水庫(kù)工程壩基強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

黃 璇，許彩琦

(1.寧夏工程物探勘察研究院有限公司， 寧夏 銀川 750001；2.寧夏地質(zhì)調(diào)查院， 寧夏 銀川 750021)

某公益性水庫(kù)是寧夏中部干旱帶脫貧攻堅(jiān)水源工程之一，設(shè)計(jì)總庫(kù)容200×104m3，在灌溉空擋期蓄水入庫(kù)，到用水高峰期將水庫(kù)的水補(bǔ)充到渠道中，緩解生態(tài)移民區(qū)灌溉高峰期用水壓力。

水庫(kù)選址地處于濕陷性黃土區(qū)，地表被主要由黃土、風(fēng)積沙組成的第四系覆蓋，濕陷性黃土在水和外力的作用下會(huì)發(fā)生顯著的附加下沉，為提前完成沉降,提高庫(kù)區(qū)地基土的強(qiáng)度并降低其壓縮性增加土體密度，決定采用在濕陷性黃土地基處理建設(shè)中廣泛應(yīng)用的強(qiáng)夯法進(jìn)行施工[1-2]，選擇YTQH450型強(qiáng)夯機(jī)，重錘為50 t，夯擊能量10 000 N·m。

強(qiáng)夯法[3-4]即強(qiáng)力夯實(shí)法，又稱動(dòng)力固結(jié)法，最早于20世紀(jì)60年代由法國(guó)Menard技術(shù)公司創(chuàng)用，施工過(guò)程滯后由強(qiáng)夯機(jī)重錘提升到一定高度后自由落下，給土體以沖擊力和振動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)，迅速提高土體的承載力及壓縮模量，形成比較均勻的、密實(shí)的地基，并在一定深度范圍內(nèi)改變土體的孔隙分布[5-9]，達(dá)到改善抗振動(dòng)液化能力并消除土體的濕陷性的目的。

該方法具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)，但是大噸位重錘在自由落下時(shí)會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)土體施加巨大沖擊能量，大部分能量作用于夯擊面，形成垂直和水平兩個(gè)方向作用力，同時(shí)部分能量以縱波、橫波以及面波的形式，從夯擊點(diǎn)向四周傳播，引起地表的強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后[10-15]，就會(huì)對(duì)一定距離內(nèi)的地面構(gòu)筑物產(chǎn)生不同程度的損害。

為避免強(qiáng)夯產(chǎn)生的有害振動(dòng)破壞周?chē)谑褂弥械姆课?、渡槽等建筑物結(jié)構(gòu)，影響到建筑物的功能和使用，造成不良的影響，在水庫(kù)工程壩基強(qiáng)夯施工場(chǎng)地指定的場(chǎng)區(qū)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，獲得了完整準(zhǔn)確的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，客觀評(píng)價(jià)了強(qiáng)夯施工產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。

1 振動(dòng)觀測(cè)設(shè)備及評(píng)價(jià)依據(jù)

1.1 振動(dòng)觀測(cè)設(shè)備

本次振動(dòng)觀測(cè)采用3臺(tái)YL-VMI振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，該儀器采集時(shí)自適應(yīng)量程，無(wú)須調(diào)整，采集時(shí)間可根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)設(shè)置，可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)儀器本身的功能讀出特征值，大致預(yù)覽已經(jīng)采集到的信號(hào)波形，數(shù)據(jù)記錄為連續(xù)模式,能同時(shí)顯示振動(dòng)速度、主頻及記錄發(fā)生時(shí)刻，3臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀經(jīng)一致性對(duì)比，誤差滿足觀測(cè)質(zhì)量要求，可用于野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。

1.2 評(píng)價(jià)依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外大量的工程實(shí)踐表明，地面結(jié)構(gòu)物、建筑物的破壞程度與振動(dòng)引起的地面質(zhì)點(diǎn)峰值速度相關(guān)性最好，地面質(zhì)點(diǎn)速度值可以作為衡量建筑物振動(dòng)效應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 建筑物的振動(dòng) 振動(dòng)測(cè)量及其對(duì)建筑影響的評(píng)價(jià)指南》[16](GB/T 14124—2009)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB 50011—2010) ，結(jié)合水庫(kù)壩基夯擊場(chǎng)地及周?chē)乇順?gòu)筑物實(shí)際，確定本次監(jiān)測(cè)對(duì)地表構(gòu)筑物不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞影響的安全距離為振動(dòng)峰值速度不大于0.5 cm/s的范圍。

2 觀測(cè)方法與試驗(yàn)

2.1 觀測(cè)測(cè)線布設(shè)

強(qiáng)夯場(chǎng)地(見(jiàn)圖1)呈規(guī)則矩形，場(chǎng)地北側(cè)已開(kāi)挖1條寬1 m深度接近1 m的減震溝，場(chǎng)地西北角距離出水渡槽370 m，中北部距離村莊480 m，東北角距離渡槽150 m，在強(qiáng)夯點(diǎn)與受影響建筑物之間按照最近原則布設(shè)監(jiān)測(cè)測(cè)線3條，兼顧強(qiáng)夯場(chǎng)地周?chē)煌ㄖ锏姆植肌?/p>

圖1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)線及觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

振動(dòng)監(jiān)測(cè)觀測(cè)點(diǎn)按以下原則布設(shè)，在距離強(qiáng)夯機(jī)小于100 m的范圍內(nèi)，沿測(cè)線按10 m等距離間隔布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，在距離強(qiáng)夯機(jī)100 m～300 m的范圍內(nèi)，沿測(cè)線按20 m等距離間隔布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，距離強(qiáng)夯機(jī)超過(guò)300 m，沿測(cè)線按40 m等距離間隔布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。

在測(cè)線設(shè)計(jì)的觀測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，安放振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器時(shí)保持水平徑向方向與測(cè)線方向一致，從近到遠(yuǎn)，對(duì)強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)使用3臺(tái)儀器同步觀測(cè)2次～3次，求取平均值，以減少隨機(jī)誤差。

2.2 夯擊次數(shù)試驗(yàn)

觀測(cè)點(diǎn)位于施工場(chǎng)地的中北部，完成14個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，從觀測(cè)結(jié)果分析(見(jiàn)圖2)，隨著夯擊次數(shù)的增加，松散的土體逐漸被夯實(shí)、土體密實(shí)度的提高使其自身抵抗外力的能力加大，在強(qiáng)夯能量保持不變的前提下，土體變形逐漸減弱直至趨于穩(wěn)定，夯擊的能量也從壓實(shí)土體逐漸轉(zhuǎn)移到引起土體振動(dòng)上，振動(dòng)速度峰值逐漸增大，最終不增加或呈小幅度波動(dòng)。此時(shí)，夯擊振動(dòng)產(chǎn)生的地震波，對(duì)安全距離外的地面構(gòu)筑物的破壞力達(dá)到最大，同時(shí)，相同夯擊能力下，再增加夯擊次數(shù)，也不會(huì)對(duì)土體的擠密起到多少作用。當(dāng)夯擊8次以上，夯機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)能量趨于穩(wěn)定，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確定在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)前先夯擊8次以上。

圖2 夯擊次數(shù)振動(dòng)分析

2.3 能量傳播的各向均一性試驗(yàn)

在場(chǎng)地開(kāi)闊區(qū)域，以夯機(jī)為中心，距離夯機(jī)半徑50 m,按45°角均勻布置8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)夯擊振動(dòng)能量的橫向均一性。從不同方位記錄的振動(dòng)速度峰值統(tǒng)計(jì)圖，見(jiàn)圖3，可以看出夯擊產(chǎn)生的振動(dòng)能量向四周傳播基本一致,西部地表由于灌水，土質(zhì)較密實(shí)，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)略大于其它方向，而南部、東南部地勢(shì)相對(duì)較低，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)略小。

圖3 不同方位振動(dòng)速度分析

2.4 減震溝能量衰減分析

在已開(kāi)挖的減震溝兩側(cè)分別布置觀測(cè)點(diǎn)，夯機(jī)距離減震溝分別為30 m、50 m、70 m、90 m進(jìn)行夯擊對(duì)比，減震溝靠近夯擊點(diǎn)一側(cè)布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)，另一側(cè)間隔10 m共布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)2個(gè)(見(jiàn)圖4),從觀測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)速度衰減圖(見(jiàn)圖5)分析，減震溝兩側(cè)振動(dòng)速度衰減明顯大于正常衰減，而且減震溝越靠近夯擊點(diǎn)，衰減曲線斜率越大，衰減速度變化越快，從觀測(cè)數(shù)值上，水平方向的振動(dòng)速度峰值下降更為明顯，從地震波傳播理論分析，如果增加減震溝深度，使得地震波繞射到達(dá)減震溝另一側(cè)的路徑增大，加大能量的損失，效果應(yīng)該會(huì)更加明顯。

圖4 減震溝觀測(cè)示意圖

3 實(shí)測(cè)成果分析

強(qiáng)夯場(chǎng)地實(shí)測(cè)測(cè)線3條(見(jiàn)圖2)，分別編號(hào)L1、L2和L3，從觀測(cè)數(shù)值上，強(qiáng)夯引起的瞬時(shí)沖擊振動(dòng)頻率在5 Hz～15 Hz之間，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間小于1 s，強(qiáng)夯產(chǎn)生的地震波沿地表分為垂直和水平兩個(gè)方向振動(dòng)分量，以低頻面波對(duì)周?chē)乇順?gòu)筑物的振動(dòng)影響最大，地震波在同一測(cè)點(diǎn)上，水平徑向振動(dòng)最大，振動(dòng)位移也最大，垂直向次之，水平切向最小，振動(dòng)速度的大小反映了振動(dòng)的能量的強(qiáng)弱。

圖5 減震溝振動(dòng)速度衰減分析

從振動(dòng)速度曲線上，基本可劃分為2段，靠近夯擊點(diǎn)表現(xiàn)為近似直線的快速陡降段，遠(yuǎn)離夯擊點(diǎn)逐漸呈現(xiàn)為近水平的直線，說(shuō)明強(qiáng)夯引起的地面振動(dòng)隨著傳播距離的增大不斷衰減，而且近處衰減較快，衰減隨距離變化存在衰減拐點(diǎn)，結(jié)合夯擊次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，可以指導(dǎo)強(qiáng)夯施工夯擊次數(shù)。

不難知道，柱面坐標(biāo)下三重積分的體積微元dv=rdrdθdz，因此可將一般形式的三重積分轉(zhuǎn)化為柱面坐標(biāo)下的三重積分，即：

L1線觀測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖6)表明，距離夯機(jī)0～60 m，振動(dòng)能量衰減很快，速度從7.763 cm/s衰減至1.527 cm/s；距離夯機(jī)70 m～220 m,振動(dòng)能量衰減較快，速度從1.469 cm/s衰減至0.327 cm/s；距離夯機(jī)240 m～380 m,振動(dòng)能量衰減區(qū)域平緩，監(jiān)測(cè)速度峰值變化不大，速度從0.211 cm/s衰減至0.165 cm/s；而出水渡槽距離夯機(jī)最近點(diǎn)374 m,強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷。

圖6 L1線振動(dòng)速度圖

L2線觀測(cè)的結(jié)果(見(jiàn)圖7)與L1線類(lèi)似，距離夯機(jī)0～60 m，振動(dòng)能量衰減很快，速度從10.948 cm/s衰減至1.818 cm/s；距離夯機(jī)70 m～220 m,振動(dòng)能量衰減較快，速度從1.467 cm/s衰減至0.407 cm/s；距離夯機(jī)240 m～580 m,振動(dòng)能量衰減趨于平緩，振動(dòng)速度峰值從0.313 cm/s衰減至0.097 cm/s；夯機(jī)離村莊最近距離為486 m,觀測(cè)到的振動(dòng)速度為0.191 cm/s，夯機(jī)施工不會(huì)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響。

綜合L1和L2兩條測(cè)線的觀測(cè)結(jié)果，距離夯擊點(diǎn)210 m以后，強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)速度峰值下降到0.5 cm/s，達(dá)到項(xiàng)目設(shè)定的進(jìn)入安全距離的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，即210 m就是本強(qiáng)夯場(chǎng)地的安全距離。

圖7 L2線振動(dòng)速度圖

L3線的觀測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖8)顯示，距離夯機(jī)0～50 m，振動(dòng)能量衰減很快，速度從7.676 cm/s衰減至1.733 cm/s；距離夯機(jī)60 m～140 m,振動(dòng)能量衰減較快，速度從1.683 cm/s衰減至0.915 cm/s；距離夯機(jī)140 m～160 m,振動(dòng)能量衰減區(qū)域平緩，監(jiān)測(cè)速度變化不大，速度從0.745 cm/s衰減至0.687 cm/s；距離夯擊點(diǎn)50 m～140 m的范圍內(nèi)，表淺層地層為黃沙，觀測(cè)到的振動(dòng)速度相對(duì)較小。L3線上的渡槽離夯擊場(chǎng)地的最小距離為150 m左右,觀測(cè)到的對(duì)應(yīng)振動(dòng)速度為0.745 cm/s，處于監(jiān)測(cè)速度的拐點(diǎn)位置，夯機(jī)振動(dòng)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生破壞性影響，建議加大開(kāi)挖減震溝的深度，或再開(kāi)挖一條減震溝組成雙減震溝，提高減震效果，并經(jīng)振動(dòng)觀測(cè)，滿足安全允許振動(dòng)速度后再進(jìn)行強(qiáng)夯施工，避免對(duì)渡槽產(chǎn)生損傷。

圖8 L3線振動(dòng)速度圖

4 結(jié) 論

(1) 強(qiáng)夯施工對(duì)夯擊點(diǎn)周?chē)匚锊豢杀苊獾臅?huì)產(chǎn)生地震效應(yīng)，地面觀測(cè)到的振動(dòng)速度的大小反映了強(qiáng)夯施工振動(dòng)的影響程度，可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地情況并依據(jù)相關(guān)規(guī)范文件確定安全振動(dòng)速度和安全距離。

(2) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的夯擊次數(shù)對(duì)比和速度衰減拐點(diǎn)可以作為夯機(jī)施工參數(shù)的參考依據(jù)，對(duì)不滿足安全距離的強(qiáng)夯施工，需要采取開(kāi)挖減震溝削減夯擊產(chǎn)生的振動(dòng)，有效降低振動(dòng)對(duì)地表構(gòu)筑物的損傷。

(3) 振動(dòng)產(chǎn)生的地震波以水平方向?qū)ㄖ飺p害最為明顯，理論分析認(rèn)為減震溝的深度將直接影響減震效果，且深度越深，對(duì)水平峰值的影響越大，對(duì)垂直峰值影響相對(duì)較小，減震溝的長(zhǎng)度需大于夯擊面與地面構(gòu)筑物正對(duì)的邊線，減震溝越靠近夯擊點(diǎn)，減震效果越明顯，建議施工過(guò)程中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)確定實(shí)際效果。

(4) 強(qiáng)夯施工過(guò)程中，多臺(tái)夯機(jī)同時(shí)作業(yè)易產(chǎn)生能量疊加，增加對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量避免，或通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)予以準(zhǔn)確測(cè)定安全距離及減震措施實(shí)效。