沖孔樁施工引起周圍地表振動的測試研究

霍衛(wèi)安

（甘肅省建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

沖孔樁施工時利用沖錘自由落體對地層巖土體進(jìn)行沖擊、切削，從而達(dá)到樁基成孔的目的。樁周土在沖錘的沖擊作用下被擠密，因此沖孔樁具有更高的承載力，這使得高層建筑和橋梁基礎(chǔ)中沖孔樁被廣泛采用。然而，沖孔樁施工時沖錘產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動對周圍建筑物和地下管道造成不同程度的損傷，同時，也帶來環(huán)境噪音問題。從20 世紀(jì)70 年代起，國內(nèi)外學(xué)者就開始關(guān)注樁基沖孔作業(yè)和打樁作業(yè)對環(huán)境的振動影響問題，我國也推出相應(yīng)規(guī)范[1-2]，對沖孔作業(yè)的振動頻率和振動峰值進(jìn)行限制。但這些規(guī)范中對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性能較低的農(nóng)村民房和古建筑未做特別規(guī)定，該類建筑廣泛分布于道路沿線，如果沒有明確的規(guī)范限定，則位于道路沿線的農(nóng)村民房和古建筑將在施工中遭受無法估量的損失。因此，深入研究樁基沖孔作業(yè)引起的振動傳播規(guī)律對環(huán)境振動評估和結(jié)構(gòu)隔振設(shè)計起到關(guān)鍵作用。

關(guān)于沖孔樁施工的環(huán)境振動問題，已有學(xué)者利用理論模型和現(xiàn)場測試的方法做了很多研究，如文獻(xiàn)[3-6]利用連續(xù)介質(zhì)理論對地表作用沖擊荷載的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)振動問題做了研究；高彥斌等[7]、吳鐵生[8]、許錫昌等[9]利用動態(tài)測試系統(tǒng)對沖孔作業(yè)時的地表振動進(jìn)行現(xiàn)場測試并擬合出振幅隨距離衰減的預(yù)測公式；陳云敏等[10]將數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果做了對比分析，發(fā)現(xiàn)沖孔樁作業(yè)的振動影響范圍為40 m?？偨Y(jié)上述文獻(xiàn)的研究成果能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究方法中不管是理論研究還是實(shí)測研究都以單樁作業(yè)工況作為研究對象，未考慮多個樁孔同時作業(yè)的振動疊加效應(yīng)，而在實(shí)際施工中往往都是多樁孔同時作業(yè)的情況。因此，現(xiàn)有研究成果在實(shí)踐應(yīng)用中仍存在局限性。

本研究借鑒已有研究方法，利用動態(tài)信號測試系統(tǒng)對沖孔樁作業(yè)引起的地表振動進(jìn)行現(xiàn)場測試，為了考察多樁同時作業(yè)的疊加效應(yīng)，在測試中分別進(jìn)行1～4 個樁同時作業(yè)的工況。通過對振動信號進(jìn)行振幅和頻譜分析，不僅對振幅衰減規(guī)律和頻率特征做了研究，還對多樁同時作業(yè)的振動疊加效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)分析。

2 測試方案

2.1 工程概況

位于臨夏回族自治州境內(nèi)的擬建雙達(dá)公路1#特大橋?yàn)?1 跨預(yù)應(yīng)力簡支梁橋（跨徑30 m），樁基采用沖孔灌注樁，樁長18 m，樁徑0.8 m。施工單位使用南通力威CK 2000 沖孔式打樁機(jī)進(jìn)行樁基成孔作業(yè)，沖錘質(zhì)量6 t，最大落距1 m，沖擊頻率為40次/分。場地土層自上而下由雜填土、粉土、粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和砂礫膠結(jié)層組成，各土層土體參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)表

2.2 測試方法及測點(diǎn)布置

本次測試的目的主要為研究沖孔樁作業(yè)引起地表振動沿距離的衰減規(guī)律和頻率特征，同時，考察多樁作業(yè)的振動疊加效應(yīng)。測試中以雙達(dá)公路1#特大橋的16#、17#墩的4 個樁為測試對象，利用東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH 5922 動態(tài)測試儀和D 610拾振器進(jìn)行振動信號采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測試儀器及測試流程如圖1 所示。為了便于數(shù)據(jù)分析，沿16#、17# 墩的跨中垂線按等間距布設(shè)5 個測點(diǎn)（D1～D5），在每個測點(diǎn)上布置3 個拾振器，分別采集x、y、z 方向的振動速度，其中x 方向?yàn)闃蛄鹤呦?，y方向垂直于橋梁，z 為豎直方向，各樁編號及測點(diǎn)布置如圖2 所示。測試時，各樁的沖錘入土深度均為2 m（清除雜填土）。

圖1 測試流程圖

圖2 測點(diǎn)布置圖

2.3 工況設(shè)計

基于前述測試目的和現(xiàn)場條件，本次測試共設(shè)計5 個測試工況，各工況描述見表2。

表2 測試工況表

3 測試結(jié)果與分析

圖3、圖4 給出了測點(diǎn)D1 在工況1 和工況2 的地表振動速度信號，對比兩圖能夠直觀地看出，兩樁同時作業(yè)時的振動峰值明顯大于單樁作業(yè)的情形。表3 列出了各測點(diǎn)在各工況下的3 方向振動峰值，表中數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明多樁同時作業(yè)時振動疊加效應(yīng)的存在，數(shù)據(jù)還表明同一測點(diǎn)處的豎向振動峰值大于水平方向的峰值，而水平面上的兩個方向（x，y）振動峰值非常接近。

表3 振動速度峰值統(tǒng)計表 mm/s

圖3 測點(diǎn)D1 工況1 振動信號

圖4 測點(diǎn)D1 工況2 振動信號

3.1 振幅衰減分析

利用表3 數(shù)據(jù)繪制出工況1、3、5 的振動衰減曲線如圖5 所示，在近場區(qū)域豎向振動速度峰值明顯大于水平方向的峰值，但當(dāng)距離大于30 m時，豎向和水平方向的峰值則趨于相等，說明豎向振動在近場的衰減速度大于水平方向。為了研究多樁同時作業(yè)的疊加效應(yīng)，此處定義一個量化參數(shù)α 來描述疊加效應(yīng)，稱之為疊加系數(shù)，其定義式為：

圖5 振動峰值隨距離的變化曲線

式中：A0為工況1 對應(yīng)的振動速度峰值（單樁作業(yè)時振動峰值），Ak為多樁同時作業(yè)時的振動速度峰值。

圖6 給出了各工況下衰減系數(shù)隨距離的變化曲線，可以看出，豎直和水平方向的疊加系數(shù)都隨距離的增大而減小，說明離振源越近疊加效應(yīng)越明顯。圖6 還反映出，在同種工況下水平方向的疊加系數(shù)大于豎直方向，說明水平振動的疊加效應(yīng)大于豎直振動。此外，對比圖6 中工況2 和工況3 的疊加系數(shù)變化曲線發(fā)現(xiàn)，在同一測點(diǎn)處工況2 的振動疊加系數(shù)大于工況3，說明同側(cè)振源的振動疊加效應(yīng)大于異側(cè)振源。

圖6 疊加系數(shù)隨距離的變化曲線

3.2 頻譜分析

對采集的振動速度時程信號做傅里葉變換，即可得到頻域信號。圖7 為測點(diǎn)D1、D3、D5 在各工況下的頻譜曲線，分析圖7 可知，沖孔樁施工引起的地表振動頻率主要分布在12～51 Hz，隨著振源距離增大頻率分布區(qū)間將逐漸變窄。5 個測點(diǎn)在各工況下的峰值頻率幾乎相同，都集中在15 Hz 附近。這一現(xiàn)象再次證明：沖擊荷載引起的地表振動頻率只與荷載激勵頻率有關(guān)，而與荷載大小、振源數(shù)量及沖擊強(qiáng)度無關(guān)[11-12]。

圖7 頻譜曲線

需要說明的是，本次測試由于受到條件限制，最多只能實(shí)現(xiàn)4 樁同時作業(yè)，測試數(shù)據(jù)非常有限，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法擬合出包含疊加系數(shù)的振動衰減公式。而且測試中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，振源的空間分布及相對位置對振動疊加效應(yīng)也存在顯著影響（同側(cè)和異側(cè)分布）。因此，關(guān)于沖孔樁多點(diǎn)作業(yè)的疊加效應(yīng)研究是個極為復(fù)雜的問題，尚需更系統(tǒng)的試驗(yàn)才能得出可靠的預(yù)測公式。

4 結(jié)語

針對沖孔樁施工引起的地表振動問題進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測研究，通過沖孔式打樁機(jī)激振并利用動態(tài)信號采集系統(tǒng)對地表振動速度時程信號進(jìn)行采集，對振動峰值沿距離的衰減曲線和頻譜曲線進(jìn)行對比分析后總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）沖孔樁施工引起的地表豎向振動在近場大于水平振動，而在遠(yuǎn)場兩者趨于相等，豎向振動在近場的衰減速度更快。

（2）多樁同時作業(yè)會產(chǎn)生明顯的振動疊加效應(yīng)，隨著距離增大，疊加效應(yīng)逐漸減弱；樁孔的空間分布和相對位置對疊加效應(yīng)存在顯著影響。

（3）沖孔作業(yè)引起的地表振動頻率分布在12～51 Hz，隨著距離增大，頻率分布區(qū)域逐漸變窄，峰值頻率保持在15 Hz 附近，多樁同時作業(yè)對峰值頻率沒有影響。