樁基施工振動(dòng)對(duì)建筑物影響的測(cè)試方法

藍(lán)耀榮

[摘要]城市建設(shè)的建設(shè)過(guò)程中，特別是在舊城的改擴(kuò)建中，樁基施工已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但因?yàn)闃痘┕ねǔＪ菑?qiáng)迫振動(dòng)的過(guò)程，所產(chǎn)生的工程激振可能會(huì)對(duì)周邊建筑物造成影響，危害居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著工程測(cè)振技術(shù)不斷的發(fā)展，也就提供了解決此類問(wèn)題的辦法。但是因?yàn)榈叵抡駝?dòng)的過(guò)程非常復(fù)雜性，優(yōu)化評(píng)價(jià)方法與測(cè)試手段以及確定合適計(jì)算模型是決定測(cè)振質(zhì)量的關(guān)鍵。本文介紹了樁基施工振動(dòng)對(duì)建筑物影響的測(cè)試原理與方法，分析了具體的工程案例，以供參考。

[關(guān)鍵詞]樁基施工 振動(dòng) 建筑物 測(cè)試

[中圖分類號(hào)] P2 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-9-372-3

1引言

樁基施工時(shí)引起相鄰地段地基土應(yīng)力重新分布、變形，由于振動(dòng)能量的擴(kuò)散從而引起周?chē)ㄖ铩?gòu)筑物變形產(chǎn)生危害，這一問(wèn)題已引起建筑業(yè)內(nèi)人士的高度重視，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了此項(xiàng)測(cè)試工作，并得出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論。

例如，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)法、跨孔法、深標(biāo)點(diǎn)水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)以及磁環(huán)式沉降儀進(jìn)行觀測(cè)等等。

由于土體一般較為復(fù)雜性，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試的目的也大都不一樣相，因此經(jīng)驗(yàn)數(shù)值具有局限性。

利用各種監(jiān)測(cè)方法對(duì)周?chē)ㄖ?、?gòu)筑物影響跟蹤測(cè)試，利用先進(jìn)的儀器設(shè)備將樁基施工振動(dòng)的整個(gè)過(guò)程科學(xué)準(zhǔn)確的記錄下來(lái)，可以直觀的明確責(zé)任，緩和矛盾，確保城市建設(shè)工作的順利進(jìn)行，節(jié)約造價(jià)，加快進(jìn)度，保證鄰近的建筑物在施工的過(guò)程中能夠正常使用。

2測(cè)試的原理與方法

2.1振動(dòng)特性分析

在進(jìn)行樁基施工的過(guò)程中，地下某個(gè)部位會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生瞬間激振，地層內(nèi)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)因?yàn)槭芷日駝?dòng)會(huì)通過(guò)波動(dòng)的形式由振源通過(guò)地層半空間傳播到外處，為于振源區(qū)時(shí)主要是體波，當(dāng)傳播到一定距離之后就會(huì)變成主導(dǎo)波。

當(dāng)?shù)貙拥馁|(zhì)點(diǎn)受迫發(fā)生振動(dòng)時(shí)，土體單元會(huì)受到剪應(yīng)力與正應(yīng)力的應(yīng)變作用，實(shí)際的體系可以看做是具有單位高度與橫截面積的土柱構(gòu)成的一種離形體系。

假設(shè)土體的質(zhì)量集中在該層中由上到下的幾個(gè)離散點(diǎn)，當(dāng)土中的某一個(gè)單元發(fā)生激振時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)能量的振動(dòng)，這種地下振動(dòng)的特性通常用振動(dòng)的頻率、持續(xù)時(shí)間以及振動(dòng)幅度表示，除此之外它和地層結(jié)構(gòu)，振源機(jī)制及介質(zhì)的動(dòng)力特性都有密切的關(guān)系。

當(dāng)振動(dòng)超出某一個(gè)限定的數(shù)值之后，地層土體所受到的瞬間振動(dòng)荷載將會(huì)大于其本身所能承受的最大值，這樣就會(huì)導(dǎo)致地基基礎(chǔ)以及建筑物上部的構(gòu)件失去穩(wěn)定性，對(duì)建筑物的耐用性造成威脅，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)居民的生命與財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。

2.2計(jì)算模型

由打樁引起的振動(dòng)，其傳播是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，施工組織方案、樁基形式以及施工機(jī)械等都會(huì)對(duì)打樁時(shí)產(chǎn)生的地振動(dòng)效應(yīng)造成影響，而巖土的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)是對(duì)地振動(dòng)效應(yīng)造成影響的主要因素。

目前，工程界對(duì)因?yàn)楸贫斐烧駝?dòng)的測(cè)試技術(shù)已經(jīng)非常成熟，通常都是先經(jīng)過(guò)多次的模擬試驗(yàn)，然后在運(yùn)用最小二乘法擬合出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這樣就會(huì)得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式以及對(duì)振動(dòng)進(jìn)行估算的主要參數(shù)。測(cè)試樁基造成振動(dòng)的技術(shù)與測(cè)量爆破造成振動(dòng)的公式相似。但最科學(xué)的方法就是將891-2型拾振器埋設(shè)在樁基影響面的測(cè)試點(diǎn)之上，測(cè)得影響面的振幅，帶入計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的最大加速度或是振動(dòng)速度，這樣就可以得出指點(diǎn)地震的烈度。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的公式為：V=A0/μm。

其中A0 代表的是某處質(zhì)點(diǎn)所測(cè)得振動(dòng)幅值的最大值，單位是cm，μ表示所用測(cè)試儀器的靈敏度，m表示所用測(cè)試測(cè)試儀器系統(tǒng)的增益值。

2.3儀器標(biāo)定

使用靈敏度較高的VC63B測(cè)振儀器測(cè)試影響面上某個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，并將該點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度隨振源強(qiáng)度以及時(shí)間的變化情況記錄下來(lái)，再通過(guò)上述的公式計(jì)算分析。在測(cè)量之前，還應(yīng)對(duì)測(cè)振儀器以及與之相配套的891-2型拾振器的靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，如下圖圖1所示，其中1代表的是振動(dòng)臺(tái)，2代表的是加速度傳感器，3代表的是速度傳感器，4代表的是電荷放大器，5代表的是測(cè)量放大器，6代表的是功率放大器，7代表的是信號(hào)發(fā)生器，8代表的是測(cè)振儀。

利用關(guān)系式對(duì)儀器以及891-2型拾振器在某一個(gè)振動(dòng)速度下，頻率的改變引起系統(tǒng)輸出幅頻變化的特性：μ=A/V，其中μ表示儀器系統(tǒng)的靈敏度，A表示不同頻率下的振幅，單位是毫米，V表示的是輸入振動(dòng)的速度。在求得儀器的靈敏度后，在實(shí)際工程振動(dòng)測(cè)試時(shí)，只要將儀器和傳感器置于待測(cè)的某一處，并固定其放大倍數(shù)，再測(cè)得在振動(dòng)的某一瞬間的最大振幅值，就可以按上式直接計(jì)算出由于錘擊等強(qiáng)迫振動(dòng)而引起的該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度V。

2.4影響振動(dòng)測(cè)試的因素

因?yàn)闃痘氖┕C(jī)理比相對(duì)復(fù)雜，這就導(dǎo)致振動(dòng)測(cè)試的工作也會(huì)受到諸多不確定因素的影響，因此，不同資料上所顯示影響范圍的數(shù)值并不一樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以知道樁基施工對(duì)附近建筑構(gòu)建的影響程度，主要與被影響建筑物自振的頻率、使用功能以及抗御能力、錘的能量與錘擊頻率、施工地距建筑物的距離、樁基工作原理與類型、四周土層物理力學(xué)的性質(zhì)、以及施工的速度與順序等因素密切相關(guān)。

2.5實(shí)驗(yàn)方法的選擇

在實(shí)際的測(cè)量中，根據(jù)實(shí)際情況以及測(cè)試要求的不同，目前通常采用Endevco 壓電加速度傳感器、R3765BH信號(hào)分析儀、ADBZ2101型電荷放大器、891-2型測(cè)振儀以及 Agilent的53181A型頻率計(jì)等測(cè)試儀器測(cè)出需要的數(shù)據(jù)，記錄下來(lái)之后進(jìn)一步進(jìn)行分析和記錄。

實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，如果受到影響的建筑結(jié)構(gòu)易于靠近，對(duì)測(cè)試工作的開(kāi)展非常有利，這樣可一采取單點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試；如果被影響的建筑結(jié)構(gòu)所處區(qū)域較為狹窄，不方便測(cè)試工作，可運(yùn)用多點(diǎn)的方法進(jìn)行測(cè)試，依照各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)記錄的波形圖與數(shù)值，按照同間距的比例標(biāo)繪，參考地面振動(dòng)波的衰減規(guī)律就能夠得到衰減曲線。根據(jù)曲線可以得到影響界面實(shí)際的衰減規(guī)律，由此能夠計(jì)算出建筑物在地表的振幅、速度、加速度等振動(dòng)特性參數(shù)。

2.6計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)方法

在進(jìn)行樁基施工的過(guò)程中對(duì)附近建筑物振動(dòng)造成的影響，能夠通過(guò)特性參數(shù)的加速度、振幅、地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度以經(jīng)濟(jì)頻率來(lái)確定。

因?qū)痘┕ふ駝?dòng)效應(yīng)的評(píng)價(jià)目前尚沒(méi)有一定的規(guī)范，所以在計(jì)算出測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度，從表l中查得相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)地震烈度值后，還需參考有關(guān)規(guī)范并作適當(dāng)?shù)谋容^，才能為房屋的安全性能作出科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)。

建議同時(shí)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》、《中國(guó)地震烈度表》以及及有關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.7振動(dòng)測(cè)試的注意事項(xiàng)

在實(shí)際的操作中要注意以下幾點(diǎn)：

第一就是檢測(cè)儀器必須系統(tǒng)標(biāo)定。

第二就是單點(diǎn)測(cè)試通常用于檢測(cè)離開(kāi)振源一定距離的結(jié)構(gòu)物的情況，測(cè)出幅值即可，所以測(cè)點(diǎn)較少。

第三就是多點(diǎn)測(cè)試主要用于研究場(chǎng)地的衰減特性，測(cè)點(diǎn)布置與振源成直線排列，測(cè)點(diǎn)間隔根據(jù)地質(zhì)、地形條件而定。

第四就是用加速度計(jì)測(cè)試時(shí)，在測(cè)點(diǎn)處需預(yù)設(shè)樁頭以便固定加速度計(jì)。 軟土地基上樁基設(shè)計(jì)的探討。

3工程實(shí)例

3.1方案確定

測(cè)試在A市某房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司擬建住宅小區(qū)的工地上進(jìn)行，工地周?chē)悄炒鍍蓪哟u混結(jié)構(gòu)的住宅區(qū)。

該工程采用中377振動(dòng)沉管灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)力偽1，樁端持力層為粉質(zhì)粘上。

為了檢測(cè)打樁過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)周?chē)穹慨a(chǎn)生的影響程度，于2014年7月3日和7月1 9日分別對(duì)其中的1 2戶住房進(jìn)行振動(dòng)側(cè)試，以確定房屋的安全度。

為測(cè)定房屋的最大振動(dòng)量，然后進(jìn)一步布置振源和測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)分別布置在房屋的一層地面及二層頂面，振源為兩次試驗(yàn)所在位置。

試驗(yàn)時(shí)，按設(shè)計(jì)采用單打法施工。

沉管過(guò)程中，增加配重來(lái)提高沉管的效率，另經(jīng)探測(cè)，未發(fā)現(xiàn)管內(nèi)有地下水或泥漿滲入。

當(dāng)樁管下沉至樁尖設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，就停止灌注混凝土的振動(dòng)，當(dāng)混凝土灌滿之后，先振動(dòng)8秒，然后振動(dòng)邊拔管，樁管里要超過(guò)2米的混凝土，在撥的過(guò)程中要注意每拔0.5米，就要停下1 0 秒鐘，但此時(shí)要繼續(xù)振動(dòng)，按照這個(gè)順序直到整根樁管都拔出。

在這個(gè)過(guò)程里，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)與振撥保持同步。

之后繪制靈敏度頻響曲線，其中測(cè)試時(shí)主機(jī)記錄長(zhǎng)度的設(shè)置最大記錄時(shí)間為2小時(shí)，數(shù)據(jù)顯示每屏1024點(diǎn)，分析系統(tǒng)采樣1 0ms，最后選取振幅最大的波形并且求得振動(dòng)速度，對(duì)振動(dòng)烈度進(jìn)行分析。

3.2振動(dòng)效應(yīng)評(píng)價(jià)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定、對(duì)一般磚房，由爆破引起的地面質(zhì)點(diǎn)安全振動(dòng)速度應(yīng)處于20mm/s以內(nèi)，與爆破相比，臨近房屋在打樁機(jī)的影響下的受振次數(shù)明顯偏多，所以由打樁機(jī)造成的地面安全振動(dòng)速度要低于上述規(guī)范所要求的數(shù)值。

查閱《中國(guó)地震烈度表》，當(dāng)一般房屋的最大振動(dòng)的速度在1.5到3.0厘米每秒的時(shí)候，地震的烈度就等于V度，門(mén)窗、屋頂以及屋架會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，出現(xiàn)聲響，灰土掉落，抹灰出現(xiàn)微細(xì)裂縫。因?yàn)榈卣鹆叶缺硎侨悍縼?lái)設(shè)定的，所以用它來(lái)對(duì)一間房屋的振動(dòng)效應(yīng)作出評(píng)價(jià)，難免會(huì)存在一定的偏差，根據(jù)上文的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可已知道周邊民房在打樁機(jī)振動(dòng)影響下的振動(dòng)的速度在1.0厘米每秒的，一般來(lái)說(shuō)是安全的。

受試驗(yàn)民房在打樁機(jī)振動(dòng)影響下，相應(yīng)的地震烈度最大為三度，考慮到振動(dòng)在建筑物因固有振蕩頻率附近的增強(qiáng)特性，加上振動(dòng)的長(zhǎng)期積累效應(yīng)，對(duì)建筑物的影響最大定為四度。

因此，該試驗(yàn)房屋在打樁機(jī)振動(dòng)的影響下處于安全范圍。

4減輕樁基施工振動(dòng)對(duì)建筑物影響的主要方法

為最大程度降低樁基施工振動(dòng)對(duì)建筑物影響，在施工過(guò)程中可以使用新型的樁基，例如螺旋鉆裝置并用壓入法該工法在砂礫、卵石層或巖層等堅(jiān)硬地層中，利用技研獨(dú)創(chuàng)的“除芯理論”在壓入的同時(shí)通過(guò)螺旋鉆鉆掘來(lái)降低貫入阻力，從而實(shí)現(xiàn)壓入作業(yè)。與靜壓植樁機(jī)主體聯(lián)動(dòng)的“螺旋鉆裝置”最小限度地鉆掘樁前端正下方的地層，在抑制壓力球根發(fā)生的同時(shí)，將樁貫入地中。由于排土量少，所以不會(huì)破壞周邊地層，能夠迅速地構(gòu)筑具有強(qiáng)大支持力的完成樁。此工法可適用于泥巖、砂巖、花崗巖等的軟巖Ⅰ、軟巖Ⅱ以及中硬巖層。旋轉(zhuǎn)切削壓入法該工法不僅可以克服卵石層或巖層等堅(jiān)硬地質(zhì)，還可以在有漂石或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物等地下障礙物的條件下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削壓入施工。該壓入技術(shù)極大地拓寬了壓入工法的適用范圍。使用“旋入式靜壓植樁機(jī)”旋轉(zhuǎn)前端裝有鉆齒的鋼管樁，切削貫通地中障礙物進(jìn)行壓入。該工法除具有壓入原理的無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音等施工優(yōu)點(diǎn)之外，通過(guò)使用樁端的特殊鉆齒，實(shí)現(xiàn)了最小限度的切削，有效地控制了排土量，對(duì)環(huán)境的影響控制到最小范圍。在實(shí)現(xiàn)了環(huán)保施工的同時(shí)還抑制了樁的偏芯和變形，構(gòu)筑成為高可靠性、高精度的完成樁。

5小結(jié)

根據(jù)以上試驗(yàn)和測(cè)試分析，在不改變測(cè)試條件下開(kāi)始施工，整個(gè)工程進(jìn)展順利，四周的房屋安全也沒(méi)有受到樁基的影響。這說(shuō)明上文中所提到的振動(dòng)測(cè)試分析與監(jiān)測(cè)的方法和理論與工程建設(shè)是完全適應(yīng)的。除了這些之外在測(cè)振的過(guò)程中要對(duì)場(chǎng)地的形態(tài)繼續(xù)擰全面的考慮，為安全施工提供保障。

Test method for effect of pile foundation

construction vibration to buildings

[Abstract] the construction process of city construction， especially in the old city reconstruction， construction of pile foundation has been widely used. But because of the pile foundation construction is usually forced vibration， engineering excitation generated may impact on the surrounding buildings， endanger the life and property safety of residents. With the development of engineering measurement technology continuously， also provides a way to solve the problem is. But because the process of underground vibration is very complexity， the optimization of evaluation methods and testing means and determine the appropriate calculation model is the key to decide the quality of vibration. This paper introduces the testing principle and method of influence of pile foundation construction vibration to buildings， analyses the specific project case， for reference.