基于ABAQUS有限元ALE法的桥梁沉管桩基础施工冲击作用诱发的环境振动仿真分析.docxVIP

基于ABAQUS有限元ALE法的桥梁沉管桩基础

施工冲击作用诱发的环境振动仿真分析

万鹏

江西省交通运输厅

摘要:在城市密集区，建筑施工造成的环境影响问题已引起了广泛关注。沉管灌注桩锤击

施工过程中的最主要影响是振动，严重时将导致房屋沉降、墙体开裂等问题。笔者对某工地

锤击沉管灌注桩的施工振动进行了模拟仿真分析，结合国内外现有的相关规范，进行综合分

析后，判定该项目施工振动的影响在安全范围以内，而后辅助以开挖减振沟、多台桩机间隔

施工等措施。

关键词ABAQUS桩基础桥梁环境振动冲击作用

1.引言

在桥梁施工工序中，沉管桩施工诱发的冲击作用会对其邻近建筑物产生一定的影响，严

重时会导致墙体开裂、房屋倒塌等严重事故。为全面了解桩基施工对周边房屋的振动破坏机

理，寻求合适的施工控制标准，以最大限度地减小对周边环境的影响，不少科研工作者开展

了有关的测试分析和评价研究工作，取得了一些成果。结合某工程，对锤击沉管灌注桩施工

振动对环境的影响进行了仿真分析研究，分析了产生振动的原因，并采取了减小振动的措施。

2.工程背景及模型建立

某工程采用锤击沉管灌注桩基础，桩长16m左右。桩基施工时，周边建筑物内有振感。

为保证周围居民的生命财产安全，同时，又能正常进行桩基施工，建设单位提出在施工时对

周围居民反映强烈的建筑物进行振动测试研究，以便科学地指导施工。

2.1计算假定

地铁引起的环境振动属于微振动范畴，大地中产生的应变较小，一般，可以按弹性介质

考虑，所以模型计算时假定：

（1）土介质为符合线弹性模型的水平成层半空间，每一层土都是由一系列相互独立、

水平方向无限伸展的薄层组成；地下结构材料简化为均质各向同性弹性体。

（2）每一层土为均质、各向同性体，即每层土性质相同，但可随土层不同而改变；动

力作用下，各层土之间、土地下结构之间不发生脱离和相对滑动，即界面满足位移协调的条

件。

（3）混凝土材料均考虑为均质各向同性弹性体。

南昌地下岩土构成自上而下可大致分为：人工填土（Q4ml）、第四系全新统冲积层（Q4al）、

第四系上更新统冲积层（Q3al）、第三系新余群（Exn）基岩，详细土层分布情况见表1。由

于大部分线路区间的地层分布相似，所以本文选取南昌地铁一段具有代表性的线路区间，结

合设计资料中详细土层分布情况、沿线地质纵剖面图及地基土物理力学性质，把用于有限元

计算的土层简化为六层，计算参数如表2所示。

表1南昌土层分布情况

地层时代土层名称层厚（m）分布情况

Q4ml杂填土0.7~6全场分布

Q4al淤泥质粘土0~2.8局部分布

粉质粘土0.8~7.8分布广泛

细砂0.9~8.3分布广泛

中砂0~7.2分布广泛

Q3al

粗砂0~4.7局部分布

砾砂0.1~12.7全场分布

圆砾0.8~9.2全场分布

强风化泥质粉砂岩0.3~3.1局部分布

Exn中风化泥质粉砂岩2.6~19.8全场分布

微风化泥质粉砂岩未揭穿全场分布

表2南昌典型土层参数

序号土层名称层厚(m)密度(kg/m3)剪切波速(m/s)泊松比弹性模量(MPa)

1杂填土31850150.70.38115.96

2粉质黏土41950189.90.38194.09

3砂土61980201.50.35217.06

4砾砂和圆砾122000290.50.32445.58

5中风化泥质粉砂岩152300813.20.253802.44

6微风化泥质粉砂岩2025001085.50.227187.69

2.2桩-土接触模型

ABAQUS的接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，并建立接触对，采用主

－从（Master－Slave）接触算法。选择主、从表面的原则是：从属表面的网格划分更加精细,

若网格密度相近，应选择较柔软的材料表面为从属表面。这里选择土体表面为从属表面，如

在几何模型上，用大尺寸来模拟半无限空间体，计算时土体半径远大于桩横截面的半径（如

土体半径取为桩横截面半径的40-60倍）。

模型建立中，桩体和土体采用C3D8R单元，桩体纵筋采用T3D3单元模拟。桩-土接

触采用摩尔-库伦摩擦罚函数形式。边界条件为：模型底部固定约束，模型外侧径向的位移

约束见图1。分析过程分三步进行，第一步进行初始地应力的平衡，由于桩体和土体的重度

不一样，首先采用假定桩体重度和土体重度一样；然后通过第二步加上桩体和土体实际重度

之间的差值；第三步采用表面载荷形式施加水平力。

图1ABAQUS桩基础沉入模型

2.3建筑物模型

建筑物的梁和柱采用BEAM4单元，楼板为SHE