強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試與隔震處理效果分析

鄒超群，黎良杰，王小波

(中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100098)

目前，很多建筑場(chǎng)地分布在回填土、新近吹填土等較為松散地層區(qū)域。這些場(chǎng)地一般都具有面積大、地基承載力低、均勻性差、壓縮性高、具濕陷性、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，在外荷載作用下，所產(chǎn)生沉降及次固結(jié)沉降變形一般都較大，難以滿足建設(shè)工程的設(shè)計(jì)要求[1]。因此，對(duì)上述這些回填土或新近吹填土地基場(chǎng)地，需要進(jìn)行地基處理。

強(qiáng)夯法亦稱為動(dòng)力固結(jié)法[2]，是法國(guó)梅那德技術(shù)公司首創(chuàng)的一種地基加固方法，其加固地基原理主要是強(qiáng)大的夯擊能在地基中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力對(duì)土體作用的結(jié)果[3]，通過重錘提至一定高度后自由落下，其動(dòng)能在土體中轉(zhuǎn)化成很大的沖擊波和高應(yīng)力，從而提高地基土強(qiáng)度、降低地基壓縮性、消除濕陷性等[4]，強(qiáng)夯法在國(guó)內(nèi)外地基處理中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。強(qiáng)夯法加固地基具有設(shè)備簡(jiǎn)單、效果顯著、經(jīng)濟(jì)易行、原理直觀、施工周期短、適用范圍廣、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)[6]，在我國(guó)很多削山填谷、人工造地工程上也得到了廣泛的應(yīng)用。

強(qiáng)夯作為一種夯擊振源，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波(包括體波和面波)，從夯擊點(diǎn)沿著地表面向四周傳播，對(duì)附近建(構(gòu))筑物帶來有害影響[7]。有些大型項(xiàng)目采用分期投資建設(shè)，建設(shè)周期長(zhǎng)，通常3～5 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間，在后續(xù)的建筑物地基處理施工過程中，將會(huì)面臨強(qiáng)夯對(duì)相鄰已建構(gòu)筑物產(chǎn)生振動(dòng)影響。此外，也有很多工程場(chǎng)地臨近構(gòu)筑物區(qū)，其產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)影響周邊構(gòu)筑物的安全[8]。因此，本文根據(jù)實(shí)際工程所處的環(huán)境條件，通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，分析在強(qiáng)夯振動(dòng)下臨近范圍的振動(dòng)響應(yīng)特征，著重探討強(qiáng)夯振動(dòng)的影響范圍及其衰減規(guī)律，提出強(qiáng)夯安全施工距離及有效的減振隔振措施，為后續(xù)臨近場(chǎng)地的設(shè)計(jì)、施工提出指導(dǎo)性的處理方案。

1 強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，無其它障礙物，通視條件較好。強(qiáng)夯試驗(yàn)場(chǎng)地選在具有代表性地層2個(gè)不同區(qū)域(兩場(chǎng)地相距較遠(yuǎn))。地基土表層為魚塘或原狀天然地面回填后的砂土地基，其下為一般第四紀(jì)全新統(tǒng)的粉質(zhì)黏土、砂類土，以下為第三紀(jì)基巖。各層土從上到下分別為：①素填土、②粉質(zhì)黏土、③中砂、③-1中砂、④粗砂、⑤粉質(zhì)黏土?？傮w上地層性質(zhì)較均勻，土層物理力學(xué)性質(zhì)較好，無軟弱夾層。場(chǎng)地地層主要性質(zhì)見表1、表2。

表1 場(chǎng)地一地層主要參數(shù)表

注：地下水埋深條件：穩(wěn)定水位深度為3.10 m～3.80 m。

表層堆填的①素填土層厚約2.0 m～5.0 m，回填材料以河砂(中砂)為主，含量約占80%，其余為粉砂及黏性土。為滿足表層地基土的地基承載力，減少后期沉降量，提高地基的密實(shí)度，地基處理方案采用強(qiáng)夯處理工藝。

表2 場(chǎng)地二地層主要參數(shù)表

注：地下水埋深條件：穩(wěn)定水位深度為2.00 m～3.20 m。

1.2 強(qiáng)夯振動(dòng)波速試驗(yàn)

分別在兩個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行不同能級(jí)的單點(diǎn)夯振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)波速、加速度、衰減距離及振動(dòng)主頻變化規(guī)律及特征。

(1) 不同能級(jí)下地面質(zhì)點(diǎn)波速響應(yīng)。強(qiáng)夯施工過程中，強(qiáng)夯夯擊地面產(chǎn)生的振動(dòng)波形式向周圍傳遞，從而對(duì)周圍已建構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。本試驗(yàn)選擇在未建廠房區(qū)域及臨近有已建構(gòu)筑物區(qū)域分別進(jìn)行強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試，第一個(gè)區(qū)域?yàn)榭諘鐖?chǎng)地的強(qiáng)夯測(cè)試，強(qiáng)夯能級(jí)分別為1 000 kN·m、2 000 kN·m、3 000 kN·m；第二個(gè)區(qū)域臨近存在已建構(gòu)筑物，強(qiáng)夯測(cè)試點(diǎn)距建筑物邊線距離為70 m，為了確保已有構(gòu)筑物的安全，強(qiáng)夯能級(jí)1 000 kN·m、2 000 kN·m(為安全考慮，未進(jìn)行3 000 kN·m能量級(jí)試驗(yàn))，通過監(jiān)測(cè)獲得強(qiáng)夯振動(dòng)波的速度隨距離的衰減規(guī)律[9]，以確定相同場(chǎng)地條件下不同夯擊能對(duì)構(gòu)筑物的安全距離。

測(cè)試地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在距離距振源分別為10 m、20 m、30 m、50 m、70 m、100 m處時(shí)徑向波速vr。地面振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)平面布置見圖1。

圖1地面強(qiáng)夯振動(dòng)試驗(yàn)平面圖

每夯擊一次監(jiān)測(cè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試2個(gè)方向(沿縱波徑向方向以及沿縱波切向方向)，共布置12個(gè)傳感器。拾振測(cè)試儀器型號(hào)為891-Ⅱ型速度傳感器，采用24位INV3060S型網(wǎng)絡(luò)分布式同步采集儀，結(jié)果見圖2～圖6。

由圖2～圖5可知，場(chǎng)地一及場(chǎng)地二地質(zhì)條件不同，但二者在強(qiáng)夯條件下呈類似的衰減規(guī)律，即隨距離的增大，土體振動(dòng)速度減小，衰減速率也逐漸減小。強(qiáng)夯前4擊時(shí)，相同點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨夯擊次數(shù)的增加而增加，且增加幅度比較明顯，主要原因強(qiáng)夯前土體比較松軟，隨著夯錘擊數(shù)的增加，土體愈加密實(shí)，致使夯擊過程中沖擊能轉(zhuǎn)化為土體的變形能的過程中，更多的以振動(dòng)波的形式向四周進(jìn)行傳播。

圖2 場(chǎng)地一1 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨距離的關(guān)系曲線

圖3 場(chǎng)地二1 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨距離的關(guān)系曲線

圖4場(chǎng)地一2000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨距離的關(guān)系曲線

同時(shí)，從圖中看出，在其他因素相同的情況下，夯擊數(shù)達(dá)到5擊之后，相同點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨夯擊次數(shù)的增加，振動(dòng)速度增長(zhǎng)開始變緩，逐漸趨于一致，說明在夯擊次數(shù)5擊之后試驗(yàn)區(qū)域的土體已經(jīng)達(dá)到該能級(jí)強(qiáng)夯下的最佳加固效果，即試驗(yàn)區(qū)域土體的最佳夯擊數(shù)為5擊。

圖5 場(chǎng)地二2 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨距離的關(guān)系曲線

圖6場(chǎng)地一3 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值隨距離的關(guān)系曲線

(2) 不同能級(jí)地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與震源距離r的關(guān)系。選取場(chǎng)地一地層條件，在強(qiáng)夯能級(jí)分別為1 000 kN·m、2 000 kN·m、3 000 kN·m時(shí)，試驗(yàn)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播隨距離的變化規(guī)律[10]。

根據(jù)地面質(zhì)點(diǎn)隨錘擊次數(shù)變化的結(jié)果，選取錘擊5次之后相同點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的平均值進(jìn)行分析。

從圖7中可以看出，隨著強(qiáng)夯能級(jí)的增加，夯擊過程中部分能量被土體吸收的同時(shí)，剩余能量以波的形式向周邊傳遞，在相同條件下質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度隨強(qiáng)夯能級(jí)的增加而增大。

圖7不同能級(jí)下強(qiáng)夯振動(dòng)速度平均值隨距離的關(guān)系曲線

由于地基的阻尼作用，相同質(zhì)點(diǎn)在50 m范圍之內(nèi)夯擊振動(dòng)具有隨距離快速衰減的特點(diǎn)[11-12]，隨著距離的增加，在50 m范圍之外質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度趨于一致。說明在3 000 kN·m能級(jí)范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度在50 m范圍內(nèi)變化較大，超過這一距離趨于穩(wěn)定。

(3) 地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度與夯擊次數(shù)的關(guān)系。從圖8～圖10中可以看出，當(dāng)夯擊次數(shù)在第5擊時(shí)，實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度上升到極值。說明夯擊數(shù)達(dá)到5擊時(shí)，土體已經(jīng)達(dá)到該能級(jí)強(qiáng)夯下的最佳加固效果，較之振動(dòng)速度與震源距離r關(guān)系的分析結(jié)果是一致的。

圖8 1 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)加速度峰值隨夯擊數(shù)的關(guān)系曲線

圖9 2 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)加速度峰值隨夯擊數(shù)的關(guān)系曲線

圖10 3 000 kN·m強(qiáng)夯振動(dòng)加速度峰值隨夯擊數(shù)的關(guān)系曲線

(4) 振動(dòng)主頻。強(qiáng)夯所產(chǎn)生的振動(dòng)主振頻率是指振動(dòng)頻譜中振幅最大的諧波分量的頻率，是影響臨近構(gòu)筑物的一個(gè)重要參數(shù)[13]。夯擊引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)是由多種不同頻率、相位和振幅的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加而成，是一個(gè)脈沖振動(dòng)過程。頻譜分析的目的是要避免構(gòu)筑物發(fā)生共振，即避免構(gòu)筑物的固有頻率等于強(qiáng)夯振動(dòng)的主振頻率。

本次試驗(yàn)不同能級(jí)振動(dòng)主頻實(shí)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 不同能級(jí)振動(dòng)主頻實(shí)測(cè)結(jié)果

從表3中可以看出，強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率大部分處于10 Hz以下，只有個(gè)別10 Hz以上，3個(gè)能級(jí)的主頻均為小于15 Hz的低頻能量。通過實(shí)測(cè)的主頻，可參考規(guī)范《爆破安全規(guī)程》[14](GB 6722—2014)關(guān)于振動(dòng)對(duì)建筑物影響的安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測(cè)得到的強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)目標(biāo)建筑物的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 隔振溝效果試驗(yàn)

對(duì)周邊有臨近構(gòu)筑物的強(qiáng)夯場(chǎng)地，為減少對(duì)已有建筑物的振動(dòng)影響，主要方法是通過減少?gòu)?qiáng)夯能量或設(shè)置隔振溝來降低對(duì)周邊構(gòu)筑物的影響[15]。工程實(shí)踐表明，開挖隔振溝在很大程度上有助于降低振動(dòng)波的能量，隔斷振動(dòng)波的傳遞。

本次試驗(yàn)選擇場(chǎng)地一附近區(qū)域，根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)45.0 m范圍內(nèi)為人工填土層、淤泥層，其下為一般第四紀(jì)全新統(tǒng)的黏性土和砂土，本次試驗(yàn)場(chǎng)除存在約2.0 m厚①-3淤泥外，其余地層參數(shù)詳見表1。

本次試驗(yàn)重點(diǎn)測(cè)試兩個(gè)不同深度的隔振溝周邊的振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析隔振溝在實(shí)際工程中的隔震、減震效應(yīng)。

在隔振溝側(cè)進(jìn)行2 500 kN·m能級(jí)的單點(diǎn)強(qiáng)夯振動(dòng)試驗(yàn)。隔振溝深度選為2.2 m、3.8 m，通過單點(diǎn)強(qiáng)夯試驗(yàn)分析隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的作用效應(yīng)。隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播作用效應(yīng)測(cè)試平面布置見圖11。

夯擊試驗(yàn)過程中選在隔振溝兩側(cè)地面上布設(shè)六組拾振器，分別監(jiān)測(cè)強(qiáng)夯振動(dòng)波速度波形曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分設(shè)在距離夯錘中心15 m、30 m、45 m位置處。此次試驗(yàn)共分為兩組。第一組隔振溝試驗(yàn)參數(shù)為深度2.2 m，寬度1.5 m，長(zhǎng)度30 m，夯錘中心距隔振溝上口線3 m。第二組隔振溝參數(shù)為深度3.8 m，上口寬6.6 m，下口寬80 cm，長(zhǎng)度30 m，夯錘中心距隔振溝上口線3 m。

圖11隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播作用效應(yīng)測(cè)試平面布置圖(單位：m)

通過對(duì)上述強(qiáng)夯試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出隔振溝兩側(cè)不同位置強(qiáng)夯振動(dòng)波波速大小曲線關(guān)系。

結(jié)果表明隔振溝深度3.8 m時(shí)，距夯錘中心15 m處，有隔振溝側(cè)較無隔振溝側(cè)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度平均衰減了60.37%。距夯錘中心30 m處，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度平均衰減了42.08%。

隔振溝深度2.2 m時(shí)，距夯錘中心15 m處，有隔振溝側(cè)較無隔振溝側(cè)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度平均衰減了28.86%。距夯錘中心30 m處，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度平均衰減了7.28%。

以上結(jié)果表明開挖隔振溝對(duì)振動(dòng)波速的衰減效果明顯，開口的隔振溝能夠起到隔振減震的作用。其次，隔振溝的深度越深，對(duì)振動(dòng)波帶阻隔的效果越好，受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，未能獲得隔振溝的臨界深度。

兩次試驗(yàn)中，距離夯錘中心45 m處，有隔振溝側(cè)和無隔振溝側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均趨于一致，衰減已經(jīng)很微弱，說明在這一試驗(yàn)場(chǎng)地,強(qiáng)夯夯擊能為2 500 kN·m條件下，其振動(dòng)影響距離約為45 m。

3 結(jié) 語

在試驗(yàn)場(chǎng)地的地層條件下，通過現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯測(cè)試，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

(1) 強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)主頻率大部分處于10 Hz以下，只有個(gè)別10 Hz以上，3個(gè)能級(jí)的主頻均為小于15 Hz的低頻能量。

(2) 相同質(zhì)點(diǎn)在50 m范圍之內(nèi)夯擊振動(dòng)具有隨距離快速衰減的特點(diǎn)，隨著距離的增加，在50 m范圍之外質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度趨于一致。說明在3 000 kN·m能級(jí)范圍內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度在50 m范圍內(nèi)變化較大，超過這一距離趨于穩(wěn)定。

(3) 通過設(shè)置2個(gè)不同深度的隔振溝測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明開挖隔振溝對(duì)振動(dòng)波速的衰減效果明顯，開口的隔振溝能夠起到隔振減震的作用。其次，隔振溝的深度越深，對(duì)振動(dòng)波阻隔的效果越好。

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