第4卷 第4期2007年8月铁道科学与工程学报
JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERINGVol14 No14
Aug.2007
施工振动对房屋结构安全影响分析与鉴定
方东升
(湖南省第六工程公司,湖南长沙410015)
Ξ
摘 要:通过对振动打桩机系统的理论分析和土体振动分析,提出了施工振动对邻近房屋结构安全性影响分析的4种方法。结合民用房屋结构安全性鉴定的要求,提出了施工振动对邻近房屋结构安全性影响的鉴定基本原则。通过一个工程鉴定实例应用,验证了施工振动对邻近房屋建筑结构安全性影响鉴定基本原则的合理性。关键词:振动打桩机;施工影响;房屋结构安全性鉴定
中图分类号:TU71 文献标识码:A 文章编号:1672-7029(2007)04-0065-06
Appraisementandanalysisofinfluenceofvibrationduringconstruction
onsafetyofbuildingstructures
FANGDong2(HunanNo.6Engineering,)
Abstract:4kindsofwaysofonofnearbuildingstructureswerepresentedbyanalyzingthetheoryofandthesoilvibration.Inaddition,afundamentalprincipleforapprais2ingofinconstructiononsafetyofthenearbuildingstructureswasproposedaccordingtotheappraisalofcivilbuildings.Andthereasonabilityoftheabovefundamentalprinciplewasverifiedbyapplyinghimintoapracticalproject.
Keywords:vibration-impactpiledriver;effectsofconstruction;appraisementofsafetyofbuildingstructures
振动桩具有贯入力强、使用方便、施工速度快、成本低等特点,因而振动打桩机在桩基施工中有着广泛的应用,但由于振动打桩机施工时,对邻近房屋建筑有一定的影响,常造成工程停工和大量经济纠纷,给工程建设和施工单位带来了不必要的经济损失。振动打桩机施工振动和噪声对环境的影响
[1]
(G可分别依据《城市区域环境振动标准》B
10070—88)和《城市区域环境噪声标准》(GB3096—93)来判断评定,但其振动对邻近房屋结构安全性的影响还缺乏科学认识,还没有明确的检测技术标准,因此,对振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响进行理论研究与工程经验总结,提出对这种影响的识别方法、检测手段与技术标准,具有现实工程意义。
1 振动打桩机沉桩分析
振动打桩机的理论分析一般采用巴尔坎提出的单自由度振动理论[2],把桩看做一个均质刚体,土壤为其弹性支撑。桩与土壤组成一个单自由度的振动体系[3]。
对于该单自由度的振动体系,其动力微分方程为:
・・・2
(1)x+2nx+ωnx=psin(ωt)。其中:ω2n=c/m;2n=r/m;p=p0/m。
式(1)通解为:
x=Ae
-ωt
sin(2n-n2・t+2)+
)Asin(ωt-φ
(2)
对稳态的受迫振动体系,其振幅和相位角为:
Ξ收稿日期:2007-06-20
作者简介:方东升(1963-),男,湖南平江人,高级工程师,总工程师,从事建筑工程施工研究与管理
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A=A0
2
(2vZ)2+(1-Z2)2
铁道科学与工程学报2007年8月
;φ=arctan
1-Z
2。
动作用下会引起一种固定不变的稳态振动,这种协调振动传播给和桩接触的土壤粒子,使土壤的抗剪强度降低,产生剪切和相对位移等复杂变形,即振动使土壤静摩擦力急剧下降。以Tv表示通过振动后降低了的桩土摩擦力,μ表示静摩擦力T变为Tv时的降低率,而振动打桩机的激振力p0和摩擦力存在以下关系式:
(4)p0≥Tv=μT。从式(4)可看出,系数μ主要由振动加速度的
大小支配,试验表明:随着振动加速度的增加,桩周、桩端的土壤产生假液化现象,此时桩的前端阻力和侧面摩擦阻力减少得非常显著。为便于讨论,用η来表示振动加速度与重力加速度之比:η=a/g。因为
2
ω2sin(ω-φ)a=2,a=Adt
当sin(ωt-φ)=1时,Aω2,而p0=
m0,A0e/(3)
式中:v=n/ωn;Z=ω
/ω
n;A0=m0e/m。
幅频特性曲线见图1。
μT/()v/(mg)
(5)
,当桩处于静态时(η=0),桩阻力有一极大值Tmax,随着振动加速度a的增大,阻力T减至最小
Tmin,但阻力并不随加速度的增加而趋近于零,而是
(a)-v:1-1;2-0.5;3-0.375;4-0.25;5-0.10;6-0.15;
7-0.65;(b)-v:1-1.0;2-0.5;3-0.2;4-0.125
图1 幅频特性曲线
Fig.1Macharacteristiccurvesofmultiandfrequency
趋近某一极限值。因而可用下式表示出极限静摩擦力Tmax和极限动摩擦力Tvmin的关系:
=-β(Tv-Tvmin);dη
η-β
Tv=Tvmin+(Tmax-Tvmin)e。
从图1可知:①当Zµ1(ωµωn)时振幅A趋近于一定值A0。A=A0=m0e/m,说明振动体的振幅这时不因外界条件的变化而增减。也就是当振
动体的自振频率ωn或阻力系数r改变时,A基本保
(2)Z=1(即ω=ωn)时,A/A0=1/(2v),持不变。
(6)
表明振动体振幅受到粘滞阻尼的限制。当阻尼很小时,A≥A0,即产生共振。共振时振动器的偏心力矩m0e不变,而振幅A增大是振动打桩机所希望的,但这时振幅不稳定,当外界条件变化时,振幅将锐减。在设计振动打桩机时,由于共振工况(1)沉
桩振动打桩机的参数确定比较困难,所以一般选择(1),采用较高的振动频率ω。
式中:β为振动影响系数。对于一般钢桩,β取052。从上式可看出,要减小阻力就要增大η,但对于
β=5时,e-x已只有7/1000。e-x,当x=η所以,无
限度地增大η并不能带来更多的好处。一般η取10左右,也就是振动加速度a=x″取10g左右,就能满足沉桩需要,因在振动打桩机中加速度不是其基本参数。
从amax=Aω2可知,加大ω比加大A更易获得大的振动加速度,振动打桩机的基本参数是频率ω和振幅A。由幅频特性分析可知,振动体振幅一般不因外界条件变化而增减,振动打桩机的实际工作振幅都不大于10mm,振动打桩机的最基本参数是频率ω。选择振动打桩机的频率时要结合桩锤重量、类型与桩锤阻力对振动桩锤作相应的频率和力矩调整,以接近土壤频率,使沉桩阻力最小,功率利用系数最高。
目前国内生产的振动桩锤多采用电动机驱动,
2 土体振动分析
静止存在于土里的桩,与土之间有着某种量的静摩擦力,如果对桩给以强迫振动,则桩在强迫振
第4期方东升,等:施工振动对房屋结构安全影响分析与鉴定
67
其转速多选择800～1500r/min,从振动桩锤和地层条件两方面考虑,激振频率ω在80～160s-1之间[4]。根据经验得到的不同地层激振器最佳频率范围ω/s-1:含饱和水的砂石土,100～200s-1;塑性粘土及含砂粘土,90～100s-1;坚实粘土,70～75s-1;含砾石的粘土,60～70s-1;含砂的砾石土,50～60s-1。
土在桩的稳态振动作用下,桩与土壤粒子、土壤粒子与土壤粒子间协调振动,便形成了桩施工地震波。目前由于土层的不均匀性,地震波的反射与折射等,地震波的理论计算离应用还有一定距离,大多采用观测分析。各种振动桩锤激振力所引起的土粒振动速度实验曲线[5]如图2所示。由该图可知,振动打桩机对桩周围土纵向振动的明显影响范围约在16m内
。
(G按《建筑抗震设计规范》B50011—2001)[6]规定
采用,但地震影响系数或加速度时程曲线可按以下
2种方法确定。
3.1.1 采用正弦波反应谱
由于施工振动距邻近房屋不远,偏安全不考虑土的衰减,房屋结构地面输入可采用前“1”分析结果的高频稳态振动解:
・・2
x(t)+ωA0sin(ωt),A0=m0e/m。
(7)
结合前土的振动分析结果,振动桩锤激振频率
ω取80～160s-1,同时取ζ=0.05。
这样正弦波反应谱为:
Sa=|a(t)|max=
ω|
∫
t
・・
ω(t-τ)
)e-ζ)dτ|max。(8)x(τsinω(t-τ
3.1.2 采用地震影响系数曲线
地面峰值速度、・・・
振动解xmax=2A0,x,然后结[7]确定,,、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比由规范[6]的地震影响系数曲线确定
1-50%的变频变矩振动桩锤;2-变频变矩高频振动桩锤;3-普通振动桩锤(包括起动)
施工振动对房屋结构振动影响系数。3.2 简化法
反应谱法不但是结构地震反应分析行之有效的方法,而且由于振动桩施工振动源的稳态振动易于把握,震源近,当用于分析对房屋结构的反应时将更准确。但施工振动不同于自然地震,它属于浅地表的局部场地运动,产生的地震频率与自然地震相比高而窄,波沿传播方向衰减快。因此,在反应谱法基础上完全可结合房屋结构安全性鉴定的要求合理简化计算。3.2.1 烈度法
图2 土粒振动速度实验曲线
Fig.2Testcurvesinvelocityofsoilparticlesvibration
3 振动对邻近房屋结构安全性影响
分析
3.1 反应谱法
振动桩施工对邻近房屋结构的影响过程与地震对房屋结构的反应类似,施工地面振动以波动形式向周围传播,邻近房屋结构因在基础处输入地面震动而产生振动响应,其响应大小不仅与地面震动强度、特性和持续时间等有关,而且还与建筑物的振动特性有关,考虑邻近建筑物是否安全时,还与邻近建筑物的现有抗震能力有关。
因此,振动桩施工对邻近房屋结构安全性的影响比较精确分析,首先可采用振型分解反应谱法计算其对房屋结构的作用,然后按弹性方法分析其内力,并与重力荷载代表值作用下的内力组合,最后按承载能力极限状态方法验算房屋结构安全性。其中重力荷载代表值、内力组合与承载力调整系数可
在地震区,地面峰值速度、峰值加速度可采用
前高频稳态振动解或根据距振动桩与房屋结构等距离处实测的振动波形图确定地面峰值速度、峰值加速度,然后结合人的感觉与房屋震动程度按地震烈度表[7]确定房屋震动烈度,将此烈度与房屋结构的设防烈度作对比,如果房屋震动烈度比房屋结构的设防烈度小,当房屋震动烈度≤Ⅴ度时,可直接作结论,振动桩施工对邻近房屋结构的安全性没有影响;但当房屋震动烈度>Ⅴ度时,则应采用反应谱法分析其影响。3.2.2 峰值速度法
Northwood和Wiss等对于地面震动进行了研
68
铁道科学与工程学报2007年8月
究,结果表明,质点峰值速度与结构破坏关系最大,认为质点峰值速度是分析地面破坏的最佳参数。其主要依据是,在地面震动峰值速度相同的情况下,对邻近建筑物的影响与地面震动特性无关[8]。我国
(G《爆破安全规程》B6722—2003)[9]采用建筑物所
在地质点峰值速度和主振频率作为振动判据,当振动桩锤激振频率ω在80～160s-1之间时,则建筑物所在地质点主振频率为12～26Hz,可查得一般砖房建筑物的安全允许振速为0.023～0.028m/s,钢筋混凝土结构建筑物的安全允许振速为0.035～0.045m/s。我国规范[6]规定抗震设防为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计。对此可以理解为地震烈度表中5度及以下的地面震动对一个正常使用、结构安全的房屋结构的安全性不会造成实质性影响。这样就可从地震烈度表中5度的峰值速度规定中推出房屋结构地震安全允许振速为0.02～0.04m/s,它与房屋结构爆破安全允许振速有良好的一致性。由于振动桩施工对邻近房屋结构的影响过程与爆破、地震引起地基震动对房屋结构的反应类似,因而,m/s,0316m时,则应采用峰值速度法分析其影响。
4 施工振动对邻近房屋结构安全性
影响鉴定基本原则
一般民用建筑的鉴定依据《民用建筑可靠性鉴
(G定标准》B50292-1999)[10]进行。安全性的鉴定评级,应按构件、子单元和鉴定单元分三个层次。每一层次分为4个安全性等级,并应按标准规定的检查项目和步骤,从第1层开始,分层进行。
施工振动对邻近房屋结构安全性影响的鉴定应在邻近房屋结构安全性全面鉴定的基础上进行,切不可单一鉴定。施工振动对房屋结构安全性的影响作为影响房屋结构安全性鉴定的因素之一,通过,可作出有无影响的判断。、,前面的方法。前面的方法鉴定出振动桩施工对邻近房屋结构安全性有影响时,则还应采用紧邻后面的方法分析,直至反应谱法。
对于有影响的邻近房屋结构安全性的鉴定,一定要分清影响程度,看该影响是否造成邻近房屋结构安全性的实质性损害,才作出鉴定结论。如果施工振动对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋应能承受的范围内,而邻近房屋结构已产生损坏,就要看施工振动对邻近房屋安全性的影响是否造成结构鉴定级别的降低,如果造成结构鉴定级别的降低,则只承担邻近房屋结构损坏的部分责任,否则不应承担责任。当然,如果振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋不能承受的范围内,而降低了结构鉴定级别,则施工振动对邻近房屋结构安全性的影响有实质性损害,而要承担邻近房屋结构损坏的主要责任。
,当建筑物所在地质点峰值速度≤振动桩施工对邻近房屋结构影响的安全允许振速时,可直接得出结论,振动桩施工对邻近房屋结构的安全性没有影响,当建筑物所在地质点峰值速度大于振动桩施工对邻近房屋结构影响的安全允许振速时,则应采用烈度法或反应谱法分析其影响。3.2.3 安全距离法
我国规程[9]除给出建筑物所在地质点的安全允许振速外,还给出了建筑物的安全允许距离及其计算方法。虽然振动桩施工对邻近房屋结构影响的安全允许距离的理论计算有一定的难度,但各种振动桩锤激振力所引起的土粒振动速度实验曲线比较成熟,如图3所示。由该图可知,振动打桩机对桩周围土纵向振动的明显影响范围约在16m内,其最大土粒振动速度≤0.016m/s
鉴定时,用钢尺或全站仪测量房屋到振动桩施工点的距离s,当s≤16m时,可直接作结论,振动桩施工对邻近房屋结构的安全性没有影响,当s>
5 鉴定实例
某高速公路管理处综合楼桩基础采用振动灌注桩,使用电动振动打桩机施工,桩振动频率f约1700次/min。邻近二层住宅住户认为振动打桩机施
工对他们住宅有影响,导致综合楼桩基础施工无法正常进行。
第4期方东升,等:施工振动对房屋结构安全影响分析与鉴定
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5.1 现场概况5.2 施工振动对住宅结构安全性影响分析
(1)按施工振动对邻近房屋结构安全性影响
综合楼与住宅的底层平面及在总平面布置图上的相对位置见图3,实测综合楼底层平面外墙到住宅的底层平面外墙的最短距离约76m。综合楼室外平面与住宅的室外平面约在同一标高水平面上。综合楼基础采用350振动灌注混凝土桩,桩进入卵石层1.0m,桩长≥7.0m,现已施工完成50多根桩,还余约160根桩未施工,已施工完桩的桩长最长≤8.0m。住宅建于2000年冬、2001春投入使用,为二层砖混结构,由6户组成,每户长11m,宽8.5m。在西边第1户与第2户间设变形缝,分户墙为双240mm横墙,其他分户墙为单240mm横墙。楼板与顶蓬为预制板,屋面为双坡瓦屋面,南、北面设有阳台。两道钢筋混凝土圈梁设在屋顶、地面处,虽在双240mm横墙处断开,但分别形成2个封闭圈梁。住宅每户底层厅内2层楼面设有跨度约5m的钢筋混凝土梁,如图3虚线所示,仅在该梁下设有钢筋混凝土构造柱。住宅单墙砖砌条基大放脚宽约800mm,双墙砖砌条基大放脚宽约1600mm,埋深约2m。水平面上,,m。1.6～4.7m;1.6m为粉土,厚度为1.4～5.4m6.7m为淤泥质土,厚度为0～4.7m,仅东南角位置见到;再以下为卵石,卵石埋
鉴定基本原则,首先采用安全距离法,实测综合楼
底层平面外墙到住宅的底层平面外墙的最短距离约76m,大于16m,则可直接得出振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋能承受的范围内。
(2)应业主要求,实测了打桩时在不同距离处的振动波形图,如图4所示。图形和数据显示正在施工的振动桩,其同心圆半径9m以外的振动波形十分微弱,其峰值速度≤0.02m/s,按峰值速度法也可得出振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋能承受的范围内
。
深6.1～7.6m,有波状起伏。住宅可见裂缝主要有:①西面分户双墙间,从二楼楼板底至地面外墙瓷砖面层竖向断裂,有一宽约0.7mm竖向裂缝;②西面第一户底层厅内楼梯口,图3虚线所示钢筋混凝土梁下构造柱与墙间底层范围内,有一宽约0.4mm竖向裂缝;③西面第3户底层厅内图3虚线所示钢筋混凝土梁与东分户墙开间南面外墙窗下的外墙瓷砖面层竖向断裂,有一宽约0.5mm竖向裂缝;④6户住宅有几处二楼楼面预制板两块之间缝隙通缝,且通缝两端在横墙竖向向下延伸500～600mm
。
离桩的距离/m:1-3;2-6;3-9;4-25;5-67
图4 振动波形
Fig.4Waveformsofvibration
5.3 住宅裂缝成因分析
(1)在住宅4种主要可见裂缝中未见明显交叉
或分叉斜裂缝,可见裂缝不具地震或振动形成裂缝明显特征。
(2)裂缝①第1户与第2户间的分户双墙间竖向裂缝为住宅温度变形缝,是允许的,不影响住宅结构安全,但装修处理不当会引起瓷砖面层竖向断裂。
(3)从综合楼岩土工程勘察报告可知住宅条
基基础可能放置在厚度为1.6～4.7m的素填土或厚度为1.4～5.6m的粉土等中软土层上。裂缝②、裂缝③可能为基础不均匀沉降、钢筋混凝土圈梁
图3 钢筋混凝土梁相对位置
Fig.3Relativepositionofconcretebeam
或柱与砖砌体间拉接不够、温度变形不一致等因素
70
铁道科学与工程学报2007年8月
综合影响的结果。
(4)裂缝④产生的主要原因为钢筋混凝土板与墙的拉结较弱或墙体粉刷基层厚度不匀等使板与墙或墙基层的温度变形不一致。5.4 鉴定结论
综合楼施工不是住宅所产生的裂缝的直接原因,至多引起住宅轻微振动,但这应在正常使用、结构良好的住宅可接受的范围内。鉴于住宅可见裂缝现状,加强对住宅可见裂缝的观测,若又有进一步的发展变化,则必须采取必要的措施。
YANGZhen-zhong.Optimizationofimpactpositionandsimulationofsmallvibratorypiledriver[J].JournalofHy2draulicEngineering,1999,8:72-76.
[3]贾武学.振动打桩机沉桩的理论计算[J].机械研究与
应用,1999,9:20-22.
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[5]蔡绍琚.液压控制式变频变矩高频振动桩锤[J].建筑
6 结 语
(1)振动打桩机的基本参数是频率ω和振幅
A。振动打桩机的实际工作振幅都不大于10mm,
机械,1998(12):19-21.
CAIShao2ju.Variable-frequency&-eccentricmo2menthighfrequencyvibrationpilehydrauliccon2].C,):19-21.[6],G—,Cdesignofbuildings[S].],等.抗震工程学[M].北京:中
振动打桩机的最基本参数是频率ω。
(2)国内电动机驱动的振动桩锤转速多选择
在800～1500r/min范围内,激振频率ω在80～
160s-1之间,范围约在16m内。
(3)应谱法。
(4)全性影响鉴定的基本原则。参考文献:
[1]GB10070—88,城市区域环境振动标准[S].
GB10070—1988,StandardofEnvironmentalVibrationinUr2banArea[S].
[2]杨振中.小型振动冲击式打桩机冲击点优化及计算机
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[8]翟厚勤,高本立,刘永刚.打桩地面震动对房屋结构安
全影响的实用评估方法[J].江苏建筑,1997(1):1-5.
ZHAIHou2qin,GAOBen2li,LIUYong2gang.Apracticalesti2matingmethodofinfluenceofpiledrivinginducinggroundmotiontonearbybuildings[J].JiangsuConstruction,1997(1):1-5.
[9]GB6722—2003,爆破安全规程[S].
GB6722—2003,Securespecificationforblasting[S].[10]GB50292—1999,民用建筑可靠性鉴定标准[S].
GB50292—1999,Standardforappraiserofreliabilityofcivilbuildings[S].
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(湖南省第六工程公司,湖南长沙410015)
Ξ
摘 要:通过对振动打桩机系统的理论分析和土体振动分析,提出了施工振动对邻近房屋结构安全性影响分析的4种方法。结合民用房屋结构安全性鉴定的要求,提出了施工振动对邻近房屋结构安全性影响的鉴定基本原则。通过一个工程鉴定实例应用,验证了施工振动对邻近房屋建筑结构安全性影响鉴定基本原则的合理性。关键词:振动打桩机;施工影响;房屋结构安全性鉴定
中图分类号:TU71 文献标识码:A 文章编号:1672-7029(2007)04-0065-06
Appraisementandanalysisofinfluenceofvibrationduringconstruction
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FANGDong2(HunanNo.6Engineering,)
Abstract:4kindsofwaysofonofnearbuildingstructureswerepresentedbyanalyzingthetheoryofandthesoilvibration.Inaddition,afundamentalprincipleforapprais2ingofinconstructiononsafetyofthenearbuildingstructureswasproposedaccordingtotheappraisalofcivilbuildings.Andthereasonabilityoftheabovefundamentalprinciplewasverifiedbyapplyinghimintoapracticalproject.
Keywords:vibration-impactpiledriver;effectsofconstruction;appraisementofsafetyofbuildingstructures
振动桩具有贯入力强、使用方便、施工速度快、成本低等特点,因而振动打桩机在桩基施工中有着广泛的应用,但由于振动打桩机施工时,对邻近房屋建筑有一定的影响,常造成工程停工和大量经济纠纷,给工程建设和施工单位带来了不必要的经济损失。振动打桩机施工振动和噪声对环境的影响
[1]
(G可分别依据《城市区域环境振动标准》B
10070—88)和《城市区域环境噪声标准》(GB3096—93)来判断评定,但其振动对邻近房屋结构安全性的影响还缺乏科学认识,还没有明确的检测技术标准,因此,对振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响进行理论研究与工程经验总结,提出对这种影响的识别方法、检测手段与技术标准,具有现实工程意义。
1 振动打桩机沉桩分析
振动打桩机的理论分析一般采用巴尔坎提出的单自由度振动理论[2],把桩看做一个均质刚体,土壤为其弹性支撑。桩与土壤组成一个单自由度的振动体系[3]。
对于该单自由度的振动体系,其动力微分方程为:
・・・2
(1)x+2nx+ωnx=psin(ωt)。其中:ω2n=c/m;2n=r/m;p=p0/m。
式(1)通解为:
x=Ae
-ωt
sin(2n-n2・t+2)+
)Asin(ωt-φ
(2)
对稳态的受迫振动体系,其振幅和相位角为:
Ξ收稿日期:2007-06-20
作者简介:方东升(1963-),男,湖南平江人,高级工程师,总工程师,从事建筑工程施工研究与管理
66
A=A0
2
(2vZ)2+(1-Z2)2
铁道科学与工程学报2007年8月
;φ=arctan
1-Z
2。
动作用下会引起一种固定不变的稳态振动,这种协调振动传播给和桩接触的土壤粒子,使土壤的抗剪强度降低,产生剪切和相对位移等复杂变形,即振动使土壤静摩擦力急剧下降。以Tv表示通过振动后降低了的桩土摩擦力,μ表示静摩擦力T变为Tv时的降低率,而振动打桩机的激振力p0和摩擦力存在以下关系式:
(4)p0≥Tv=μT。从式(4)可看出,系数μ主要由振动加速度的
大小支配,试验表明:随着振动加速度的增加,桩周、桩端的土壤产生假液化现象,此时桩的前端阻力和侧面摩擦阻力减少得非常显著。为便于讨论,用η来表示振动加速度与重力加速度之比:η=a/g。因为
2
ω2sin(ω-φ)a=2,a=Adt
当sin(ωt-φ)=1时,Aω2,而p0=
m0,A0e/(3)
式中:v=n/ωn;Z=ω
/ω
n;A0=m0e/m。
幅频特性曲线见图1。
μT/()v/(mg)
(5)
,当桩处于静态时(η=0),桩阻力有一极大值Tmax,随着振动加速度a的增大,阻力T减至最小
Tmin,但阻力并不随加速度的增加而趋近于零,而是
(a)-v:1-1;2-0.5;3-0.375;4-0.25;5-0.10;6-0.15;
7-0.65;(b)-v:1-1.0;2-0.5;3-0.2;4-0.125
图1 幅频特性曲线
Fig.1Macharacteristiccurvesofmultiandfrequency
趋近某一极限值。因而可用下式表示出极限静摩擦力Tmax和极限动摩擦力Tvmin的关系:
=-β(Tv-Tvmin);dη
η-β
Tv=Tvmin+(Tmax-Tvmin)e。
从图1可知:①当Zµ1(ωµωn)时振幅A趋近于一定值A0。A=A0=m0e/m,说明振动体的振幅这时不因外界条件的变化而增减。也就是当振
动体的自振频率ωn或阻力系数r改变时,A基本保
(2)Z=1(即ω=ωn)时,A/A0=1/(2v),持不变。
(6)
表明振动体振幅受到粘滞阻尼的限制。当阻尼很小时,A≥A0,即产生共振。共振时振动器的偏心力矩m0e不变,而振幅A增大是振动打桩机所希望的,但这时振幅不稳定,当外界条件变化时,振幅将锐减。在设计振动打桩机时,由于共振工况(1)沉
桩振动打桩机的参数确定比较困难,所以一般选择(1),采用较高的振动频率ω。
式中:β为振动影响系数。对于一般钢桩,β取052。从上式可看出,要减小阻力就要增大η,但对于
β=5时,e-x已只有7/1000。e-x,当x=η所以,无
限度地增大η并不能带来更多的好处。一般η取10左右,也就是振动加速度a=x″取10g左右,就能满足沉桩需要,因在振动打桩机中加速度不是其基本参数。
从amax=Aω2可知,加大ω比加大A更易获得大的振动加速度,振动打桩机的基本参数是频率ω和振幅A。由幅频特性分析可知,振动体振幅一般不因外界条件变化而增减,振动打桩机的实际工作振幅都不大于10mm,振动打桩机的最基本参数是频率ω。选择振动打桩机的频率时要结合桩锤重量、类型与桩锤阻力对振动桩锤作相应的频率和力矩调整,以接近土壤频率,使沉桩阻力最小,功率利用系数最高。
目前国内生产的振动桩锤多采用电动机驱动,
2 土体振动分析
静止存在于土里的桩,与土之间有着某种量的静摩擦力,如果对桩给以强迫振动,则桩在强迫振
第4期方东升,等:施工振动对房屋结构安全影响分析与鉴定
67
其转速多选择800～1500r/min,从振动桩锤和地层条件两方面考虑,激振频率ω在80～160s-1之间[4]。根据经验得到的不同地层激振器最佳频率范围ω/s-1:含饱和水的砂石土,100～200s-1;塑性粘土及含砂粘土,90～100s-1;坚实粘土,70～75s-1;含砾石的粘土,60～70s-1;含砂的砾石土,50～60s-1。
土在桩的稳态振动作用下,桩与土壤粒子、土壤粒子与土壤粒子间协调振动,便形成了桩施工地震波。目前由于土层的不均匀性,地震波的反射与折射等,地震波的理论计算离应用还有一定距离,大多采用观测分析。各种振动桩锤激振力所引起的土粒振动速度实验曲线[5]如图2所示。由该图可知,振动打桩机对桩周围土纵向振动的明显影响范围约在16m内
。
(G按《建筑抗震设计规范》B50011—2001)[6]规定
采用,但地震影响系数或加速度时程曲线可按以下
2种方法确定。
3.1.1 采用正弦波反应谱
由于施工振动距邻近房屋不远,偏安全不考虑土的衰减,房屋结构地面输入可采用前“1”分析结果的高频稳态振动解:
・・2
x(t)+ωA0sin(ωt),A0=m0e/m。
(7)
结合前土的振动分析结果,振动桩锤激振频率
ω取80～160s-1,同时取ζ=0.05。
这样正弦波反应谱为:
Sa=|a(t)|max=
ω|
∫
t
・・
ω(t-τ)
)e-ζ)dτ|max。(8)x(τsinω(t-τ
3.1.2 采用地震影响系数曲线
地面峰值速度、・・・
振动解xmax=2A0,x,然后结[7]确定,,、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比由规范[6]的地震影响系数曲线确定
1-50%的变频变矩振动桩锤;2-变频变矩高频振动桩锤;3-普通振动桩锤(包括起动)
施工振动对房屋结构振动影响系数。3.2 简化法
反应谱法不但是结构地震反应分析行之有效的方法,而且由于振动桩施工振动源的稳态振动易于把握,震源近,当用于分析对房屋结构的反应时将更准确。但施工振动不同于自然地震,它属于浅地表的局部场地运动,产生的地震频率与自然地震相比高而窄,波沿传播方向衰减快。因此,在反应谱法基础上完全可结合房屋结构安全性鉴定的要求合理简化计算。3.2.1 烈度法
图2 土粒振动速度实验曲线
Fig.2Testcurvesinvelocityofsoilparticlesvibration
3 振动对邻近房屋结构安全性影响
分析
3.1 反应谱法
振动桩施工对邻近房屋结构的影响过程与地震对房屋结构的反应类似,施工地面振动以波动形式向周围传播,邻近房屋结构因在基础处输入地面震动而产生振动响应,其响应大小不仅与地面震动强度、特性和持续时间等有关,而且还与建筑物的振动特性有关,考虑邻近建筑物是否安全时,还与邻近建筑物的现有抗震能力有关。
因此,振动桩施工对邻近房屋结构安全性的影响比较精确分析,首先可采用振型分解反应谱法计算其对房屋结构的作用,然后按弹性方法分析其内力,并与重力荷载代表值作用下的内力组合,最后按承载能力极限状态方法验算房屋结构安全性。其中重力荷载代表值、内力组合与承载力调整系数可
在地震区,地面峰值速度、峰值加速度可采用
前高频稳态振动解或根据距振动桩与房屋结构等距离处实测的振动波形图确定地面峰值速度、峰值加速度,然后结合人的感觉与房屋震动程度按地震烈度表[7]确定房屋震动烈度,将此烈度与房屋结构的设防烈度作对比,如果房屋震动烈度比房屋结构的设防烈度小,当房屋震动烈度≤Ⅴ度时,可直接作结论,振动桩施工对邻近房屋结构的安全性没有影响;但当房屋震动烈度>Ⅴ度时,则应采用反应谱法分析其影响。3.2.2 峰值速度法
Northwood和Wiss等对于地面震动进行了研
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铁道科学与工程学报2007年8月
究,结果表明,质点峰值速度与结构破坏关系最大,认为质点峰值速度是分析地面破坏的最佳参数。其主要依据是,在地面震动峰值速度相同的情况下,对邻近建筑物的影响与地面震动特性无关[8]。我国
(G《爆破安全规程》B6722—2003)[9]采用建筑物所
在地质点峰值速度和主振频率作为振动判据,当振动桩锤激振频率ω在80～160s-1之间时,则建筑物所在地质点主振频率为12～26Hz,可查得一般砖房建筑物的安全允许振速为0.023～0.028m/s,钢筋混凝土结构建筑物的安全允许振速为0.035～0.045m/s。我国规范[6]规定抗震设防为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计。对此可以理解为地震烈度表中5度及以下的地面震动对一个正常使用、结构安全的房屋结构的安全性不会造成实质性影响。这样就可从地震烈度表中5度的峰值速度规定中推出房屋结构地震安全允许振速为0.02～0.04m/s,它与房屋结构爆破安全允许振速有良好的一致性。由于振动桩施工对邻近房屋结构的影响过程与爆破、地震引起地基震动对房屋结构的反应类似,因而,m/s,0316m时,则应采用峰值速度法分析其影响。
4 施工振动对邻近房屋结构安全性
影响鉴定基本原则
一般民用建筑的鉴定依据《民用建筑可靠性鉴
(G定标准》B50292-1999)[10]进行。安全性的鉴定评级,应按构件、子单元和鉴定单元分三个层次。每一层次分为4个安全性等级,并应按标准规定的检查项目和步骤,从第1层开始,分层进行。
施工振动对邻近房屋结构安全性影响的鉴定应在邻近房屋结构安全性全面鉴定的基础上进行,切不可单一鉴定。施工振动对房屋结构安全性的影响作为影响房屋结构安全性鉴定的因素之一,通过,可作出有无影响的判断。、,前面的方法。前面的方法鉴定出振动桩施工对邻近房屋结构安全性有影响时,则还应采用紧邻后面的方法分析,直至反应谱法。
对于有影响的邻近房屋结构安全性的鉴定,一定要分清影响程度,看该影响是否造成邻近房屋结构安全性的实质性损害,才作出鉴定结论。如果施工振动对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋应能承受的范围内,而邻近房屋结构已产生损坏,就要看施工振动对邻近房屋安全性的影响是否造成结构鉴定级别的降低,如果造成结构鉴定级别的降低,则只承担邻近房屋结构损坏的部分责任,否则不应承担责任。当然,如果振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋不能承受的范围内,而降低了结构鉴定级别,则施工振动对邻近房屋结构安全性的影响有实质性损害,而要承担邻近房屋结构损坏的主要责任。
,当建筑物所在地质点峰值速度≤振动桩施工对邻近房屋结构影响的安全允许振速时,可直接得出结论,振动桩施工对邻近房屋结构的安全性没有影响,当建筑物所在地质点峰值速度大于振动桩施工对邻近房屋结构影响的安全允许振速时,则应采用烈度法或反应谱法分析其影响。3.2.3 安全距离法
我国规程[9]除给出建筑物所在地质点的安全允许振速外,还给出了建筑物的安全允许距离及其计算方法。虽然振动桩施工对邻近房屋结构影响的安全允许距离的理论计算有一定的难度,但各种振动桩锤激振力所引起的土粒振动速度实验曲线比较成熟,如图3所示。由该图可知,振动打桩机对桩周围土纵向振动的明显影响范围约在16m内,其最大土粒振动速度≤0.016m/s
鉴定时,用钢尺或全站仪测量房屋到振动桩施工点的距离s,当s≤16m时,可直接作结论,振动桩施工对邻近房屋结构的安全性没有影响,当s>
5 鉴定实例
某高速公路管理处综合楼桩基础采用振动灌注桩,使用电动振动打桩机施工,桩振动频率f约1700次/min。邻近二层住宅住户认为振动打桩机施
工对他们住宅有影响,导致综合楼桩基础施工无法正常进行。
第4期方东升,等:施工振动对房屋结构安全影响分析与鉴定
69
5.1 现场概况5.2 施工振动对住宅结构安全性影响分析
(1)按施工振动对邻近房屋结构安全性影响
综合楼与住宅的底层平面及在总平面布置图上的相对位置见图3,实测综合楼底层平面外墙到住宅的底层平面外墙的最短距离约76m。综合楼室外平面与住宅的室外平面约在同一标高水平面上。综合楼基础采用350振动灌注混凝土桩,桩进入卵石层1.0m,桩长≥7.0m,现已施工完成50多根桩,还余约160根桩未施工,已施工完桩的桩长最长≤8.0m。住宅建于2000年冬、2001春投入使用,为二层砖混结构,由6户组成,每户长11m,宽8.5m。在西边第1户与第2户间设变形缝,分户墙为双240mm横墙,其他分户墙为单240mm横墙。楼板与顶蓬为预制板,屋面为双坡瓦屋面,南、北面设有阳台。两道钢筋混凝土圈梁设在屋顶、地面处,虽在双240mm横墙处断开,但分别形成2个封闭圈梁。住宅每户底层厅内2层楼面设有跨度约5m的钢筋混凝土梁,如图3虚线所示,仅在该梁下设有钢筋混凝土构造柱。住宅单墙砖砌条基大放脚宽约800mm,双墙砖砌条基大放脚宽约1600mm,埋深约2m。水平面上,,m。1.6～4.7m;1.6m为粉土,厚度为1.4～5.4m6.7m为淤泥质土,厚度为0～4.7m,仅东南角位置见到;再以下为卵石,卵石埋
鉴定基本原则,首先采用安全距离法,实测综合楼
底层平面外墙到住宅的底层平面外墙的最短距离约76m,大于16m,则可直接得出振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋能承受的范围内。
(2)应业主要求,实测了打桩时在不同距离处的振动波形图,如图4所示。图形和数据显示正在施工的振动桩,其同心圆半径9m以外的振动波形十分微弱,其峰值速度≤0.02m/s,按峰值速度法也可得出振动打桩机施工对邻近房屋结构安全性的影响在正常使用,结构良好的房屋能承受的范围内
。
深6.1～7.6m,有波状起伏。住宅可见裂缝主要有:①西面分户双墙间,从二楼楼板底至地面外墙瓷砖面层竖向断裂,有一宽约0.7mm竖向裂缝;②西面第一户底层厅内楼梯口,图3虚线所示钢筋混凝土梁下构造柱与墙间底层范围内,有一宽约0.4mm竖向裂缝;③西面第3户底层厅内图3虚线所示钢筋混凝土梁与东分户墙开间南面外墙窗下的外墙瓷砖面层竖向断裂,有一宽约0.5mm竖向裂缝;④6户住宅有几处二楼楼面预制板两块之间缝隙通缝,且通缝两端在横墙竖向向下延伸500～600mm
。
离桩的距离/m:1-3;2-6;3-9;4-25;5-67
图4 振动波形
Fig.4Waveformsofvibration
5.3 住宅裂缝成因分析
(1)在住宅4种主要可见裂缝中未见明显交叉
或分叉斜裂缝,可见裂缝不具地震或振动形成裂缝明显特征。
(2)裂缝①第1户与第2户间的分户双墙间竖向裂缝为住宅温度变形缝,是允许的,不影响住宅结构安全,但装修处理不当会引起瓷砖面层竖向断裂。
(3)从综合楼岩土工程勘察报告可知住宅条
基基础可能放置在厚度为1.6～4.7m的素填土或厚度为1.4～5.6m的粉土等中软土层上。裂缝②、裂缝③可能为基础不均匀沉降、钢筋混凝土圈梁
图3 钢筋混凝土梁相对位置
Fig.3Relativepositionofconcretebeam
或柱与砖砌体间拉接不够、温度变形不一致等因素
70
铁道科学与工程学报2007年8月
综合影响的结果。
(4)裂缝④产生的主要原因为钢筋混凝土板与墙的拉结较弱或墙体粉刷基层厚度不匀等使板与墙或墙基层的温度变形不一致。5.4 鉴定结论
综合楼施工不是住宅所产生的裂缝的直接原因,至多引起住宅轻微振动,但这应在正常使用、结构良好的住宅可接受的范围内。鉴于住宅可见裂缝现状,加强对住宅可见裂缝的观测,若又有进一步的发展变化,则必须采取必要的措施。
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6 结 语
(1)振动打桩机的基本参数是频率ω和振幅
A。振动打桩机的实际工作振幅都不大于10mm,
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CAIShao2ju.Variable-frequency&-eccentricmo2menthighfrequencyvibrationpilehydrauliccon2].C,):19-21.[6],G—,Cdesignofbuildings[S].],等.抗震工程学[M].北京:中
振动打桩机的最基本参数是频率ω。
(2)国内电动机驱动的振动桩锤转速多选择
在800～1500r/min范围内,激振频率ω在80～
160s-1之间,范围约在16m内。
(3)应谱法。
(4)全性影响鉴定的基本原则。参考文献:
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