深厚粉細(xì)砂場地8 000 kN·m能級強(qiáng)夯振動衰減規(guī)律研究

時 偉，邵琪琳，董炳寅，胡瑞庚

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 中華巖土集團(tuán)股份有限公司，北京 100026；3. 中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003)

強(qiáng)夯是一種常用的地基處理方法，但是其產(chǎn)生的巨大夯擊能會引起周圍土體的振動，使得地基的壓縮性降低，地基的強(qiáng)度提高，特別是對于深厚細(xì)砂土地區(qū)，可利用高能級強(qiáng)夯振動減少工后沉降.但是，國內(nèi)外許多研究學(xué)者都認(rèn)為強(qiáng)夯振動對周邊建筑物的影響不可忽視[1-3]，隨著時代發(fā)展也愈加得到重視,MENG Qingjuan[4]對強(qiáng)夯振動的兩個影響因素?cái)M合進(jìn)行模型試驗(yàn).陳向陽等[5]對砂土地基強(qiáng)夯的影響因素進(jìn)行了研究，得出地下水位對強(qiáng)夯效果有明顯影響.另外，為了減少強(qiáng)夯振動對周圍產(chǎn)生的影響，王斯海[6]研究了強(qiáng)夯振動對不同土層結(jié)構(gòu)的效應(yīng)影響.黃瑛[7]分析了強(qiáng)夯法加固地基時，夯擊能、夯點(diǎn)距離等因素對周圍已建建筑物的安全影響，通過監(jiān)測振動速度、振動加速度、建筑物的變形等確定周圍建筑物的安全距離.杭的平[8]對比了強(qiáng)夯振動在有無隔振溝情況下對周圍建筑的影響.強(qiáng)夯振動關(guān)于距離的衰減規(guī)律，與土質(zhì)有關(guān).J.H.Hwang等[9]通過一系列地面振動測量，得到不同沖擊能量和隔振溝對地面振動的影響.王鵬程[10]研究了強(qiáng)夯振動下安全距離的主要影響因素.本文對某粉細(xì)砂場地地基強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的振動進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，得出具體的振動衰減規(guī)律以及施工時的安全距離.

1 試夯場地概況

強(qiáng)夯振動監(jiān)測場地為風(fēng)成砂丘地貌，砂丘以半固定或活動砂丘為主.本場地40 m勘察深度內(nèi)未見地下水.場地附近區(qū)域的土層情況及土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 試驗(yàn)場地各土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes of various soil layers in the test site

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

振動監(jiān)測設(shè)備為加拿大Instantel的BlastmateIII型振動監(jiān)測儀.Instantel生產(chǎn)的Blast系列振動監(jiān)測儀具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在全球應(yīng)用廣泛，是全球最先進(jìn)的爆破振動設(shè)備之一.

表2 BlastmateIII振動監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)Tab.2 BlastmateIII vibration monitor technical parameters

BlastmateIII振動監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)見表2，監(jiān)測設(shè)備圖片見圖1.

圖1 BlastmateIII 振動監(jiān)測儀Fig.1 BlastmateIII vibration detector

2.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

本次監(jiān)測點(diǎn)以夯點(diǎn)為振源，強(qiáng)夯采用8 000 kN·m能級.選擇在距夯點(diǎn)邊緣沿徑向處，距離為50 m、150 m、180 m、190 m、220 m、350 m，分別設(shè)置振動監(jiān)測點(diǎn)，記錄強(qiáng)夯振動在各監(jiān)測點(diǎn)引起的三向振速、三向位移.監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖見圖2.

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Monitoring point layout diagram

3 試驗(yàn)方案

本次強(qiáng)夯振動監(jiān)測試驗(yàn)主要尋求在粉細(xì)砂場地內(nèi)，三向振速、三向位移隨距離的變化規(guī)律[11-14]，從而預(yù)估粉細(xì)砂場地內(nèi)的強(qiáng)夯振動安全距離.振動監(jiān)測試驗(yàn)的安全評判標(biāo)準(zhǔn)選用《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)[15].

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

(1)振速隨距離的衰減規(guī)律

試驗(yàn)采集距離夯點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)，選擇在距夯點(diǎn)邊緣沿徑向處，振動監(jiān)測點(diǎn)最近距離為50 m，最遠(yuǎn)距離為350 m.對多組夯擊振動作用下的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄.三向振速隨距離的變化曲線如圖3所示.

由圖3可以看出，隨著距振源距離的增大，垂向、徑向、環(huán)向振速均減小.其中，垂向和徑向振速初始振速較大，環(huán)向振速初始振速較小.在距振源距離小于220 m時，隨著距振源距離的增大，三向振速衰減較快；當(dāng)距振源距離大于220 m時，三向振速隨距振源距離的衰減基本不變.

圖3 三向振速隨距離的變化曲線圖Fig.3 Three-dimensional vibration velocity curve with the distance

圖4 三向合振速實(shí)測值及擬合曲線Fig.4 Three-way combined velocity of the measured value and fitting curve

各監(jiān)測點(diǎn)三向合振速實(shí)測值及擬合曲線如圖4.當(dāng)距夯點(diǎn)距離小于220 m時，三向合振速隨距夯點(diǎn)距離的增大衰減速度較快，當(dāng)距夯點(diǎn)距離大于220 m時，三向合振速隨距夯點(diǎn)距離的增大衰減速度明顯減小.采用負(fù)指數(shù)函數(shù)對三向合振速與距離的關(guān)系進(jìn)行擬合，振動監(jiān)測擬合結(jié)果公式.

(1)

式中：υ為測點(diǎn)三向振速(mm/s)；x為測點(diǎn)距夯點(diǎn)距離(m)；A、B、t為擬合參數(shù)，取值見表3.

表3 式(1)擬合參數(shù)取值Tab.3 Formula (1) fitting parameter values

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果和爆破振動安全允許振速規(guī)范，針對本工程8 000 kN·m強(qiáng)夯能級作用下，土窯洞、土坯房、毛石房屋安全距離為200 m，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物安全距離為90 m，新澆大體積混凝土安全距離為70 m.因此，為滿足安全施工要求，安全施工距離可取220 m.

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)范，振動速度為三個分量中的最大值，各監(jiān)測點(diǎn)的最大振速隨夯點(diǎn)距離變化曲線如圖5所示.在距振源距離小于220 m時，隨著距振源距離的增大，最大振速衰減較快，并且初始監(jiān)測點(diǎn)垂向振速最大；當(dāng)距振源距離大于220 m時，最大振速隨距振源距離的增大稍有回升，但增幅不大，監(jiān)測點(diǎn)環(huán)向振速最大.

圖5 最大振速隨距離變化曲線圖Fig.5 The maximum vibration velocity curve with the distance

圖6 三向位移隨距離的變化曲線Fig.6 Three-dimensional displacement with distance curve

(2)位移隨距離的衰減規(guī)律

振動監(jiān)測過程中通過試驗(yàn)監(jiān)測器對各個監(jiān)測點(diǎn)的位移監(jiān)測，可以得到垂向和徑向位移的數(shù)據(jù).三向振速隨距離的變化曲線如圖6所示.由圖6可以看出，垂向、徑向位移隨著距離增大而減小.在距振源距離小于220 m時，隨著距振源距離的增大，垂向、徑向位移衰減較快；當(dāng)距振源距離大于220 m時，垂向、徑向位移隨距振源距離的增大衰減速度明顯減小.試驗(yàn)結(jié)果表明，在距夯點(diǎn)220 m范圍內(nèi)，距振源的距離對垂向和徑向位移的影響明顯；當(dāng)距振源距離大于220 m時，距離對垂向、徑向位移的影響程度明顯減弱.

3.2 高能級強(qiáng)夯振動隨樓層高度衰減規(guī)律

試驗(yàn)現(xiàn)場宿舍樓為磚混結(jié)構(gòu)，辦公樓為框架結(jié)構(gòu)，為分析強(qiáng)夯振動對不同樓層的影響，在距離夯點(diǎn)220 m、350 m的兩棟樓的不同樓層上分別進(jìn)行振動監(jiān)測.其中在距離夯點(diǎn)220 m的宿舍樓前的地面及第2、4層設(shè)置振動監(jiān)測點(diǎn)，在距離夯點(diǎn)350 m的辦公樓前的地面及第3、5、8、9、11層設(shè)置振動監(jiān)測點(diǎn).

圖7 三向振速隨樓層的變化曲線Fig.7 Three-dimensional vibration velocity curve with the floor

(1)振速隨樓層的衰減規(guī)律

三向振速隨樓層的變化曲線如圖7所示.三向振速隨樓層的不同而變化，且變化規(guī)律與距夯點(diǎn)的距離有關(guān).當(dāng)距夯點(diǎn)距離220 m時，地面三向平均振速約為1.48 mm/s，第2層三向振速約為3.08 mm/s，第4層三向平均振速約為2.86 mm/s，第2、4層三向平均振速分別為地面三向平均振速的2.08、1.93倍，說明在距夯點(diǎn)220 m時，樓層(樓層數(shù)>1)對地面三向平均振速有放大作用，放大系數(shù)隨樓層而變化.當(dāng)距夯點(diǎn)350m時，三向振速隨樓層的增加而呈減小趨勢，地面三向振速大于各樓層三向振速，說明在距夯點(diǎn)350 m時，樓層(樓層>1)對地面三向振速有減弱作用，隨樓層的變化縮減系數(shù)沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性；根據(jù)爆破振動安全允許振速規(guī)范，距夯點(diǎn)350 m各樓層振動速度都在允許范圍內(nèi).

圖8 三向振速實(shí)測值及擬合曲線Fig.8 Three- dimensional vibration actual measured value and fitting curve

距夯點(diǎn)350 m處辦公樓各監(jiān)測點(diǎn)三向合振速實(shí)測值及擬合曲線如圖8.在距夯點(diǎn)350 m處，相對地面三向合振速，隨著樓層的增加，三向合振速呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律.當(dāng)樓層數(shù)在3層以下時，三向合振速隨樓層的增加而增大，第3層三向合振速是地面合振速的2.32倍；當(dāng)樓層在3層以上時，三向合振速隨樓層的增加而減小，第8層三向合振速是地面合振速的0.72倍.采用GUASS函數(shù)對三向振動實(shí)測值與樓層的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果公式：

(2)

式中：υ為測點(diǎn)三向振速(mm/s)；xi為第i樓層；A、B、t、c為擬合參數(shù)，取值見表4.

表4 式(2)擬合參數(shù)取值Tab.4 Formula (2) fitting parameter values

(2)位移隨樓層的衰減規(guī)律

垂向、徑向位移隨樓層的變化曲線如圖9所示.在距夯點(diǎn)220 m處，隨樓層的增加，垂向、徑向位移均較地面位移增大，在第2層垂向、徑向位移最大，當(dāng)樓層在2層以上時，位移呈減小趨勢.在距夯點(diǎn)350 m處，各樓層測得的垂向位移與地面垂向位移基本無變化，即樓層對垂向位移的影響較小.隨著樓層的增加，徑向位移呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，第9層測得的徑向位移最大，約是地面徑向位移的4.97倍.

4 隔振溝測試效果

針對本次試驗(yàn)，依據(jù)已經(jīng)得出的安全施工距離，對距離夯點(diǎn)180 m，3 m深、3 m寬的隔振溝的隔振效果進(jìn)行了測試工作.設(shè)置了兩個監(jiān)測點(diǎn)：JC5、JC6，分別位于隔振溝兩側(cè)，監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖如圖10，振動測試結(jié)果見表5.

由表5可知，隔振溝前后監(jiān)測點(diǎn)峰值加速度均是徑向最大，垂向次之，環(huán)向最??；隔振溝阻礙強(qiáng)夯振動作用明顯，經(jīng)過隔振溝減振后，三向合振速PVC從5.04 mm/s衰減至4.00 mm/s，衰減率達(dá)20.6%.

圖9 三向位移隨樓層的變化曲線Fig.9 Vertical and radial displacement curve with the floor

表5 隔振溝隔振測試結(jié)果Tab.5 Vibration isolation vibration test results

圖10 隔振溝作用測試監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖Fig.10 Vibration isolation groove effect test monitoring point position diagram

5 結(jié)論

通過對8 000 kN·m強(qiáng)夯能級下粉細(xì)砂場地上強(qiáng)夯振動試驗(yàn)及其規(guī)律的研究，得到以下結(jié)論：

(1)在距振源距離小于220 m時，隨著距振源距離的增大，振速衰減較快；在距振源距離大于220 m時，振速隨距振源的衰減速度減小并趨于穩(wěn)定.

(2)在距夯點(diǎn)220 m范圍內(nèi)，距離對垂向、徑向位移的影響明顯；當(dāng)距夯點(diǎn)距離大于220 m時，影響程度明顯減弱，在粉細(xì)砂場地上8 000 kN·m下安全距離可取220 m.

(3)在不同樓層處，環(huán)向振速最大，在安全施工距離內(nèi)，相比于框架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)夯振動對磚混結(jié)構(gòu)的影響較大.

(4)現(xiàn)場已挖隔振溝的隔振效果明顯，在8 000 kN·m強(qiáng)夯能級作用下，隔振溝兩側(cè)振動衰減達(dá)20.6%.若未達(dá)到安全距離，可采取挖隔振溝減小振動帶來的影響.