強夯加固吹填地基振動傳遞機理及減振措施的試驗研究

賈智信，孫國亮，陳雷，喬京生

（1.唐山曹妃甸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資集團，河北 唐山 063200；2.唐山學(xué)院土木工程系，河北 唐山 063000）

0 引言

強夯法處理地基是20世紀(jì)60年代末Menard技術(shù)公司首先創(chuàng)立的。該方法將80～400 kN重錘從落距6～40m處自由落下，給地基以沖擊和振動，從而提高地基土的強度并降低其壓縮性。我國強夯法常用來加固碎石、砂土、黏性土、雜填土、濕陷性黃土等各類地基土。由于其具有設(shè)備簡單、施工速度快、適用范圍廣、節(jié)約三材、經(jīng)濟可行、效果顯著等優(yōu)點，經(jīng)過20多年來的應(yīng)用與發(fā)展，強夯法處理地基受到各國工程界的重視，并得以迅速推廣，取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

但強夯時產(chǎn)生的巨大沖擊波對場地附近的建（構(gòu)）筑物有可能造成振害，目前在規(guī)范中很少提到如何評價及預(yù)防強夯對鄰近建（構(gòu)）筑物的有害影響，這使強夯法的使用受到很大限制[1]。本文針對唐山曹妃甸工業(yè)園區(qū)強夯加固吹填地基的實際工程，利用先進的測試手段，對強夯振動在吹填地基中的衰減規(guī)律及隔振溝的設(shè)置效果進行了現(xiàn)場試驗，對振動傳遞機理進行了分析，提出了加速度的衰減經(jīng)驗公式，并提出隔振溝的合理布置方案，該成果對強夯法在吹填地基中的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 傳遞機理

關(guān)于強夯法加固地基的機理，不同研究者從不同角度對強夯機理進行了研究，但目前還沒有一套成熟和完善的理論和設(shè)計計算方法[2-3]。同時由于強夯處理的對象（即地基土）非常復(fù)雜，一般認為不可能建立對各類地基土均適合的具有普遍意義的理論，但對地基處理中經(jīng)常遇到的幾種類型土，還是有規(guī)律可循的[4]?？偟膩碚f，強夯加固地基主要是在強大的夯擊能下在地基中產(chǎn)生強烈的沖擊波和動應(yīng)力對土體進行加固作用。強夯產(chǎn)生的沖擊波，按其在土中的傳播和對土的作用特征可分為體積波和界面波，體積波包括縱波和橫波（或分別稱為壓縮波和剪切波），體波沿著一個半球波陣面徑向地向外傳播?？v波使土體受拉、壓作用，能使孔隙水壓力增加，導(dǎo)致土骨架解體，而隨后到達的橫波使解體的土顆粒處于更加密實狀態(tài)。界面波包括瑞利（Rayleigh）波和樂夫（Love）波。面波攜帶的夯擊能局限在地表層附近區(qū)域內(nèi)傳播，面波可使表層土體松動形成松弛區(qū)域。因而面波對地基壓密沒有效果，但對建筑物產(chǎn)生的振動較大，為有害波。從上述的分析原理不難看出，由于沖擊波的作用引起地基土的擠密和表層的松弛變形，從而造成了地基土變形，地基土的變形必然影響了周圍已建建筑物基礎(chǔ)的安全。各波的性質(zhì)見表1。

表1 沖擊波的性質(zhì)

2 現(xiàn)場試驗設(shè)備及測點布置

為了研究強夯產(chǎn)生的振動波的傳遞規(guī)律，采用SWS型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀、三分量分體檢波器等對強夯產(chǎn)生的振動波進行了現(xiàn)場測試。試驗中對土表面距夯點70 m范圍內(nèi)振動波的傳遞進行了監(jiān)測。采用1 000 kN·m，1 500 kN·m兩種夯擊能，每種夯擊能夯擊3次，測點布置見圖1。

圖1 水平向測點布置圖

3 強夯振動衰減規(guī)律

現(xiàn)場試驗在河北唐山曹妃甸工業(yè)園內(nèi)的吹填地基場地進行。

通過振動測試得到了各測點3個方向：徑向（測點與夯擊點連線方向相同），切向（測點與夯擊點連線方向垂直且平行于水平面），垂直向的振動頻率，如表2所示。

表2 各測點振動頻率

試驗中同時得到了各測點三分向振動加速度和振動速度時程曲線，如圖2、圖3所示。為了研究振動波在各方向的傳遞規(guī)律，將各測點的加速度極值匯總?cè)绫?所示。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在三分向振動效應(yīng)中，各個方向的振動加速度都隨著距夯點間距離的增大，加速度峰值逐漸減小，表明強夯產(chǎn)生的振動波在各方向都呈衰減趨勢，如圖4所示，最大加速度在距離的變化上較明顯分為兩段，近處表現(xiàn)為直線陡降段，遠處為一平緩的曲線，說明強夯振動在傳播過程中近處衰減較快。綜合考慮2條測線的實測數(shù)據(jù)變化，擬合計算公式如下：

圖2 距夯點5m垂直向振動加速度和振動速度時程曲線

圖3 距夯點5m切向振動加速度和振動速度時程曲線

表3 各測點加速度極值

垂直向加速度計算公式：

式中：y為垂直向振動加速度，m/s2；x為土表面水平向距夯點距離，m。

切向加速度計算公式：

圖4 加速度衰減情況

式中：y為切向振動加速度，m/s2；x為土表面水平向距夯點距離，m。

徑向加速度計算公式：

式中：y為徑向振動加速度，m/s2；x為土表面水平向距夯點距離，m。

4 隔振溝對強夯振動波傳遞的影響

強夯時所產(chǎn)生的巨大沖擊波，對場地附近的建（構(gòu)）筑物有可能造成振害，《強夯地基技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，當(dāng)單擊夯擊能為1 000 kN·m時，安全距離應(yīng)大于15m；當(dāng)單擊夯擊能大于1 000 kN·m時，對儀表車間及靈敏度高的建（構(gòu)）筑物的安全距離，尚應(yīng)通過試夯實測的結(jié)果進行調(diào)整與修正。

有學(xué)者提出[5]，當(dāng)強夯夯擊能為1.5，2.0，2.5和3.0 MN·m時，其對構(gòu)筑物相應(yīng)的安全距離為14，17.5，18.7和19.5m。

當(dāng)施工場地?zé)o法滿足最小安全距離要求時，必須采取一定的隔振措施，設(shè)置人工隔振溝是一種有效、簡便易行的方法。隔振溝的隔振原理為：當(dāng)表面波傳播到固體交界面處，被在固體土壤中形成的局部孔隙所阻斷，不能繼續(xù)向前傳播，于是就起到隔振作用，減少地面波的破壞力。影響被動隔振溝效果的因素很多，振源與隔振溝的中心距離、溝長、溝寬以及溝深都將影響隔振效果，下面詳細分析各個影響因素的作用。

為了研究隔振溝對強夯引起振動波傳遞的影響，在對振動波檢測過程中進行了如圖5所示的隔振溝布置，通過對試驗數(shù)據(jù)分析分別得出了隔振溝兩側(cè)的振動頻率和振動速度、加速度，如表4所示。從試驗結(jié)果來看，無論是振動頻率還是振動速度和加速度在隔振溝兩側(cè)都呈明顯的減小趨勢，說明隔振溝有效地起到了隔振作用。

圖5 隔振溝布置情況

表4 不同參數(shù)的隔振溝影響下的振動參數(shù)變化

從數(shù)據(jù)可見，溝深越深，減振效果越明顯。但當(dāng)隔振溝達到一定的深度后，振動的衰減幅度并不隨深度呈線性關(guān)系，存在一個臨界溝深，溝深大于該值后，隔振效果并不能隨溝深的增加而顯著提高。筆者經(jīng)研究提出對于吹填地基隔振溝深度不大于3m，或被保護地下結(jié)構(gòu)物（包括樁基或其他深基礎(chǔ)）深度的1/5。而隔振溝寬度的改變對減振效果影響很小，事實上，一個小的裂隙或裂縫將足以屏蔽大部分的彈性波。因此，以增加隔振溝的溝寬來提高隔振效果的工程意義并不是很大。

隔振溝中填充剛度不同的各種材料，溝中填充材料的彈性模量與土體的彈性模量相差越大，隔振效果越好；相比較而言，在彈性模量比土體小的一側(cè)，當(dāng)二者的彈性模量的級數(shù)相差越大，則曲線遞減得越快，隔振效果越好。在試驗中海綿作為隔振溝的填充物，能起到更好的隔振效果見表5。這對于不易形成溝體的土質(zhì)，此類填充材料的使用將起到很好的作用。

表5 加入填充材料的減振效果

5 結(jié)論

本文根據(jù)曹妃甸工業(yè)區(qū)強夯工程進行現(xiàn)場試驗，取得針對強夯處理沿海吹填地基的寶貴數(shù)據(jù)，得到了強夯振動頻率、速度、加速度在吹填地基中的衰減規(guī)律，對不同參數(shù)的隔振溝的減振效果進行試驗。結(jié)果表明，隔振溝深度對減振效果有較大影響，深度越深減振效果越好，但存在極限深度，在吹填地基情況下隔振溝深度一般不超過3m，或被保護地下結(jié)構(gòu)物（包括樁基或其他深基礎(chǔ)）深度的1/5。在不易成溝的環(huán)境下，可以充填海綿等彈性模量遠小于土體模量的材料，減振效果同樣良好。

[1] 黃瑛.強夯對周圍已建建筑物的影響[J].中國港灣建設(shè)，2007（3）：24-26.

[2] 劉振國，呂淑然，楊軍.強夯振動效應(yīng)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2003（6）：14-17.

[3] 蔡袁強，王大力，徐長節(jié)，等.強夯加固機理及環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2005（5）：159-162.

[4] 靳國禮，金剛，任正為，等.強夯施工對周圍環(huán)境振動影響分析及施工方案優(yōu)化[J].施工技術(shù)，2010（6）：75-78.

[5] 方磊，經(jīng)緋，劉松玉.強夯振動影響與構(gòu)筑物安全距離研究[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，31（3）：29-32.

[6] YBJ45—92，強夯地基技術(shù)規(guī)程[S].