強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)高鐵橋墩造成的地震效應(yīng)檢測(cè)

鹿子林, 夏 暖, 張士鵬, 竇連波, 徐文星

（1.山東省地震工程研究院，山東 濟(jì)南 250021；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006）

強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)高鐵橋墩造成的地震效應(yīng)檢測(cè)

鹿子林1, 夏 暖1, 張士鵬2, 竇連波2, 徐文星1

（1.山東省地震工程研究院，山東 濟(jì)南 250021；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006）

為確保高鐵設(shè)施的安全，針對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的特點(diǎn)，根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)條件，選取離橋墩最近的夯點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，在附近三個(gè)橋墩處設(shè)置三組檢測(cè)點(diǎn)，每組三個(gè)分向（徑、切、垂），對(duì)強(qiáng)夯造成的地面振動(dòng)速度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該次強(qiáng)夯振動(dòng)不會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生破壞性影響。

強(qiáng)夯；振動(dòng)；橋墩；檢測(cè)

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.015

1674-8565（2017）04-0081-06

山東省地震局合同制科研項(xiàng)目“地球物理勘探信息系統(tǒng)建設(shè)”（16Y103）

2017-04-12

2017-08-12

鹿子林（1980- ），男，山東省淄博市人，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地球物理勘探、活斷層研究等方面的工作。E-mail：lvlin3956@163.com

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)推進(jìn)、工礦企業(yè)的資源開發(fā)加劇，現(xiàn)場(chǎng)施工及各種設(shè)施的運(yùn)行產(chǎn)生的干擾，對(duì)人類的影響越來越大，尤其是振動(dòng)干擾[1-2]，比如強(qiáng)夯、爆破等對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物特別是涉及到安全運(yùn)行的設(shè)施、有人居住的小區(qū)、民房等都會(huì)造成一定的影響[3-6]，在一定范圍內(nèi)激化了社會(huì)矛盾。為了把振動(dòng)干擾控制在一定的范圍內(nèi)，就需要對(duì)振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，采取措施確保振動(dòng)不超標(biāo)，保證各設(shè)施的安全。

某在建商場(chǎng)項(xiàng)目在高鐵附近，正在進(jìn)行強(qiáng)夯施工，某鐵路工務(wù)段工作人員在對(duì)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施例行安全巡檢時(shí),發(fā)現(xiàn)該在建商場(chǎng)強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的振動(dòng)波有可能對(duì)已運(yùn)行一年的高鐵橋墩產(chǎn)生影響,為了確保高鐵基礎(chǔ)設(shè)施安全,我方對(duì)該強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行了檢測(cè)。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

1.1 地形地貌

場(chǎng)地所屬地貌單元為第四系沖洪積地貌特征，地層為沖洪積成因，地形平坦，地面標(biāo)高最大值為33.70m，最小值為31.88m，地表相對(duì)高差1.82m。地下水屬于孔隙潛水，勘探期間地下水埋深1.90～2.70m，平均埋深2.16m；相應(yīng)標(biāo)高29.78～31.60m，平均30.76m。

1.2 場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)

場(chǎng)地鉆孔揭露深度范圍內(nèi)，上部地層為第四系沉積物，下部基巖為燕山晚期輝長(zhǎng)巖。地層從上而下分為10層：（1）雜填土（Q4

ml）；（2）粉質(zhì)粘土（Q4al+pl）；（3）粉質(zhì)粘土（Q3

al+pl）；（4）粘土（Q3al+pl）；（5）粉質(zhì)粘土（Q3

al+pl）；（6）殘積土（Q3el）；（7）全風(fēng)化輝長(zhǎng)巖（γ5

3）；（8）強(qiáng)風(fēng)化輝長(zhǎng)巖（γ53）；（9）中風(fēng)化輝長(zhǎng)巖（γ53）。

圖1為場(chǎng)地典型工程地質(zhì)剖面圖，從圖中可以看出淺部覆蓋層主要為第四系粉土及粉質(zhì)粘土，主要層位基本連續(xù)、近水平層狀分布，局部有較小起伏和夾層，下伏輝長(zhǎng)巖分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化三層，各孔的風(fēng)化程度不一致，基巖面略有起伏，但起伏較為平緩。

圖1 場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological section

1.3 場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)場(chǎng)地鉆孔工程地質(zhì)剖面圖及地層描述來看，場(chǎng)地地形地貌單一，第四系地層主要為雜填土、粉質(zhì)粘土、粉土和碎石土，下伏基巖為燕山晚期輝長(zhǎng)巖，地層分布較連續(xù)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬同一個(gè)工程地質(zhì)單元。無不良地質(zhì)現(xiàn)象，物理力學(xué)性質(zhì)較均勻，穩(wěn)定性較好，基巖分布連續(xù)，厚度穩(wěn)定，所揭露的地層沒有錯(cuò)動(dòng)和位移跡象。覆蓋層厚度小于30m，場(chǎng)地土的等效剪切波速為211.7m/s，場(chǎng)地土類型為中軟土，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 強(qiáng)夯振動(dòng)的特點(diǎn)

2.1 夯擊能量的影響

強(qiáng)夯錘體從空中自由墜落時(shí)，大部分能量轉(zhuǎn)變成夯擊能，使地基得到加固，其中部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸩?，以波的形式從夯擊點(diǎn)向各個(gè)方向傳播，引起地面振動(dòng)，這種波包含壓縮波（P 波）、剪切波（S波）和瑞利波（R 波），其中壓縮波約占振動(dòng)能量的7%，剪切波約為 26%，瑞利波所占的比例最大，約為67%。瑞利波是一種表面波，由于瑞利波積聚的能量較大，且沿自由表面?zhèn)鞑?，其傳播的距離也較大，是強(qiáng)夯施工對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生振動(dòng)影響的主要能量，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度超過一定水平時(shí)，就會(huì)造成建筑物的破壞。一般的，夯擊能量越大，在同一點(diǎn)造成的振動(dòng)越大，夯擊能與振動(dòng)速度呈二次曲線關(guān)系，夯檢距較小時(shí)，曲線較陡，隨著夯檢距的增大，曲線變緩，即近夯點(diǎn)時(shí)，隨著夯擊能的增大，振動(dòng)速度增加的較快；遠(yuǎn)夯點(diǎn)時(shí)，則隨著夯擊能的增大，振動(dòng)速度增加的較慢。這表明，近夯擊點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)夯擊能量的變化較為敏感，這與夯擊振動(dòng)的衰減規(guī)律密切相關(guān)。

2.2 夯檢距的影響

研究表明，離夯擊點(diǎn)越近，地面振動(dòng)的強(qiáng)度越高，反之，強(qiáng)度就越低。強(qiáng)夯引起的地面振動(dòng)的振幅值隨著夯檢距離增大按負(fù)冪函數(shù)曲線的形式急劇衰減，隨著距夯點(diǎn)距離的增大，衰減速度逐漸降低[7]。故強(qiáng)夯振動(dòng)主要影響夯擊點(diǎn)附近較小的區(qū)域。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過大量的研究給出了針對(duì)一般建筑物的大致安全距離，但作者認(rèn)為就個(gè)案而言，不同的地質(zhì)情況、不同的夯擊能量，不同的振動(dòng)頻率等多種因素對(duì)建筑物的影響是多方面的，不能單獨(dú)就振動(dòng)強(qiáng)度來確定安全距離，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，特別是臨近有重要建筑時(shí)，不可憑經(jīng)驗(yàn)武斷確定。當(dāng)夯擊施工無法避免的要影響到臨近建筑物時(shí)，可以采取挖掘防震溝，減小夯擊能等措施，降低振動(dòng)影響。

2.3 夯擊次數(shù)的影響

理論上,同一夯擊點(diǎn)上,隨著夯擊次數(shù)的增多,土層逐漸密實(shí),地面同一點(diǎn)的振動(dòng)幅值一般是隨著擊數(shù)的增大而增大,最后土層密實(shí)到一定程度后，振動(dòng)幅值趨于定值，夯擊次數(shù)與振動(dòng)強(qiáng)度呈二次曲線關(guān)系，但受各種因素的影響,錘體觸地時(shí)的姿態(tài)、落點(diǎn)并非與上一次完全一致，所以振動(dòng)幅值并非像理想中那樣逐漸增大,而是隨著擊數(shù)的增大，振動(dòng)幅值整體趨于二次曲線分布，即呈現(xiàn)逐步增大且增速逐漸變小的趨勢(shì)，并伴有個(gè)別減小的現(xiàn)象。

2.4 夯擊振動(dòng)的方向和頻率特征

不同研究者就強(qiáng)夯產(chǎn)生的地面振動(dòng)極值有不同見解，有學(xué)者測(cè)的徑向最大，有學(xué)者測(cè)的垂向最大，作者認(rèn)為：強(qiáng)夯施工的介質(zhì)一般為土體，而土體為非彈性、非均勻性介質(zhì)，瑞利波在土體中的傳播較在彈性介質(zhì)中的傳播要復(fù)雜的多，再加上錘體的形狀、落地的姿態(tài)，波傳播過程中遇到的特殊地質(zhì)體，隱伏的建構(gòu)筑物基礎(chǔ)等因素，最終導(dǎo)致在地面實(shí)測(cè)的最大分量可能會(huì)不同。

強(qiáng)夯施工激發(fā)的主振頻率較低，通常主頻在2～16Hz內(nèi)，一般與強(qiáng)夯點(diǎn)的場(chǎng)地條件有關(guān)，硬度較大的場(chǎng)地測(cè)得的主振頻率較高；近夯擊點(diǎn)測(cè)得的主振頻率高頻分量大，隨著振動(dòng)傳播距離的增大，其高頻成分逐漸衰減，振動(dòng)主頻相對(duì)變低，強(qiáng)夯施工對(duì)周圍固有頻率較低的建、構(gòu)筑物造成的影響也不能忽視。

夯擊產(chǎn)生的脈沖地震波與爆破產(chǎn)生的地震波具有相似性，都是瞬時(shí)達(dá)到振動(dòng)峰值，并且持續(xù)時(shí)間很短，一般在2s以內(nèi)，包含不同頻率成分，所以其產(chǎn)生的破壞可按《爆破安全規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定（表1）。

表1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)[8]

3 振動(dòng)檢測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)工作布置

在建商場(chǎng)位于高鐵線以東。最近的夯擊點(diǎn)距離高鐵橋墩約100m，地勢(shì)較為平坦，但工地與橋墩之間、沿鐵路線方向有不連續(xù)土堆。工地北側(cè)為國(guó)道車輛密集，南側(cè)為普通道路，車輛較少，東側(cè)為市內(nèi)交通要道，車輛較多。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)布置圖Fig.2 Field detection layout

本次強(qiáng)夯設(shè)備為宇通400型，錘重20t，提升高度15m，單擊夯擊能力3000KN.m，每個(gè)夯擊點(diǎn)夯擊次數(shù)基本在9～10次，選取設(shè)計(jì)強(qiáng)夯區(qū)域離橋墩側(cè)最近的點(diǎn)進(jìn)行夯擊檢測(cè)，在距離夯點(diǎn)較近的三個(gè)橋墩處分別放置一組檢測(cè)點(diǎn)，每組檢測(cè)點(diǎn)記錄三個(gè)分向（徑、切、垂）的振動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)布置見圖2，全過程記錄相鄰3個(gè)夯擊點(diǎn)完整周期的振動(dòng)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

數(shù)據(jù)采集儀使用北京東方噪聲和振動(dòng)研究所生產(chǎn)的INV306D型，拾震器使用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891-2型。拾震器已經(jīng)過中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢定合格。因場(chǎng)地處于鬧市區(qū)，交通、施工等干擾較多，故選擇在凌晨干擾較少的時(shí)段進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)三組夯擊振動(dòng)分別進(jìn)行連續(xù)記錄，采樣頻率1024Hz，總記錄時(shí)長(zhǎng)約2410s。夯擊點(diǎn)1夯擊次數(shù)9，夯擊點(diǎn)2夯擊次數(shù)10，夯擊點(diǎn)3夯擊次數(shù)9。按照規(guī)范要求讀取各檢測(cè)點(diǎn)的極大值，具體參數(shù)如表2所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)情況

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，三個(gè)分向的振動(dòng)速度基本都在一個(gè)數(shù)量級(jí)，差別不大，但總體上水平向的振動(dòng)幅度較大（表2），圖3-5分別是A、B、C三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的最大振動(dòng)速度時(shí)的時(shí)程及其對(duì)應(yīng)的頻譜，對(duì)所有振動(dòng)時(shí)程進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)，本次振動(dòng)的主頻在6～10Hz之間分布，三個(gè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度分別為0.11cm/s、0.10cm/s、0.12cm/s，檢測(cè)點(diǎn)A距離夯點(diǎn)較近，但檢測(cè)到的振動(dòng)速度比C點(diǎn)小，估計(jì)是受地表與鐵路線平行分布的土堆影響所致，土堆對(duì)地震波的傳播起到了一定的衰減作用。

圖3 測(cè)點(diǎn)A最大振動(dòng)速度時(shí)程（左）及其頻譜（右）Fig.3 Maximum vibration velocity time course of point A ( left ) and its spectrum ( right )

圖4 測(cè)點(diǎn)B最大振動(dòng)速度時(shí)程（左）及其頻譜（右）Fig.4 Maximum vibration velocity time course of point B ( left ) and its spectrum ( right )

圖5 測(cè)點(diǎn)C最大振動(dòng)速度時(shí)程（左）及其頻譜（右）Fig.5 Maximum vibration velocity time course of point C ( left ) and its spectrum ( right )

根據(jù)GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中對(duì)新澆大體積混凝土（C20）的振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)（表1），f≤10Hz時(shí)齡期7～28d的振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn)是7cm/s, 各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度為0.12cm/s,數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，故本次強(qiáng)夯施工所產(chǎn)生的地面振動(dòng)對(duì)橋墩不會(huì)產(chǎn)生破壞性影響。

3.3 數(shù)據(jù)特征分析

表3為檢測(cè)點(diǎn)A的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)可知，垂向和切向的振動(dòng)峰值都出現(xiàn)在負(fù)半軸即波谷的位置，切向振動(dòng)峰值出現(xiàn)在正半軸即波峰的位置，其余檢測(cè)點(diǎn)也具有該特征；三個(gè)分向的振動(dòng)絕對(duì)幅值差別不大，但水平向的振動(dòng)絕對(duì)幅值要普遍大于垂直向，切向和徑向的絕對(duì)幅值差別不大，極值出現(xiàn)在切向的波谷位置。

表3 檢測(cè)點(diǎn)A實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

隨著夯擊次數(shù)的增加，三個(gè)分向的振動(dòng)絕對(duì)幅值總體呈增大趨勢(shì)，增大的速度逐漸放緩，增大到一定的數(shù)值后，基本保持恒定。圖6為同一檢測(cè)點(diǎn)（A）記錄的相鄰3個(gè)夯擊點(diǎn)（夯擊點(diǎn)1～3，夯檢距相同）的夯擊過程（每個(gè)夯擊點(diǎn)8～9擊），由圖6可以看出在第一次夯擊時(shí)，相鄰夯擊點(diǎn)的地質(zhì)條件基本相同，產(chǎn)生的振動(dòng)速度大小是基本一致的，隨著夯擊次數(shù)的增多（以塑性變形為主的階段內(nèi)），錘體觸地的一致性變差，故幅值不會(huì)按理想狀態(tài)來分布，但是幅值在總體趨于增大的過程中會(huì)逐漸趨向一致，即經(jīng)過足夠次數(shù)的夯擊之后，介質(zhì)物性指標(biāo)會(huì)變得趨于一致，振動(dòng)幅值趨于穩(wěn)定。

圖6 夯擊次數(shù)與振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系（垂向）Fig.6 The relationship between the number of ramming times and the vibration intensity ( vertical )

4 結(jié)論與建議

（1）檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，強(qiáng)夯對(duì)橋墩不會(huì)造成破壞性影響。

（2）水平向的振動(dòng)幅值總體要比垂直向的大，且垂向和切向的峰值出現(xiàn)在負(fù)半軸，徑向的峰值出現(xiàn)在正半軸。

（3）強(qiáng)夯主振頻率較低，對(duì)固有頻率與強(qiáng)夯主振頻率相近的建、構(gòu)筑物影響不容忽視。

（4）強(qiáng)夯施工離周圍建、構(gòu)筑物太近無法規(guī)避時(shí)，可以采取挖掘防震溝、降低夯擊能等措施降低對(duì)其影響。

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Seismic Effect Detection of High Speed Railway Bridge Piers Caused by Dynamic Compaction

LU Zi-lin1，XIA Nuan1，ZHANG Shi-peng2，DOU Lian-bo2，XU Wen-xing1

（1. Shandong Institute of Earthquake Engineering，Shan dong Jinan 250021，China 2.The 7th Institute of Geology and Mineral Exploration of Shandong Province，Shan dong Linyi 276006，China）

In order to ensure the safety of high-speed railway facilities，the nearest dynamic compaction point is selected to detect the pierbased on the characteristics of dynamic compaction vibration.Three sets of test points are set in the vicinity of the three piers, Each group consists of three parts（ radial,tangential and vertical），and the ground vibration velocity caused by dynamic compaction is tested.According to the national standard, the dynamic compaction vibration will not have a destructive effect on the bridge piers.

dynamic compaction;vibration; bridge piers;detection