強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律及其對建筑安全性的影響1

周 洋 阿拉塔 郭 迅 孫 麗

1）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201

2）云南省地震局，昆明 650224

引言

利用夯錘墜落產(chǎn)生的沖擊力對軟弱場地進(jìn)行加固，能夠有效降低場地壓縮性、提高其承載力（張慶國，2003）。強(qiáng)夯施工過程中，夯錘落地瞬間產(chǎn)生脈沖振動，并以波的形式從錘擊點(diǎn)呈放射狀向外傳播。夯擊振動影響人體健康，當(dāng)振動強(qiáng)度達(dá)到一定量級時(shí)，會對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。因此，厘清強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律和影響范圍，有助于評價(jià)施工作業(yè)區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)安全性和強(qiáng)夯法的應(yīng)用。

國內(nèi)外針對強(qiáng)夯法的應(yīng)用研究主要側(cè)重于場地加固機(jī)理，針對振動衰減規(guī)律的研究相對較少。同時(shí)，現(xiàn)有的研究成果中，相當(dāng)一部分是針對特定工程進(jìn)行的現(xiàn)場振動監(jiān)測，其研究的通用性受到限制，很難形成成熟完善的衰減理論和計(jì)算方法（程祖峰等，2007；安惠澤等，2010）。

本文依托國家電網(wǎng)安徽換流站場地測試項(xiàng)目，對項(xiàng)目所在區(qū)域的粉土場地進(jìn)行了強(qiáng)夯振動規(guī)律現(xiàn)場測試，重點(diǎn)關(guān)注不同能級夯錘作業(yè)時(shí)地面振動的峰值與頻譜信息，研究其振動特性與振動衰減規(guī)律，建立粉土場地強(qiáng)夯振動衰減計(jì)算公式，并應(yīng)用振動監(jiān)測數(shù)據(jù)開展結(jié)構(gòu)安全性研究，確定了強(qiáng)夯施工區(qū)建筑最小安全距離。研究成果為黃泛區(qū)夯擊振動作業(yè)區(qū)的結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)和強(qiáng)夯設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件

夯擊振動測試區(qū)位于安徽省宣城市，工程場地為構(gòu)造剝蝕丘陵，測試區(qū)地表土層主要為沖洪積相砂卵石層和坡殘積相粘性土，基巖為風(fēng)化程度不等的泥質(zhì)粉砂巖，主要土層的物理、力學(xué)指標(biāo)見表1。宣城地區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）規(guī)定，場地所在地層形成年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3）及以前，因此可不考慮場地液化影響。

表1 巖土層的物理、力學(xué)指標(biāo)Table 1 The physical and mechanical properties of soil layers

1.2 強(qiáng)夯施工參數(shù)

換流站強(qiáng)夯工作區(qū)采用能級為6000kN·m和2000kN·m的2種夯錘進(jìn)行地基處理（圖1）。按照試夯方案，首先采用能級6000kN·m的夯錘（錘重37.5×103kg，落距17.2m）進(jìn)行點(diǎn)夯，點(diǎn)夯完成后進(jìn)行場地整平；然后采用能級2000kN·m的夯錘（錘重19.0×103kg，落距11.0m）進(jìn)行補(bǔ)充點(diǎn)夯，以對地基進(jìn)行加固。

圖1 工作區(qū)夯擊作業(yè)現(xiàn)場Fig.1 Constructional site of dynamic compaction

2 夯擊振動影響測試試驗(yàn)

2.1 振動測試目的

眾所周知，受場地阻尼及能量耗散等綜合作用的影響，強(qiáng)夯振動幅值隨震源距的增大而減小。為確保強(qiáng)夯作業(yè)區(qū)周圍建筑物的安全，選取典型場地進(jìn)行強(qiáng)夯振動監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果研究強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律，探討強(qiáng)夯振動對建筑物安全性的影響及最小安全距離的確定方法。

2.2 測試方案

（1）測點(diǎn)的選取

為研究夯錘作業(yè)時(shí)地面振動的衰減規(guī)律及對周圍建筑的影響，參照《地震動力特性測試規(guī)范》（國家技術(shù)監(jiān)督局等，1998）進(jìn)行現(xiàn)場地基振動測試研究。對2000kN·m和6000kN·m能級夯錘分別進(jìn)行振動監(jiān)測，探討強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律，建立適用于粉土場地的強(qiáng)夯振動衰減計(jì)算公式。2個(gè)能級強(qiáng)夯振動測試的測點(diǎn)布設(shè)方案分別如圖2（a）、（b）所示。2種能級振動監(jiān)測均設(shè)置5個(gè)測點(diǎn)，其中2000kN·m能級振動測試的測點(diǎn)距分別為10m、27m、47.6m、70.6m和91.4m，6000kN·m能級振動測試的測點(diǎn)距分別為29.5m、50.7m、68.3m、70.6m和91.4m，每個(gè)測點(diǎn)均布設(shè)水平及豎向加速度傳感器。

圖2 振源與測點(diǎn)空間位置分布示意圖Fig.2 The distribution of vibration source and test points

（2）傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本次振動測試選用中國地震局工程力學(xué)研究所研制的941B型加速度數(shù)據(jù)采集器及配套信號放大器，配接SigLab數(shù)據(jù)采集器對夯擊作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動進(jìn)行同步監(jiān)測。941B型傳感器直接輸出與加速度成比例的電信號，經(jīng)過放大器調(diào)制、濾波后，傳至SigLab轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并存儲在計(jì)算機(jī)上。經(jīng)過現(xiàn)場比選，采用1檔（加速度檔）進(jìn)行現(xiàn)場測試工作，941B型號1檔對應(yīng)靈敏度為0.3V·s2/m；與941B振動傳感器配接的信號放大器通頻帶為0.025—35Hz，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，將放大器放大倍數(shù)與傳感器靈敏度相乘，得到總靈敏度。實(shí)際記錄器采集得到的信號電壓最大值除以總靈敏度，得到以m/s2為單位的加速度峰值。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律

對各測點(diǎn)的振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得到各點(diǎn)加速度時(shí)程曲線的峰值A(chǔ)p，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉譜分析，可獲取強(qiáng)夯振動的頻譜信息。以6000kN·m能級測點(diǎn)1、3的測試結(jié)果分析強(qiáng)地面運(yùn)動的一般規(guī)律，2測點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線及傅立葉譜如圖3所示。

振源距29.5m（測點(diǎn)1）處得到的峰值加速度均值為0.388m/s2，振源距68.3m（測點(diǎn)3）處得到的加速度峰值為0.077m/s2，僅為測點(diǎn)1處加速度峰值的19.85%。由圖3（a）可見，2測點(diǎn)振動持續(xù)時(shí)間均約0.5s；由圖3（b）可見，夯錘作業(yè)時(shí)夯擊產(chǎn)生的沖擊波振動頻率集中在1—30Hz內(nèi)，測點(diǎn)1的2個(gè)卓越峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率分別為7.3Hz（0.13s）和16.4Hz（0.06s），測點(diǎn)3的2個(gè)卓越峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率分別為7.3Hz和13.31Hz，其中f＝7.3Hz對應(yīng)的振動影響最大。后續(xù)計(jì)算振動速度、位移時(shí)，采用該卓越頻率進(jìn)行計(jì)算。圖4、5進(jìn)一步給出了不同能級夯擊作業(yè)時(shí)，地震振動隨距離的衰減規(guī)律。

圖3 典型夯擊振動加速度波形及傅立葉頻譜Fig.3 The time-history curve and FFT spectrum of typical dynamic compaction

圖4 不同能級夯錘引起的振動加速度峰值隨距離衰減曲線Fig.4 The peak ground acceleration and transmission distance curve of pounder with different energy

6000kN·m能級夯錘作業(yè)時(shí)，引起的地面振動最大加速度隨振源距的衰減規(guī)律為：y＝1.33e－0.042x，其中x為振源距（m），相關(guān)系數(shù)R＝0.9942。而2000kN·m夯錘引起的地面振動的衰減規(guī)律為y＝0.04＋4.80e－0.131x，相關(guān)系數(shù)R＝0.9977。

由圖4（a）、（b）可知，無論哪個(gè)能級的強(qiáng)夯振動，振動衰減均呈現(xiàn)近處快、遠(yuǎn)處慢的特點(diǎn)，衰減規(guī)律曲線近似可用指數(shù)函數(shù)表達(dá)；對比2條衰減曲線（圖5）可以看出，振源距相同的情況下，6000kN·m能級的振動衰減更快，表明振動能量越大，加速度峰值衰減越快。

圖5 不同夯擊能產(chǎn)生振動波的衰減規(guī)律對比Fig.5 Comparison of attenuation law under different dynamic compactions

表2、3給出了2種能級夯錘作業(yè)時(shí)，各測點(diǎn)的水平及豎向加速度峰值信息。

表2 6000kN·m夯錘引起的振動Table 2 The vibration caused by 6000kN·m pounder

表3 2000kN·m夯錘引起的振動Table 3 The vibration caused by 2000kN·m pounder

李福民等（2002）和羅輝才等（2011）的研究成果表明，夯擊產(chǎn)生的振動在其有效影響范圍內(nèi)，振動主頻率變化不大，故本次測試并未對振動卓越頻率隨振源距的變化開展專門分析。由測試數(shù)據(jù)可知，在振源距較小的測點(diǎn)上，水平向振動加速度峰值明顯大于豎向加速度峰值，隨著振源距的增大，水平向與豎向加速度峰值差異越來越小。

測試點(diǎn)i的振動速度峰值可由公式Vi＝Ai/2πf求得，其中Ai為強(qiáng)夯引起的振動波在測點(diǎn)i的加速度振幅。6000kN·m能級夯錘作業(yè)在距作業(yè)點(diǎn)30m處，產(chǎn)生的振動速度峰值為6.95mm/s，50m處的速度峰值為2.72mm/s；2000kN·m能級夯錘作業(yè)在距作業(yè)點(diǎn)10m處，產(chǎn)生的振動速度峰值為23.88mm/s，50m附近處的速度峰值為1.16mm/s。

3.2 最小安全施工距離

（1）確保正常工作和生活的最小安全施工距離

原冶金部《機(jī)器動荷載作用下建筑物承重結(jié)構(gòu)的振動計(jì)算和隔震設(shè)計(jì)規(guī)程》（冶金工業(yè)建筑研究總院，1990）中，規(guī)定了工作和生活環(huán)境的允許振動速度限值，見表4。

表4 工作和生活環(huán)境的允許振動速度Table 4 The suggested vibration velocity of working and living environment

參照表4規(guī)定的允許振動速度對夯錘作業(yè)振動影響進(jìn)行評價(jià)。在不考慮夜間施工的前提下，當(dāng)6000kN·m夯擊作業(yè)時(shí)，距離作業(yè)點(diǎn)70m范圍內(nèi)的振動速度峰值超過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類環(huán)境的允許振動速度；當(dāng)2000kN·m夯錘作業(yè)時(shí)，距離作業(yè)點(diǎn)50m范圍內(nèi)的振動速度峰值超過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類環(huán)境的允許振動速度，不適宜生活或辦公。

（2）確保結(jié)構(gòu)安全的最小安全施工距離

我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）確定的基本原則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010），具體操作時(shí)，作為基本設(shè)防烈度的中震在抗震設(shè)計(jì)、驗(yàn)算中卻沒有直接體現(xiàn)出來，而是采用設(shè)防烈度的常遇地震進(jìn)行設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，而中震對應(yīng)的地震動加速度峰值是小震對應(yīng)加速度峰值的3倍。在確定強(qiáng)夯作業(yè)最小安全距離時(shí)，若采用設(shè)防烈度的中震作為判定標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)夯作業(yè)的最小安全距離將被縮短，使得最小安全距離之外存在峰值大于小震對應(yīng)加速度峰值的振動。因此，采用中震（設(shè)防烈度）作為評判依據(jù)不能完全滿足結(jié)構(gòu)在線彈性階段“小震不壞”的設(shè)計(jì)要求。

《規(guī)范》中規(guī)定，時(shí)程分析時(shí)所有地震動加速度時(shí)程曲線最大值的取值依據(jù)為設(shè)防烈度下多遇地震（小震）和罕遇地震（大震）對應(yīng)的地震動加速度峰值，其中多遇地震對應(yīng)的地震動加速度峰值用于驗(yàn)算結(jié)構(gòu)彈性極限狀態(tài)，罕遇地震對應(yīng)的地震動加速度峰值用于驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的塑性極限狀態(tài)。故采用設(shè)防烈度下多遇地震（小震）對應(yīng)的地震動加速度峰值作為結(jié)構(gòu)最小安全距離評判標(biāo)準(zhǔn)更為準(zhǔn)確。

表5 時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程曲線的最大值（cm/s2）Table 5 The Maximum values for the seismic acceleration of ground motion used in time-history analysis (cm/s2)

對建筑物進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，輸入加速度時(shí)程的最大值可按表5選取。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)6000kN·m能級夯擊作業(yè)時(shí)，距作業(yè)點(diǎn)30m處的振動加速度幅值為38.8cm/s2，相當(dāng)于對建筑物輸入Ⅶ度多遇地震的強(qiáng)震作用，夯擊振動持續(xù)時(shí)間雖短，但重復(fù)次數(shù)多，對建筑物的破壞作用同樣不可輕視，對30m范圍內(nèi)Ⅵ度設(shè)防建筑及未設(shè)防建筑具有較高的地震危險(xiǎn)性，建筑物雖不至倒塌，但局部破壞的風(fēng)險(xiǎn)較高；距作業(yè)點(diǎn)50m處的振動加速度幅值降為15.2cm/s2，略低于Ⅵ度多遇地震的強(qiáng)度，據(jù)此可判定此振動對建筑物基本無害。因此，6000kN·m能級夯擊作業(yè)時(shí)，確保建筑物結(jié)構(gòu)安全的最小距離應(yīng)為50m。當(dāng)2000kN·m能級夯擊作業(yè)時(shí)，距作業(yè)點(diǎn)27.2m處振動加速度幅值為17.3cm/s2，略低于Ⅵ度多遇地震的強(qiáng)度，此時(shí)的振動可判定為對建筑物基本無害，因此，2000kN·m能級夯擊作業(yè)時(shí)確保建筑物結(jié)構(gòu)安全的最小距離應(yīng)為30m。

3.3 降低振動影響的措施

按照波在介質(zhì)內(nèi)的傳播形式，可將強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊波分為體波（P波、S波）和面波（瑞利波、勒夫波）2種。體波率先到達(dá)，但攜帶的能量較少，同時(shí)體波的衰減速度快；面波傳播速度慢，衰減速度相對較慢，且攜帶的能量大，對建筑物的影響大。面波中，瑞利波攜帶的能量占其總波能的2/3，對激振源附近地表附著物的破壞力較大（楊成林，1993；雷學(xué)文等，2002；陸偉東等，2002），因此，減小瑞利波能量是降低夯擊作業(yè)對建筑物影響的有效途徑。

根據(jù)瑞利波的傳播特性，在實(shí)際工程中多采用隔震溝來減小振動影響。影響隔震溝減震效果的因素很多，大致可歸為隔震溝深度、寬度、截面形狀等。孔令偉等（1996）通過理論分析與試驗(yàn)研究，得出瑞利波在垂直向的影響深度約為1.0—1.5倍的波長λR，而夯擊作業(yè)時(shí)λR通常為8—14m；前人通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模型分析得出：隔震溝深度對減震效果影響顯著，溝寬度對減震效果影響不大；對于相同寬度、深度的減震溝，當(dāng)其位于作業(yè)點(diǎn)與保護(hù)對象的中間位置時(shí)，減震效果最佳（Wood，1968；鄧亞虹等，2007；余德運(yùn)等，2011）。在實(shí)際工程中，綜合考慮具體施工條件與經(jīng)濟(jì)因素，可將減震溝深度設(shè)置為4m左右。

4 結(jié)論

通過對粉質(zhì)土場地夯擊作業(yè)開展現(xiàn)場振動測試，研究了2種能級夯擊作業(yè)的振動衰減規(guī)律及對建筑物的影響，得出如下結(jié)論：

（1）對于粉土場地，強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律可由形如y＝Aebx的指數(shù)函數(shù)近似表達(dá)。本文測試采用的2種能級強(qiáng)夯作業(yè)產(chǎn)生的振動衰減均呈現(xiàn)進(jìn)處快、遠(yuǎn)處慢的規(guī)律。

（2）夯擊振動為典型沖擊荷載，振動持續(xù)時(shí)間多在0.5s內(nèi)，其振動頻率范圍通常在20Hz內(nèi)，同時(shí)，振源距對振動卓越頻率的影響不顯著。對于結(jié)構(gòu)而言，10Hz以下的低頻振動對建筑物影響最大。

（3）夯擊能越大，強(qiáng)夯振動衰減速度越快。與2000KN·m夯錘比較，振源距大致相當(dāng)時(shí)，6000KN·m夯錘產(chǎn)生的振動衰減速度更快。

（4）距離夯擊作業(yè)點(diǎn)超過50m時(shí)，2個(gè)能級夯錘作業(yè)產(chǎn)生的振動加速度峰值均在18cm/s2以下，低于Ⅵ度設(shè)防條件結(jié)構(gòu)時(shí)程分析對應(yīng)的地震動加速度限值，不會對建筑物造成破壞，可將建筑物最小安全距離定為50m。