北京園博園回填土地基強(qiáng)夯振動(dòng)效應(yīng)測(cè)試研究

袁鴻鵠，劉愛(ài)友，姜 晶，李云鵬

(1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048;2.中國(guó)石油大學(xué) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 安全工程系，北京 102249)

0 引言

強(qiáng)夯法作為一種有效的地基加固技術(shù)而被廣泛應(yīng)用，因夯擊時(shí)對(duì)地基瞬時(shí)傳遞較大能量，一方面可使夯擊點(diǎn)及其一定范圍內(nèi)的土體壓密、孔隙比減小、地基承載力增高，達(dá)到加固地基的目的;而另一方面因強(qiáng)夯沖擊會(huì)產(chǎn)生大的噪音和較強(qiáng)烈的振動(dòng)波，對(duì)周圍地質(zhì)環(huán)境、工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定產(chǎn)生很大影響和危害。對(duì)此土木工程界就此開(kāi)展了大量的研究工作，并在理論、監(jiān)測(cè)及工程實(shí)踐方面取得了諸多重要研究成果。如對(duì)碎石場(chǎng)地強(qiáng)夯施工過(guò)程中實(shí)施地面振動(dòng)加速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到碎石土地基在強(qiáng)夯施工時(shí)的加速度衰減規(guī)律［1］;通過(guò)強(qiáng)夯振動(dòng)機(jī)理的分析對(duì)強(qiáng)夯施工環(huán)境振動(dòng)影響的測(cè)試儀器的組成和測(cè)試的方法，并對(duì)鄰近建筑物受強(qiáng)夯振動(dòng)影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究［2］;對(duì)強(qiáng)夯法加固地基機(jī)理的數(shù)值分析中存在的幾何非線性情況，采用非線性動(dòng)力有限法對(duì)強(qiáng)夯動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析［3］;對(duì)在碎石土回填地基上采用高能級(jí)強(qiáng)夯進(jìn)行了試驗(yàn)研究［4］;根據(jù)強(qiáng)夯處理高填方時(shí)土體存在局部大變形的特點(diǎn)，導(dǎo)出彈塑性大變形有限元?jiǎng)恿ζ胶夥匠?，并?duì)高填方時(shí)土體強(qiáng)夯處理進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到夯坑形狀、土體應(yīng)力變化及塑性區(qū)演化等結(jié)果［5］;采用動(dòng)力接觸有限元法分析了強(qiáng)夯對(duì)地基土的沖擊碰撞過(guò)程，并對(duì)模擬中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討研究［6］;另外，還有大量的研究成果［7，8］，在此不再贅述。盡管如此，由于強(qiáng)夯加固效果及其對(duì)環(huán)境的影響不但與強(qiáng)夯加固技術(shù)有關(guān)，而且與加固區(qū)域地層環(huán)境條件有很大關(guān)系。本文依托北京園博園水質(zhì)凈化工程，就其松散雜填土地基的強(qiáng)夯加固效應(yīng)及其對(duì)周圍地質(zhì)環(huán)境影響規(guī)律實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)研究，對(duì)點(diǎn)夯夯擊效應(yīng)和遍夯夯擊疊加效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，探討研究松散雜填土地基的強(qiáng)夯加固效應(yīng)及對(duì)周圍環(huán)境的影響范圍，為周圍構(gòu)筑物及環(huán)境保護(hù)措施設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 園博園濕地環(huán)境概況

園博園濕地水質(zhì)凈化工程位于永定河蓮石路下游右岸老灘地上擬建園博園南端，占地面積約40 萬(wàn)m2。園內(nèi)濕地總體地勢(shì)西北高東南低，地面高程最低處63.09 m，最高處72.06 m。歷史上曾大量開(kāi)采砂卵石作為建筑用砂礫料，并在該地留有許多砂卵石坑，后期這些砂卵石坑多被回填，回填土厚度4.6～16.3 m 不等，填土成份以建筑垃圾、生活垃圾、篩分砂礫料的棄料(即級(jí)配不好的卵礫石)等為主，表層和層間還有上游電廠沖下的粉煤灰等，成份復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)不均一，分布范圍及深度具有隨機(jī)性和不確定性，且該雜填土結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，局部有架空現(xiàn)象，在遇水或震動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生沉陷或震陷，產(chǎn)生地基的不均勻沉降，從而可能造成濕地防滲體結(jié)構(gòu)破壞。

試驗(yàn)場(chǎng)地位于濕地西側(cè)，依據(jù)前期勘察報(bào)告以及實(shí)地測(cè)斜鉆孔的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)域地層巖性自上而下具體為:雜填土，稍濕，松散—稍密，成份以粉土和砂土為主，約占40%～50%，房渣土約占30%～40%，含少量生活垃圾，厚度4.60～5.20 m，天然含水率較低，約為13.6%，現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)測(cè)得滲透系數(shù)為2.24×10－3～37.20×10－3cm/s，屬于中等—強(qiáng)透水地層;粉土層，褐黃色，稍濕，稍密，層厚約0.50 m;細(xì)砂層，褐黃色，稍濕，中密，層厚約3.00 m。卵礫石層之下為第三系始新統(tǒng)長(zhǎng)辛店(E2c)組泥巖和礫巖。

場(chǎng)地地下水位埋深16.00～19.10 m，近年地下水年降幅為0.5～1.0 m/年?，F(xiàn)場(chǎng)在深度為地面以下約0.5～2.0 m 內(nèi)進(jìn)行注水試驗(yàn)，獲得雜填土層滲透系數(shù)約為2.24×10－3～37.20×10－3cm/s，為中等—強(qiáng)透水地層。

2 強(qiáng)夯振動(dòng)波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試研究?jī)?nèi)容

強(qiáng)夯施工對(duì)地層的影響，最為明顯的標(biāo)志就是位移變化和振動(dòng)，位移包括沉降和水平位移，振動(dòng)則包含縱波和橫波的參數(shù)變化，在盡量不影響夯擊區(qū)域地層特性的情況下進(jìn)行強(qiáng)夯過(guò)程中的位移和振動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)試。本文的重點(diǎn)是關(guān)于松散雜填土地基的強(qiáng)夯加固效應(yīng)，振動(dòng)波傳遞規(guī)律，對(duì)周圍環(huán)境影響范圍，以及振動(dòng)影響安全距離等方面的探討研究，關(guān)于強(qiáng)夯夯沉量、地表沉降、深層水平位移等研究將有另文報(bào)道。

2.2 測(cè)試點(diǎn)布置

測(cè)試場(chǎng)地臨近公路，且存有大量堆積填土，如圖1所示。

圖1 實(shí)測(cè)區(qū)域及測(cè)點(diǎn)位置示意Fig.1 Map showing the measuring area and locations of measuring points

為了盡量保證夯擊以及測(cè)試結(jié)果的可靠性，夯擊區(qū)域選擇了沒(méi)有堆土的空地。強(qiáng)夯機(jī)錘重21 t，錘直徑2.4 m，落距15 m，夯擊能量約為3 000 kN·m，在夯擊點(diǎn)一側(cè)按一定間距布置1 條振動(dòng)實(shí)測(cè)線，各測(cè)點(diǎn)及強(qiáng)夯點(diǎn)位置如圖1 所示，其中夯擊點(diǎn)的編號(hào)代表夯擊次序，實(shí)測(cè)點(diǎn)傳感器安放如圖2 所示。

圖2 振動(dòng)測(cè)量平臺(tái)及儀器安放Fig.2 Vibration measuring platform and instrument placed

2.3 測(cè)試日程及頻次

強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)時(shí)間由2012年4月10 日起至4月28 日止，共19 天。具體實(shí)測(cè)安排見(jiàn)表1 所示。

3 強(qiáng)夯振動(dòng)波測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法

強(qiáng)夯實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)信號(hào)采用DASP 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集振動(dòng)信號(hào)，DASP(Data Acquisition and signal processing)軟件虛擬儀器庫(kù)是大容量數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理軟件系統(tǒng)。其與INV303/306 系列智能信號(hào)自動(dòng)采集處理分析儀配套，可方便快捷獲取強(qiáng)夯振動(dòng)信息。

強(qiáng)夯引起的地面振動(dòng)屬于低頻(0～50 Hz)振動(dòng)，為保證振動(dòng)信號(hào)的保真度，測(cè)量時(shí)的采樣頻率為512 Hz，即約為原始信號(hào)最高頻率的10 倍，滿足采樣定理。振動(dòng)采樣探頭采用速度傳感器，利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量附著物體的振動(dòng)速度。在時(shí)域分析過(guò)程中可通過(guò)對(duì)時(shí)間的一次微分和一次積分分別獲得振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移。振動(dòng)波的傳播速度可通過(guò)測(cè)量各質(zhì)點(diǎn)起振時(shí)間差(距離已知)來(lái)獲得，典型突發(fā)型信號(hào)波形如圖3 所示。

表1 測(cè)試日程安排及測(cè)試頻次Table 1 Test schedule and test frequency

圖3 典型突發(fā)型信號(hào)特征Fig.3 Characteristics of typical sudden signal

離散時(shí)域的傅里葉變換(DFT)是信號(hào)處理中的重要方法，然而，由于DFT 算法的運(yùn)算次數(shù)過(guò)多，通常不宜直接應(yīng)用在點(diǎn)數(shù)過(guò)多的信號(hào)分析中。為此，采用通過(guò)對(duì)時(shí)域中的振動(dòng)位移信號(hào)做快速傅里葉變換(FFT)，可得到信號(hào)的頻譜圖。強(qiáng)夯振動(dòng)信號(hào)的頻譜較為集中，頻譜峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為該振動(dòng)的主要頻率，阻尼比的計(jì)算采用半功率帶寬法。對(duì)于單自由度系統(tǒng)，阻尼比ζ 等于主頻兩側(cè)半功率點(diǎn)頻率差Δω 的一半和主頻ω0的比值，即ζ=0.5·Δω/ω0。

3.2 強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

按第3 節(jié)中的測(cè)試方案，在點(diǎn)夯和遍夯試驗(yàn)中，獲得了每擊各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度在地層中的傳播規(guī)律曲線，由測(cè)試曲線分析可見(jiàn)，各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)波相關(guān)信息由近及遠(yuǎn)逐漸衰減，其衰減規(guī)律基本上呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)或負(fù)冪函數(shù)的降低形式。圖4-圖5 給出了8 個(gè)夯點(diǎn)7 次夯擊時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度和加速度沿X 向的衰減曲線，圖中圖標(biāo)i-j，i 表示夯點(diǎn)，j 表示夯擊數(shù)。

圖4 X 向振動(dòng)速度峰值圖Fig.4 The peaks of vibration velocities in X direction

圖5 X 向振動(dòng)加速度峰值圖Fig.5 The peaks of vibration accelerations in X direction

由圖4-圖5 分析可見(jiàn)，強(qiáng)夯振動(dòng)能量在填土層中傳播呈一逐漸耗散過(guò)程，振動(dòng)波能流密度與傳播距離呈反比關(guān)系。隨著夯擊次數(shù)增加，夯點(diǎn)下方土體不斷被擊實(shí)、壓密，夯擊能向外(遠(yuǎn)處)傳遞量增強(qiáng)。隨著夯擊次數(shù)的增加，同一測(cè)點(diǎn)測(cè)到的速度和加速度也在逐漸加大。而且振動(dòng)速度和加速度沿水平X 向均大于其它兩個(gè)方向，但此規(guī)律隨夯擊點(diǎn)不同有一定差異。

關(guān)于強(qiáng)夯振動(dòng)影響范圍的確定，可參考《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2011)［9］，并借助爆破相關(guān)理論及薩道夫斯基公式，利用測(cè)試信息數(shù)據(jù)擬合給出夯擊時(shí)強(qiáng)夯振動(dòng)速度V 與傳播距離R 之間的關(guān)系，即:

同理可得其它夯擊下的強(qiáng)夯振動(dòng)速度與傳播距離之間的關(guān)系。

由上式分析可見(jiàn)，若已知強(qiáng)夯區(qū)域建筑結(jié)構(gòu)的允許安全振動(dòng)速度，可方便地給出在現(xiàn)有夯擊能條件下，強(qiáng)夯加固區(qū)強(qiáng)夯振動(dòng)的安全距離。如某結(jié)構(gòu)的允許安全振動(dòng)速度應(yīng)＜10 mm/s，該強(qiáng)夯區(qū)強(qiáng)夯振動(dòng)的安全距離應(yīng)約為50 m，則在此區(qū)域內(nèi)的建筑物應(yīng)實(shí)施保護(hù)加固措施。

4 結(jié)論

(1)地基土強(qiáng)夯振動(dòng)幅值、速度、加速度的變化規(guī)律與距離夯點(diǎn)的遠(yuǎn)近有關(guān)，對(duì)于較近點(diǎn)(4.7～5.68 m以內(nèi))的振動(dòng)，三者均隨時(shí)間迅速衰減，對(duì)于較遠(yuǎn)點(diǎn)(7.7 m 以外)來(lái)說(shuō)，它們的變化規(guī)律為先增大后減小，且振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

(2)振動(dòng)位移峰值、速度峰值、加速度峰值隨著振動(dòng)波的傳播距離而逐漸衰減，這種衰減大致呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)形式。

(3)信號(hào)在傳播過(guò)程中，高頻成分衰減更快，因此主頻將逐漸減小，這一點(diǎn)與外圍實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律一致，離夯點(diǎn)近的測(cè)點(diǎn)，其主頻數(shù)據(jù)有差異。

(4)對(duì)于本場(chǎng)地房渣土，在50 m 處的振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度量值均較小，分別為5～10 mm/s，1 m/s2，對(duì)普通建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)損傷破壞，該區(qū)的強(qiáng)夯振動(dòng)影響范圍應(yīng)在50 m 左右。

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［9］GB6722—2011，爆破安全規(guī)程［S］.