本发明涉及一种古海塘振动抑制方法，具体涉及一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法。
背景技术：
0、技术背景
1、钱塘江海宁明清鱼鳞老海塘(以下简称“古海塘”)是保护浙北和苏沪南缘地区的大型防洪(潮)工程，已运行200多年，部分甚至已运行300多年。根据1958年整理的《钱塘江调查报告》，钱塘江古海塘存在坍毁和塘身倾斜现象；1980年《钱塘江海塘调查资料》显示塘身下半部分条石易抽失，部分断面出现塘身沉陷；2012年《钱塘江临江防洪潮古海塘保护研究》对钱塘江临江古海塘进行了全线踏勘与现场普查，局部塘段存在塘身外倾、下沉、凸鼓、开裂、风化、灰缝脱落、条石抽失、塘基挂空、背坡土方流失等隐患。作为钱塘江临江防洪海塘结构的一部分，其运行的安全性一直以来受到人们的格外关注。
2、作为具有上百年历史的水利工程，古海塘的振动安全尤为关键，国内外规范中均有着严格规定。《爆破安全规程》(gb6722-2014)中规定一般古建筑与古迹振动频率小于或等于10hz时，最大质点振动速度不得大于0.2cm/s；振动频率位于10hz和50hz之间时，最大质点振动速度不得大于0.3cm/s；振动频率大于50hz时，最大质点振动速度不得大于0.5cm/s。《建筑工程容许振动标准》(gb50868-2013)中规定振动敏感、具有保护价值的建筑振动频率小于10hz时，最大质点振动速度不得大于0.15cm/s；振动频率小于50hz时，最大质点振动速度不得大于0.3cm/s；振动频率小于100hz时，最大质点振动速度不得大于0.4cm/s。德国的建筑振动标准(din4150)中规定振动敏感、受保护的建筑设施振动频率小于10hz时，最大质点振动速度不得大于0.3cm/s；振动频率小于50hz时；最大质点振动速度不得大于0.8cm/s，振动频率小于100hz时，最大质点振动速度不得大于1cm/s。
3、然而，古海塘的堤脚零星维修与抢险施工大多数时候需要抢潮作业，常规的施工方法一般采用挖机(或吊机)在古海塘塘顶进行塘前围护板桩打设等。围护桩打桩施工过程中引起的振动若超过一定阈值，会对古海塘产生影响，引起裂缝、沉降、倾斜甚至坍塌等破坏险情。因此，对围护桩打桩进行及时控制，以抑制应力波的扩散，进而抑制振动对古海塘的影响是必要且关键的。
4、古海塘塘前围护桩打桩振动影响的本质是打桩过程中由桩-土界面处产生的应力波向四周的扩散，这种应力波主要为桩-土界面剪切(t-z弹簧)产生的剪切波。目前，施工振动影响分析方法的思路大多为有限元整体建模，然而这种分析方法未重点考虑应力波产生的源头，精度欠佳，且由于桩-土相互作用的复杂性，单一有限元软件中复现锤击沉桩过程的时间成本较大，计算及分析时间较长，在古海塘抗洪抢险等情形下，现有的方法无法对塘前打桩作出及时调控，从而无法抑制振动对古海塘的不利影响。
技术实现思路
1、针对围护桩沉桩过程和施工振动影响原理，本发明提供了一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，该方法通过建立基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统，综合打桩全过程侧阻演化规律，可以更加真实地模拟打桩时桩基础侧壁与土的剪切作用，并将其作为打桩所产生应力波的来源，进行打桩振动对古海塘的影响分析，分析结果与规范要求比较后可重新反馈至基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统，调整锤击力，以对打桩振动进行控制，抑制振动对古海塘的不利影响。
2、为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，包括以下步骤：
3、步骤1：构建基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统；所述弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统包括参数输入模块、锤击力计算模块、阻力计算模块、运动控制模块、桩基定位模块；
4、步骤2：根据古海塘现场围护桩施工和古海塘场地地质勘察数据，在参数输入模块中输入拟采用的施工参数；
5、步骤3：所述拟采用的施工参数分别被参数输入模块传输至锤击力计算模块和阻力计算模块，所述锤击力计算模块用于计算得到作用于桩顶的锤击力；所述阻力计算模块用于使用弹塑性t-z弹簧计算得到桩侧土阻力，具体是将所述拟采用的施工参数代入弹塑性t-z弹簧的定义式进行计算；
6、步骤4：所述锤击力计算模块和阻力计算模块的计算结果以及所述拟采用的施工参数被传输至所述运动控制模块，所述运动控制模块用于计算得到桩基的位移量；
7、步骤5：桩基的位移量被传输至所述桩基定位模块，所述桩基定位模块用于计算得到桩基的当前位置，若桩基未达到研究深度，则重复步骤2-步骤4；否则进入步骤6；
8、步骤6：所述基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统输出不同时刻的桩侧土阻力，对不同时刻的桩侧土阻力进行拟合得到桩侧土阻力函数；
9、步骤7：构建基于地质勘察数据的古海塘场地模型，并在打桩位置处预留研究深度的桩基轮廓；
10、步骤8：根据桩侧土阻力函数和桩基轮廓，基于间断galerkin有限元方法进行应力波扩散分析，得到不同时刻的古海塘振动速度；
11、步骤9：设定古海塘振动阈值，判断古海塘的振动是否满足要求，若满足，则输出锤击力，若不满足，将锤击力反馈至所述基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统，调整所述拟采用的施工参数，并重复步骤6-8。
12、进一步地，在步骤1中，所述基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统为多模块交互分析系统，每个模块提供接口以调用相应软件进行计算。
13、更进一步地，步骤1中，在每个时间步内，所述基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统实现：在每个时间步内，所述基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统实现：所述参数输入模块、所述锤击力计算模块和所述阻力计算模块向所述运动控制模块输入拟采用的施工参数、锤击力和桩侧阻力值、所述运动控制模块进行桩基运动过程计算并向所述桩基定位模块输入该时段的位移增量和速度增量。
14、进一步地，步骤1中，所述的弹塑性t-z弹簧为桩与土体相互作用的表达形式，其中t为桩-土界面的剪切力，z为桩侧与桩侧土体的相对位移。
15、进一步地，步骤1中，所述弹塑性t-z弹簧是在已有t-z弹簧模型基础上进行修正得到的；所述弹塑性t-z弹簧在有关加-卸载路径描述过程中，针对位移增量dz，通过定义弹性刚度ke和塑性刚度kp明确了弹性部分dze和塑性增量部分dzp，弹塑性t-z弹簧的定义式为：
16、
17、
18、式中，tu为桩-土界面强度，tm为加载过程中最大的界面摩阻力，h为t-z曲线形状参数。
19、进一步地，所述运动控制模块和桩基定位模块的计算是根据桩身设计尺寸、桩身材料以及边界条件信息在对应的软件中完成的，桩身采用欧拉-伯努利梁单元构建。
20、进一步地，步骤2中，所述拟采用的施工参数包括桩长l、外径d、壁厚t0、锤芯质量ma、锤帽质量mr、垫层弹性系数kc、桩身阻尼z、界面摩擦角δf、桩身桩侧弹限值qs和qb、非粘性土侧阻端阻系数β和nt、粘性土不排水强度su、阻尼输入参数js和jb、有效重度γ、研究深度h。
21、进一步地，步骤6中，所述不同时刻的桩侧土阻力为阻力计算模块输出的列表值，采用python语言将其拟合为桩侧土阻力函数。
22、进一步地，步骤7中，所述基于地质勘察数据的古海塘场地模型具体是根据打桩施工现场地形构建的、包含古海塘及其周边地质构造的场地模型，在打桩位置处预留有桩体轮廓，并将所述的桩侧土阻力函数设置于所述桩体轮廓处。
23、进一步地，步骤8中，所述古海塘振动阈值为基于《爆破安全规程》(gb6722-2014)、《建筑工程容许振动标准》(gb50868-2013)、美国建筑可见外观损坏阈值标准(usbmri-8507)、德国建筑振动标准(din4150)或英国外观损坏振动参考标准(britishstandard7385,bs6472)的安全允许振动值。
24、进一步地，步骤8中，所述基于间断galerkin有限元方法进行应力波扩散分析具有良好的守恒性、收敛性等数学特性，容易处理复杂边界和边值问题，容易实现精度的提高，可以很好地捕捉间断信息，能准确模拟激波的存在，在算法上相当于对有限元的大规模矩阵进行了解耦，因而避免了有限元方法中出现的需要全局求解大规模线性方程组的情况。
25、进一步地，步骤8中，所述基于间断galerkin有限元方法进行应力波扩散分析的控制方程为速度-应力弹性波方程：
26、
27、其中，ρ为物体的密度，σ为应力张量，为哈密顿算子，f表示外部力源项，c为刚度矩阵，v为振动速度，t为时间。
28、进一步地，步骤8中，所述基于间断galerkin有限元方法进行应力波扩散分析可以得到土体内任意一点的振动速度时程变化，通过分析古海塘附近土体的振动速度情况可以判断其是否满足规范要求，进而作出相应的调整。
29、进一步地，步骤9中，所述调整锤击力为将锤击力降为原来的2％-5％，具体数值由塘身振动速度与规范允许值的差值决定，差值越大，相应的调整幅值越大。
30、进一步地，步骤9中，输出的锤击力和塘身平均振动速度是基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统的打桩过程(步骤1-5)和古海塘振动分析过程(步骤6-9)相互反馈和不断迭代后得到的，此时的塘身平均振动速度满足输入振动阈值。
31、与现有技术相比，本发明提供了基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，具备以下有益效果：
32、(1)用弹塑性t-z弹簧综合考虑了打桩全过程侧阻演化规律，更加真实地表征打桩振动的“源”，也就是桩基侧壁与土体之间的相互剪切作用，为后续应力波的传播分析和古海塘振动控制提供基础。
33、(2)在动力学的计算过程中，传统的有限元方法对时间的处理精度不够高，依赖于全局形成和求解一个大规模线性代数方程组，使其存储量和计算量都较大，且不容易提高数值精度，采用间断galerkin有限元方法(dg-fem)处理应力波扩散问题，具有良好的守恒性、收敛性等数学特性，容易处理复杂边界和边值问题，容易实现精度的提高，可以很好地捕捉间断信息，能准确模拟激波的存在，在算法上相当于对有限元的大规模矩阵进行了解耦，因而避免了有限元方法中出现的需要全局求解大规模线性方程组的情况。
34、(3)采用打桩过程和应力波传播分别建模的方式节约了计算时间，提升了计算效率，可实现对古海塘周边打桩作业的实时调控，适合于实际工程问题的处理与使用，为古海塘振动控制提供重要参考。
1.一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤1中，所述基于弹塑性t-z弹簧的围护桩打桩控制系统为多模块交互分析系统，每个模块提供接口以调用相应软件进行计算；
3.根据权利要求2所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤1中，所述弹塑性t-z弹簧是在已有t-z弹簧模型基础上进行修正得到的；所述弹塑性t-z弹簧在有关加-卸载路径描述过程中，针对位移增量dz，通过定义弹性刚度ke和塑性刚度kp明确了弹性部分dze和塑性增量部分dzp，弹塑性t-z弹簧的定义式为：
4.根据权利要求2所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：所述运动控制模块和桩基定位模块的计算是根据桩身设计尺寸、桩身材料以及边界条件信息在对应的软件中完成的，桩身采用欧拉-伯努利梁单元构建。
5.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤2中，所述拟采用的施工参数包括桩长l、外径d、壁厚t0、锤芯质量ma、锤帽质量mr、垫层弹性系数kc、桩身阻尼z、界面摩擦角δf、桩身桩侧弹限值qs和qb、非粘性土侧阻端阻系数β和nt、粘性土不排水强度su、阻尼输入参数js和jb、有效重度γ、研究深度h。
6.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤6中，所述不同时刻的桩侧土阻力为阻力计算模块输出的列表值，采用python语言将其拟合为桩侧土阻力函数。
7.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤7中，所述基于地质勘察数据的古海塘场地模型具体是根据打桩施工现场地形构建的、包含古海塘及其周边地质构造的场地模型，在打桩位置处预留有桩体轮廓，并将所述的桩侧土阻力函数设置于所述桩体轮廓处。
8.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤8中，所述古海塘振动阈值为基于《爆破安全规程》(gb6722-2014)、《建筑工程容许振动标准》(gb50868-2013)、美国建筑可见外观损坏阈值标准(usbmri-8507)、德国建筑振动标准(din4150)或英国外观损坏振动参考标准(britishstandard7385,bs6472)的安全允许振动值。
9.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤8中，所述基于间断galerkin有限元方法进行应力波扩散分析的控制方程为速度-应力弹性波方程：
10.根据权利要求1所述的一种基于围护桩打桩控制的古海塘振动抑制方法，其特征在于：步骤9中，所述调整锤击力的方法为：将锤击力降为原来的2％-5％。
