软土地区钢板桩振动沉桩监测及环境效应分析

陈晓飞

(江苏华东地质建设集团有限公司,江苏 南京 210007)

在基坑绿色支护与建造技术成为城市可持续发展的重要需求的大趋势下,施工工期短、造价低、可回收的钢板桩围护结构得到了越来越广泛的应用[1-5]。与此同时,钢板桩由于其振动沉桩的施工工艺,振动锤带动钢板桩振动,产生的振动波会传播到周边土体和周边建筑物处,这些振动可能会干扰人们生活，并对建筑物造成不同程度的影响。因此,《建筑工程容许振动标准》[6]明确对最大振动速度进行限制,但是难点在于如何能在施工前较准确地预测不同地层条件下、距离振源不同范围内的振动水平。Attewell等[7]基于特定机械和土层情况,给出了钢板桩振动下周边土体振动水平的预测模型。该模型被一直使用至今,但实际预测结果和软土地区的实测结果相差甚远,不具有适用性[8]。近几年,国外部分学者[9-11]对振动沉桩过程中振动从钢板桩到土体的传播全过程进行了监测,认为振动沉桩引起的地表振动受到场地空间条件、土层类别、距振源距离和施工方法等因素共同影响。鉴于上述多种因素的影响,实际中得到准确的预测模型必须建立在大量的监测数据基础上。尤其对于钢板桩推行较广的我国沿海软土地区,急需大量的实测数据支持并建立准确的振动水平预测模型[12-13]。

采用三轴测振仪分别对我国5个钢板桩应用较广泛的沿海软土地区(苏州、连云港、宁波、天津、杭州)进行了振动监测,提取了距离振源不同距离处地表的径向、切向和竖向振动加速度,并利用Matlab和SeismoSignal软件分析了振动峰值加速度和振动峰值速度随测点到振源不同距离下的变化趋势及环境效应,可供相关方向的设计人员参考使用。

1 监测方案

1.1 监测设备和数据处理

振动监测仪器采用上海同禾工程科技有限公司研制的TH-VBR系列三轴测振仪系统,主要由三轴测振仪(测点)、连接线缆及通用数据采集箱组成。三轴测振仪内部配有工业级的MEMS加速度传感器,输出准确的三向加速度值,并可配合采集器、平台使用输出基频、幅值等振动特性值(见图1)。该三轴测振仪量程±2g,分辨率 0.1 mg,可同时监测垂直打桩方向-径向、平行打桩方向-切向和竖向方向的振动加速度。

图1 三轴测振仪Fig.1 Triaxial vibrometer

1.2 监测项目简介

对我国5个沿海软土地区(苏州、连云港、宁波、天津、杭州)的工程项目进行振动监测,分别为苏州某房建地下室项目、连云港某公园地下车库项目、宁波某雨水泵站项目、天津某工业厂房项目和杭州某小区房建项目。5个项目均涉及不同厚度的软土层,具体钢板桩沉桩范围内土层的信息见表1。

表1 5个项目钢板桩沉桩范围内的土层信息

1.3 振动监测方案

采用上述振动信号采集仪进行监测,配 12个加速度传感器,最大可布置12个测点。利用工程尺来准确定位传感器,确保监测点在一条线上，且尺子带有明显刻度,在移动过程中也能确保测点间隔相等,具体测点布置如图2所示。

图2 测点布置Fig.2 Layout of test points

5个地区的项目均采用津西IV型拉森钢板桩,桩长均为12 m。苏州和连云港项目打桩机锤头采用诚立 PCF-350 型,施工频率 3 500 C/min,即 58.3 Hz,最大振力 45 Tons;宁波、天津和杭州项目采用艾思博AXB-450型,施工频率 3 500 C/min,即 58.3 Hz,最大振力 58 Tons。

2 振动现场监测结果

2.1 软土地区典型项目监测结果

以苏州项目为例，分析软土地区振动沉桩对地表振动的影响。苏州项目距离钢板桩1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m测点处监测到的切向、径向和竖向峰值加速度随打桩深度的变化曲线见图3。从图3中可知,3个方向的峰值加速度都在距离钢板桩1 m、2 m和3 m的测点处剧烈震荡,大于3 m以后趋于平缓,表明在该软土地块的振动影响范围主要为距离沉桩3 m范围以内。同时,对比1 m、2 m和3 m的测点处3个方向的峰值加速度得出,地表切向峰值加速度在1 m 测点处的值明显大于2 m测点处的值,而径向峰值加速度2 m处的峰值和切向大致相同,该结果说明切向峰值加速度在接近桩侧明显增加。这个结果一方面和Viking[14]认为桩锤偏心夹持钢板桩,导致钢板桩在沉桩过程中产生水平位移,从而产生附加的水平振动有关;另一方面,随着钢板桩打入较硬土层,水平振动也有增加趋势。

图3 苏州项目各测点3个方向时域分析曲线Fig.3 Time domain analysis curve of each measuring point in suzhou project in three directions

为了解释上述原因,图4绘制了桩打入深度和地表3个方向振动加速度的立面图,直观分析土层情况对3个方向振动的影响。由图4可知,该地块淤泥土层上覆盖了较厚的粉质黏土层,该土层强度较淤泥土高,导致竖向振动响应明显增加。同时切向振动响应也有所增加,表明在较强土质条件下会放大沉桩过程中水平位移的影响。从图4可直观看出在淤泥土附近3个方向的振动响应明显降低。Deckner[15]在其博士论文中指出,沉桩振动受到地层的强弱影响较明显,主要和土的强度及波的传递模式相关。目前根据该项目的监测结果可以证明,淤泥地层竖向的振动响应明显低于硬土层。

图4 苏州项目桩打入深度和地表3个方向振动加速度关系Fig.4 Relation diagram of pile driving depth and vibration acceleration in three directions of ground surface for Suzhou Project

2.2 5个地区振动监测结果对比分析

其余4个项目地块测点与沉桩点不同距离的地表径向加速度监测结果见图5。图5中的振动响应基本和表1中的土层信息对应,表现出软弱土层振动响应弱,较好土层振动响应强的特点。随着沉桩深度范围内土体强度的变化,表层径向峰值加速度也呈现出相应变化。如宁波项目测试地块表层有约5 m厚度的承载力特征值为40的淤泥质土,图5(a)在沉桩0～4 m过程中表层土无振动响应。值得关注的是,天津项目(见图5(b))也类似苏州项目,发现表层径向峰值加速度的幅值出现在距离桩2 m处,而其余3个测试项目地块并未发生此现象(均为随距离增加逐渐递减)。将苏州和天津土层信息与其他项目场地对比发现,产生上述现象的原因可能和表层粉质黏土层强度关系一般,但是相比淤泥土层而言粘聚力较大且土体具有一定结构性,从而导致其存在较大范围的剪切滑移带。图6绘制了沉桩过程中靠近钢板桩板的滑移和应变变化关系,并说明了沉桩在一定范围内土体剪切模量和阻尼比的变化规律。振动过程中滑移带处的土体剪切模量骤减,但是阻尼比显著增加，且由于这两个场地与淤泥土上覆盖土体强度较好的粉质黏土层,阻尼比的增加导致其距离桩侧1 m处的土体振动响应小于距离桩2 m处的测点。

图5 软土地区项目各测点径向时域分析曲线Fig.5 Time domain analysis curve of radial acceleration on each measuring point in soft soil area project

图6 靠近板桩轴的滑移和应变变化示意图 Fig.6 Schematic illustration of slippage and variationof strain in close proximity to a sheet pile shaft

2.3 典型地区频域处理结果分析

借助Matlab对苏州项目的监测时域加速度数据进行傅里叶变换,得到频域下的峰值加速度-频率关系曲线如图7所示。从图7可知,3个方向距离钢板桩不同测点处的振动峰值加速度随着距离增加明显降低,当测点距振源距离达到6 m时,振动主频处的峰值加速度只有场地最大峰值加速的十分之一左右。同时,从图7中明显看到振动主频率不随距离的增加而变化,均在50 Hz左右,接近打桩机锤头的频率58.3 Hz,这表明振动主频在一定沉桩范围内不发生变化。

图7 苏州项目各测点3个方向频域分析曲线Fig.7 Frequency domain analysis curve of each measuring point in tianjin project in three directions

2.4 5个地区频域处理结果对比分析

为进一步证实振动主频率和沉桩范围内的规律以及影响因素,绘制剩余4个项目的沉桩频域下的峰值加速度-频率关系曲线，如图8所示。从图8可知,除了连云港项目,其余项目的振动主频数值均和苏州项目相似,接近50 Hz。而连云港项目(见图8(d))由于该沉桩附近土体多为吹填土,土质条件极差且含水率高,略微振动即导致桩体在桩自身重力下完成沉桩,故可能其本身机械频率未达到实际工作频率,该结果也间接说明,沉桩附近土体的振动响应频率和土层性质无关,而与打桩机锤头施工的频率相关。

图8 软土地区项目各测点径向频域分析曲线Fig.8 Frequency domain analysis curve of radial acceleration on each measuring point in soft soil area project

3 振动变化规律

3.1 峰值加速度衰减分析

软土地区5个项目3个方向的加速度衰减曲线如图9所示。从图9可知,上述软土地区的场地峰值加速度在3 m范围内即发生迅速衰减;随着距离的增加,衰减趋于平缓;当距离大于6 m后峰值加速度逐渐趋于0。从上述结果可得软土地区振动沉桩的影响范围有限,在一定范围以外对周边环境的影响较小。

图9 软土地区项目各测点3个方向加速度衰减曲线Fig.9 Acceleration attenuation curves of each measuring point in soft soil area in three directions

3.2 峰值速度衰减分析

目前所有行业规范评价项目对周边建筑物的影响时,均参考抗震设计中的峰值速度指标进行判断。研究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,得到峰值速度值随距离的衰减曲线如图10所示。针对峰值速度衰减的拟合方程,Athanasopoulos等[16]进行了现场监测,并分析了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。通过对软土地区的数据进行拟合发现,指数函数偏差较大,采用对数函数公式对峰值速度-距离关系进行拟合较为准确,公式表示为

V=a+blnr，

(1)

其中:V为距振源距离为r的速度;a、b为拟合参数。

由图10可见,对数函数能较好地拟合峰值速度监测数据点,对于天津和宁波地质条件较好的土层,峰值速度在0～3 m范围内衰减迅速,3～8 m范围内缓慢衰减。对于其余3个项目监测地块内的峰值速度较低,钢板桩沉桩引起的振动在距振源4 m范围内衰减,而后影响趋于较低水平。

图10 软土地区项目各测点3个方向速度衰减曲线Fig.10 Speed attenuation curves of each measuring point in soft soil area in three directions

《建筑工程容许振动标准》[6]中对工业和公共建筑、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。将容许振动速度峰值作为上述5个项目的峰值速度拟合公式的函数值,求出振源距离r值,该r值即为满足容许峰值的钢板桩沉桩的最小安全距离，其计算公式为

(2)

其中:Vr为容许振动速度峰值;rmin为容许最小安全距离。计算结果见表2。

由表2可知,在软土地区对于工业和公共建筑保证建筑物在沉桩范围2.5 m以外即可满足规范要求;对于居住建筑则需要控制在4.2 m以外;而对于振动敏感且具有保护价值的建筑,则需要控制在6 m以外,并可根据土质条件的不同进行适当的放宽。尤其对于深厚软土层区域,如苏州和连云港项目,保证钢板桩沉桩点到建筑物距离大于3 m即可满足所有建筑物类型的规范要求。

表2 5个项目钢板桩沉桩的最小安全距离

4 结语

通过对5个软土地区的项目进行钢板桩沉桩振动监测,提取了距离振源不同距离处地表的径向、切向和竖向的振动加速度,并利用Matlab和SeismoSignal软件分析了振动峰值加速度和振动峰值速度随着测点到振源不同距离下的变化趋势,得到如下结论:

(1) 钢板桩在软土地区的土体中的贯入速率快,地面振动响应弱。3个方向的峰值加速度都在距离钢板桩1 m、2 m和3 m的测点处剧烈震荡,大于3 m 以后趋于平缓,表明在该软土地块振动引起的环境效应主要在距离沉桩3 m范围以内。

(2) 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,但需要考虑到表层覆盖土体参数和剪切带对二者的影响。

(3) 振源距离和土层性质对钢板桩施工引起的地面振动主频率影响不大,而与打桩机锤头施工的频率相关。

(4) 对于深厚软土层地区,保证钢板桩沉桩点到建筑物距离大于3 m，即可满足所有建筑物类型的规范要求。