明挖法施工對周圍巖土體的振動荷載計算

1、明挖法施工產(chǎn)生的振動荷載計算朱爐軍1，楊 東2，鄭林輝3(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.四川省煤田地質(zhì)局一四一地質(zhì)隊，四川 618000；3.重慶607勘察實業(yè)總公司，重慶 400056)摘要：以地下工程明挖施工為背景，在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了明挖施工產(chǎn)生的振動荷載計算模型，將巖土體視為彈性體，借鑒布辛內(nèi)斯克解答，得到了明挖施工對周圍巖土體的振動荷載計算式。相關(guān)研究成果彌補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白，具有理論和實際工程價值。關(guān) 鍵 詞：巖土力學(xué)；振動荷載；布辛內(nèi)斯克解答；明挖施工；地下工程中圖分類號：U 231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Vibration Load Calculation

2、in Cut and Cover MethodZHU Lu-jun1, YANG Dong2, ZHENG Lin-hui3(1. Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China; 2. The one four one geological team of Sichuan Provincial Coal Geology Bureau，Sichuan 618000，China;3. Chongqing 607 survey and industrial Company，Chongqing 400056，China)Abstract：Ta

3、king cut and cover construction in underground engineering as background, on the basis of previous research results, vibration load calculation model in cut and cover method is forged, rock and soil is treated as an elastic material, employing boussinesq·J answer, calculation formula about vibr

4、ation load from cut and cover method is obtained. Related research results are a new field having theoretical and practical engineering value.Key words：rock and soil mechanics；vibration load；boussinesq·J answer；cut and cover method；underground engineering地下工程現(xiàn)有施工方法較多，主要有明挖法、暗挖法（主要指新奧法

5、）、盾構(gòu)法、頂管法和沉管法等。由于明挖法具有施工作業(yè)面多，速度快，工期短，易于保證工程質(zhì)量，工程造價低等優(yōu)點，因此在地面交通和環(huán)境條件允許的前提下，常被采用。明挖法施工的一般程序是：從地表向下開挖基坑至設(shè)計標(biāo)高，然后自下向上構(gòu)筑防水設(shè)施和主體結(jié)構(gòu)，最后回填恢復(fù)路面。對于淺、表部明挖地下工程，由施工帶來的巖土體擾動較小，振動荷載可忽略不計，但對于深度較大的明挖地下工程，常常需要采用振動的方式沉入樁體避免基坑開挖時大量巖土體坍塌，這就不可避免的會對周圍巖土體產(chǎn)生擾動，振動荷載不可忽略。針對明挖施工帶來的振動荷載方面的研究成果，國內(nèi)外雖有相關(guān)報道，但多數(shù)為定性分析，未見嚴(yán)密的理論計算公式，如：楊曉杰

6、等以北京地鐵十號線區(qū)間明挖法施工段為研究背景，采用FLAC3D模擬分析了明挖施工各工序?qū)又苓叺乇淼淖冃斡绊懸?guī)律，結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相吻合1；周光孔研究沉樁振動對周圍環(huán)境的影響，定性、半定量的論述了從控制沉樁設(shè)計到施工的全過程如何避免由于沉樁振動導(dǎo)致周圍建筑物發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞2；儲潔統(tǒng)計分析了國內(nèi)102起地下工程明挖施工的安全事故案例，揭示了可能會導(dǎo)致明挖施工安全事故的因素，對今后從事相關(guān)實踐工程有一定參考價值3；李小彭等借助ANSYS有限元軟件，模擬分析了振動沉樁的動力學(xué)過程，揭示了激振力振幅、頻率和土體強(qiáng)度參數(shù)對樁位移的影響機(jī)理4；馬秉務(wù)、姚愛國在前人研究的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了明挖施工中由于支護(hù)結(jié)構(gòu)變

7、形引起的地表沉降值計算公式，研究成果可為工程設(shè)計提供參考價值5；王莉平研究既有建筑物下明挖基坑施工對樁基及周圍地層的影響，提出了給定地質(zhì)條件下更為合理的明挖基坑施工工序6；麻鳳海應(yīng)用ADINA軟件建立了明挖法深基坑開挖支護(hù)過程的三維模型，分析了地鐵車站深基坑開挖對土體的影響7?？v觀上述研究，明挖施工產(chǎn)生的振動荷載計算未見有詳細(xì)的論述。基于此，本文采用彈性力學(xué)分析方法，計算明挖施工對周圍巖土體產(chǎn)生的振動荷載(此處只考慮由于振動沉樁產(chǎn)生的振動荷載，其他暫且不計)。1 振動沉樁分析模型振動沉樁簡單來說就是利用振動器給樁體施加激振力使樁體振動而沉入土層中，圖1為正在施工中的振動沉樁機(jī)。圖1 振動沉樁機(jī)

8、Fig.1 Vibratory piling machine根據(jù)振動沉樁機(jī)工作方式及相應(yīng)工作原理，建立如圖2所示的振動沉樁過程分析模型： 圖2 振動沉樁分析模型Fig.2 Analysis model of the vibratory piling其中：Fd為振動沉樁機(jī)產(chǎn)生的總激振力（kN），由兩部分組成，一部分是振動錘和配重的靜荷載F0，另一部分是正弦變化的激振力Fv，總激振力Fd計算如式（1）8；qf為樁側(cè)摩阻力（kPa）；G為振動沉樁的自重（kN）；Nt為樁體下沉t時刻樁端阻力（kPa）；L為振動沉樁總長度（m）；l為樁體下沉t時沉入巖土體中的長度（m）。 (1)式中：M為偏心靜力矩（k

9、g·m）；f為振動錘振動頻率（Hz）；為初始相位角（°）。對于實際工程中常用的SAF160型振動錘，樁錘和配重的總重量F0為70kN，偏心靜力矩M=60 kg·m，振動頻率為10 Hz，初始相位=0°。實際在沉樁之前，樁體已有部分伸入土體中，令此部分長度為l0，我們認(rèn)為樁體下沉速度是一定的，用v表示，則t時刻樁體伸入土中長度為l： (2)由于已假定樁體勻速下沉，即樁體在每個時刻皆處于平衡狀態(tài)，所以： (3)式中：Qf為樁側(cè)摩阻力（kN），按下式計算。 (4)聯(lián)立（1）、（2）、（3）和（4）得式（5）： (5)2 振動沉樁過程巖土體中產(chǎn)生的振動荷載求解將

10、樁軸線與地面的交點o作為坐標(biāo)原點，建立定坐標(biāo)系xyz，同時，將樁底端中心o作為動坐標(biāo)系xyz的坐標(biāo)原點。將樁周土體視為彈性體，樁端阻力視為集中力作用于樁端中心，如圖3，則依布辛內(nèi)斯克（Boussinesq·J）解答9，樁端以下任一點M應(yīng)力計算式為：圖3 t時刻樁底M點處應(yīng)力計算模式圖Fig.3 Stress calculation schema of point M in moment t (6)其中： (7)理想情況下，當(dāng)M點位于樁端以上時，作用在土體上的端阻力(端阻力的反力)并不會對該點應(yīng)力有任何影響，則地面下任一點M的應(yīng)力計算式為： (8) (9) (10) (11) (12)

11、 (13)樁端中心點為應(yīng)力奇異點，此處只給出其豎向應(yīng)力z的計算式： (14)至此，振動沉樁機(jī)沉樁過程中，周圍巖土體的振動荷載求解完畢。3 結(jié) 論明挖施工作為地下工程開挖的一種常用施工手段，已經(jīng)普遍被工程技術(shù)人員所掌握。本文以明挖施工產(chǎn)生的振動荷載研究為背景，開展了明挖施工對周圍巖土體振動荷載的計算式推導(dǎo)，總結(jié)如下：（1）由于淺、表部明挖地下工程施工給巖土體帶來的擾動小，本文建立的振動荷載計算方法只針對深度較大的明挖地下工程，并認(rèn)為振動荷載主要源自振動沉樁機(jī)的振動沉樁過程。（2）本文參考了著名的布辛內(nèi)斯克解答，并未考慮土體的塑性特性，將其視為彈性體，求解結(jié)果存在局限性。（3）針對建立的計算方法，

12、文中并未作相應(yīng)的算例，下一步的工作重點是將理論計算方法運用于實際工程中，并與實際情況作對比，檢驗公式的適用性。參考文獻(xiàn)(References)：1 楊曉杰,劉冬明,張帆,等.地鐵隧道明挖法施工基坑支護(hù)穩(wěn)定性研究J.地下空間與工程學(xué)報,2010,6(3):516-520.2 周光孔.沉樁振動對周圍環(huán)境影響的計算J.廣西土木建筑,1997,22(3):89-94.3 儲潔.明挖法地下工程施工安全事故統(tǒng)計及原因分析J.江蘇建筑,2012,(5):52-53.4 李小彭,段澤亮,李濤,等.振動沉樁過程的動力學(xué)仿真分析J.振動與沖擊,2012,31(7):24-26.5 馬秉務(wù),姚愛國.基坑邊緣地面沉降計算方法分析J.西部探礦工程,2004,(1):12-14.6 王莉平.既有建筑物下明挖基坑施工對樁基及周圍地層的影