強夯施工對塑性混凝土防滲墻的振動測試分析

陸凡東，方 向，董 文，丁 凱，李 棟

(解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，南京 210095)

強夯施工時，夯錘從高處自由落下對地基形成沖擊和振動，除一部分轉(zhuǎn)化為夯錘和土摩擦產(chǎn)生的熱能外，其余大部分動能以縱波、橫波和瑞利波的形式向外傳播，其中瑞利波攜帶能量大、衰減慢，是構(gòu)成強夯振動波對周邊環(huán)境影響的主要原因。文獻(xiàn)［1－2］認(rèn)為瑞利波的有效穿透深度約為一個波長。文獻(xiàn)［3］認(rèn)為強夯振動引起的瑞利波波長在8 m～12 m之間，隨著傳播深度的增加，徑向振動大幅衰減，對地基構(gòu)筑物影響最大的是豎向振動。目前強夯振動波測試與控制的保護(hù)對象主要為地表及地表以上的構(gòu)筑物，如民房、廠房、辦公樓等［4－5］;文獻(xiàn)［6］對減振溝的強夯降振效果進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出理論近似公式。

塑性混凝土防滲墻具有低強度、低彈性模量和大應(yīng)變等特征，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞模式與土料相似，抗?jié)B抗震效果良好［7］。目前，關(guān)于強夯施工對塑性混凝土防滲墻的振動測試研究在國內(nèi)尚未見到報道。本文提出塑性防滲墻的強夯振動測試方案，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transform)方法給出振動測試成果。

1 工程概況

某核電站1－2號機(jī)組BOP區(qū)域分別由海域和海岸回填10 m～17 m和3 m～10 m而成，地基參數(shù)如表1所示。機(jī)組基坑負(fù)挖到地面10 m以下，為保持干施工的需要，主廠區(qū)內(nèi)設(shè)有防滲墻，墻頂標(biāo)高 +3.5 mPRD，場平標(biāo)高+8.5 mPRD，主墻體平均高度21 m，墻厚0.8 m。在距防滲墻足夠遠(yuǎn)的區(qū)域強夯能級初取8 000 kN·m，在保護(hù)范圍內(nèi)改用1 000 kN·m點夯，600 kN·m滿夯，其中點夯兩遍，滿夯一遍，夯點呈等邊三角形布置，夯點間距5 m。

表1 BOP區(qū)域地基分層參數(shù)Tab.1 Layered parameters of foundation in BOP area

在防滲墻附近進(jìn)行試夯、正常強夯施工時，對防滲墻進(jìn)行振動監(jiān)測。通過試夯監(jiān)測數(shù)據(jù)確定可行保護(hù)距離，確保防滲墻安全。

2 振動測試方案

2.1 監(jiān)測儀器與控制標(biāo)準(zhǔn)

采用中國地震局工程力學(xué)研究所研制的G01通用數(shù)據(jù)采集儀和JBT型井下波速測試儀。防滲墻墻體各測點的質(zhì)點振動(加)速度峰值不超過5 cm/s和0.1 g。

2.2 試夯振動監(jiān)測

2.2.1 試驗?zāi)康?/p>

(1)比較防滲墻不同深度的強夯振動數(shù)據(jù)，確定有效控制位置。

(2)比較速度和加速度控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)根據(jù)不同夯擊能級確定防滲墻的有效保護(hù)范圍，為正常強夯測振任務(wù)提供依據(jù)。

2.2.2 試驗方法

(1)監(jiān)測斷面選擇

在95 m長的防滲墻上選擇墻體較深的兩個監(jiān)測斷面:(a)A=6 768.452，B=3 171.848;(b)A=6 723.529，B=3 174.482。

(2)測點布置

由于在內(nèi)徑60 mm的測斜管內(nèi)同時設(shè)置多個拾振器測試難度大、測試效果不佳，因此在第一個測斜孔兩邊0.5 m處各打一個鉛直孔(孔徑110 mm，孔深為8 m和12 m)?？组g距比夯檢距小1～2個數(shù)量級，三孔可以近似為同一平面點坐標(biāo)。獲取振動規(guī)律后，在另一測斜孔位置旁打一個鉛直孔，進(jìn)行驗證試驗。

在第一個監(jiān)測斷面上選取某一標(biāo)高同時測試速度和加速度，其他標(biāo)高設(shè)置速度測點。如圖1所示:以墻頂為±0 m標(biāo)高，在－1 m標(biāo)高設(shè)置1#加速度和2#速度測點，在－3 m、－5 m和－7 m標(biāo)高設(shè)置3#、4#和5#速度測點;根據(jù)測試結(jié)果，以2 m升降步長調(diào)整測點位置。

圖1 測點布置空間示意圖Fig.1 Space distribution of monitor points

(3)夯點布置

初選夯擊能級8 000 kN·m，夯檢距50 m。夯檢距由遠(yuǎn)至近;兩遍點夯分別對待;當(dāng)防滲墻測點的振動數(shù)據(jù)接近嚴(yán)格指標(biāo)時，確定安全距離。圖2為試驗夯點布置圖。

圖2 試驗夯點布置圖Fig.2 Layout of test tamping points

(4)拾振器固定

膠囊充氣后使三向拾振器與孔壁或孔底緊密接觸，振動信號通過屏蔽電纜線接至地面信號采集分析儀，如圖3所示。

2.3 正常強夯振動監(jiān)測

采用無人值守模式:現(xiàn)場布置監(jiān)測儀器和電腦主機(jī)，通過開機(jī)自動運行軟件啟動監(jiān)測儀器，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時，由無線收發(fā)硬件GPRS和手機(jī)卡向用戶端報警。用戶端同時接收現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)報告。

圖3 拾振器固定示意圖Fig.3 Fix of vibration pick-up

3 測試結(jié)果及分析

3.1 試夯結(jié)論

由表2可知:

(1)強夯施工引起塑性混凝土防滲墻的質(zhì)點振動強度最大峰值集中在墻體上端，并隨著測點標(biāo)高的降低呈衰減趨勢。

(2)加速度指標(biāo)0.1 g比速度指標(biāo)5 cm/s更嚴(yán)格。

表2 1#監(jiān)測斷面不同能級對應(yīng)最大振動監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Vibration monitor results of 1#profile at different energy levels of dynamic co MPaction

(3)8 000 kN·m、3 000 kN·m、2 000 kN·m、1 500 kN·m、1 000 kN·m對應(yīng)第一、二遍夯擊的安全距離分別為 45 m、30 m、25 m、20 m、15 m 和 50 m、35 m、30 m、25 m、20 m。

3.2 不同夯擊次數(shù)引起的振幅變化規(guī)律

圖4(a)、圖4(b)分別表示8 000 kN·m能級對應(yīng)夯檢距50 m以及1 000 kN·m能級對應(yīng)夯檢距20 m時，不同標(biāo)高測點對應(yīng)同一夯點不同夯擊次數(shù)的振動強度峰值變化規(guī)律，前8次夯擊屬于第一遍點夯，后8次夯擊屬于第二遍點夯。隨著夯擊次數(shù)的增加，振動強度不斷提高，回填土后，在第9次夯擊時有所回落，繼續(xù)夯擊時振動強度逐漸增加，曲線趨于水平。

3.3 不同夯擊能級的主頻統(tǒng)計

強夯振動波由多種不同頻率、相位和振幅的簡諧振動疊加而成。主頻指振幅最大的諧波分量對應(yīng)的頻率。表3列出不同夯擊能級引起塑性混凝土防滲墻墻體振動的主頻范圍。

表3 不同夯擊能級的主頻統(tǒng)計Tab.3 Dominant frequency statistics under different damping energy

由表3可知:強夯施工不同能級引起塑性混凝土防滲墻的振動主頻較低，均小于20 Hz;5個夯擊能級的主頻分布有差異，表現(xiàn)為小能級集中、大能級分散;加速度信號的主頻分布比速度相對集中。

圖4 不同夯擊次數(shù)的振動強度變化規(guī)律Fig.4 Change law of vibration amplitude under different damping times

當(dāng)強夯振動主振頻率接近防滲墻的自振頻率時，可能引起共振破壞。文獻(xiàn)［7］給出塑性混凝土防滲墻墻土系統(tǒng)的初始自振頻率在1.81 Hz～4.85 Hz之間，認(rèn)為其抗壓強度和極限應(yīng)變隨著圍壓的增加近似呈直線增大，導(dǎo)致自振頻率隨著應(yīng)變變化呈下降趨勢，除非地震強烈到使墻土系統(tǒng)各單元的動模量降到最低，否則不易發(fā)生共振。

3.4 同一夯擊不同標(biāo)高測點的能量分布

以規(guī)律性較好的振動速度為研究物理量，選取8 000 kN·m能級、夯檢距50 m、第一遍第五次夯擊作為研究對象，通過Hilbert－Huang Transform信號方法獲得－1 m、－3 m、－5 m和－7 m標(biāo)高測點速度信號對應(yīng)三個振動方向的Hilbert能量譜和瞬時能量譜，如圖5、圖6所示，三列信號的振動方向由左向右依次為水平垂直于防滲墻墻體(V向)、豎直平行于防滲墻墻體(R向)和水平平行于防滲墻墻體(T向)。

由圖5和圖6可知:

(1)對于防滲墻墻體的振動輸入能量，平行于墻體的方向顯著高于垂直于墻體的方向。對于墻體振動的時間先后次序，V向和R向在－1 m標(biāo)高率先振動，T向在－3 m標(biāo)高測點和－1 m標(biāo)高測點先后發(fā)生振動。說明強夯施工對該防滲墻的振動作用主要來自于地表淺層傳播下來的瑞利波。

圖5 不同測點各振動方向的Hilbert能量譜Fig.5 Hilbert energy spectrum of monitor points at different vibration directions

圖6 不同測點各振動方向的瞬時能量譜Fig.6 Instantaneous energy spectrum of monitor points at different vibration directions

(2)在V向，各標(biāo)高測點最大瞬時能量以及主頻對應(yīng)能量峰值相差不大。結(jié)合彈性力學(xué)理論可知，結(jié)構(gòu)受到振動時產(chǎn)生的應(yīng)力與振動速度呈正變關(guān)系。說明防滲墻墻體沿墻高的垂向應(yīng)力分布比較均勻。

(3)在R向，－1 m標(biāo)高測點對應(yīng)6.7 Hz～12.4 Hz的頻譜成分在－3 m標(biāo)高大幅衰減，－5 m和－7 m標(biāo)高測點的頻譜成分分別在7.6 Hz和8.6 Hz處占主導(dǎo)。隨著測點標(biāo)高的降低，最大瞬時能量出現(xiàn)的時刻往后推遲，對應(yīng)能量分別為0.47、0.18、0.21 和 0.11。

在T向，防滲墻墻體在－3 m標(biāo)高測點率先振動，其次是－1 m、－7 m和－5 m標(biāo)高。－3 m標(biāo)高測點在頻域7.6 Hz處含有較多頻譜成分，對應(yīng)最大瞬時能量也是各測點中最大的，為0.28，高于 －1 m標(biāo)高的0.09、－5 m 標(biāo)高的0.10 和 －7 m 標(biāo)高的0.12。

－1 m和－3 m標(biāo)高測點在土基第一層，－5 m標(biāo)高測點在第二層和第三層的交界處，－7 m標(biāo)高測點在第四層，比較發(fā)現(xiàn):主頻的降低導(dǎo)致相應(yīng)能量峰值的增加。這是由于土基分層導(dǎo)致瑞利波發(fā)生頻散效應(yīng)，當(dāng)主頻降低時，瑞利波波速和波長增大所致。

4 結(jié)論

結(jié)合本工程場地土情況，分析得到以下四點結(jié)論:

(1)針對強夯施工的塑性混凝土防滲墻振動監(jiān)測方案有效可行，為類似工程提供參照。試夯數(shù)據(jù)表明:加速度控制標(biāo)準(zhǔn)0.1 g比速度控制指標(biāo)5 cm/s更嚴(yán)格，同時給出5個不同能級對應(yīng)第一、二遍點夯的安全保護(hù)距離。

(2)強夯施工對塑性混凝土防滲墻的振動影響與防滲墻本身的埋深有很大關(guān)系。分析表明:塑性混凝土防滲墻墻體上端率先產(chǎn)生振動，并且振動強度最大。說明強夯振動對埋深僅為5 m的防滲墻而言，瑞利波的振動影響占主導(dǎo)地位。

(3)不同夯擊能級引起塑性混凝土防滲墻墻體的振動主頻小于20 Hz，且主頻最小值比較靠近塑性混凝土防滲墻的自振頻率。由于塑性混凝土防滲墻在外界振動荷載的作用下有良好的非線性協(xié)調(diào)能力，只要將振動強度控制在一定范圍內(nèi)，不易產(chǎn)生共振破壞。

(4)基于Hilbert-Huang Transform信號方法的時頻域能量變化規(guī)律表明:塑性混凝土防滲墻墻體沿墻高的垂向應(yīng)力分布比較均勻;由于分層介質(zhì)對瑞利波傳播特征的影響，當(dāng)主頻降低時，最大瞬時能量和主頻對應(yīng)能量小幅增加。

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