速度只有1.25mm·s-1，与本文得到的结果相差不大，符合第三类建筑的要求。许锡昌等(2003)对武汉市软土地基锤击沉管灌注桩施工进行监测，得到最小安全距离为60m左右。可以看到，在土性较好场地施工钢板桩安全距离仍远小于挤土型桩基在土性较差场地的安全距离。

4 结 论

本文采用自主设计的地面振动加速度监测系统对3个不同土性场地的钢板桩施工进行了现场监测，分析了钢板桩施工过程中的地面振动峰值加速度和振动频率特性，并探讨了振动衰减规律及对周边建筑物的影响。论文得到如下主要结论：

(1)钢板桩在低阻力土体中的贯入速率快，地面振动响应弱，而在高阻力的土体中贯入速率慢，地面振动相对大很多。钢板桩施工引起的地面径向和切向加速度在同一深度比较接近，且随着深度的增加有增大的趋势。

(2)振源距离和土性对钢板桩施工引起的场地地面振动主频率影响不大。场地地面振动主频率与桩锤施工频率直接相关，两者呈较好的线性正相关关系。

(3)钢板桩施工振动在距振源4m范围内衰减迅速，其施工对周围建筑物的最小安全距离要远小于挤土型桩基的施工。