朱榮彬，黃亦斌，徐通，陳昌振，溫振統(tǒng)

(1.廣州電力設(shè)計(jì)院，廣州市，510610;2.廣東省建筑科學(xué)研究院，廣州市，510500)

0 引言

強(qiáng)夯法是20世紀(jì)60年代末由法國(guó)Menard技術(shù)公司首先創(chuàng)用，并在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)于1975年開始介紹和引進(jìn)強(qiáng)夯技術(shù)，經(jīng)過(guò)了30多年的發(fā)展，己經(jīng)在工業(yè)與民用建筑、倉(cāng)庫(kù)、油罐、貯倉(cāng)、水利、港航、公路、鐵路、飛機(jī)場(chǎng)跑道及碼頭的地基處理中得到了廣泛應(yīng)用［1］。

強(qiáng)夯施工時(shí)，施工機(jī)械把夯錘提升到一定高度然后自然落下，夯錘在接觸地面的瞬間，其勢(shì)能基本都轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。重錘夯擊地面時(shí)，動(dòng)能的一部分以聲波形式向四周傳播，一部分由于夯錘和土的摩擦而變成熱能，其余的大部分動(dòng)能將使土體產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)以壓縮波(P波)、剪切波(S波)和瑞利波(R波)聯(lián)合來(lái)傳遞，其中壓縮波占振動(dòng)能量的7%，剪切波為26%，瑞利波所占的比例最大為67%。瑞利波是一種表面波，由于瑞利波積聚的能量較大，且沿自由表面?zhèn)鞑ィ鋫鞑サ木嚯x也較大，是強(qiáng)夯施工對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生振動(dòng)影響的主要能量［2］。

強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)當(dāng)超過(guò)一定限度時(shí)，就對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，特別是在大、中城市等建筑物和地下設(shè)施密集地區(qū)進(jìn)行施工時(shí)，強(qiáng)烈的地面振動(dòng)不但會(huì)影響臨近精密儀器、儀表和對(duì)振動(dòng)有特殊要求的產(chǎn)品精加工工藝過(guò)程，干擾周圍居民和有關(guān)人員的正常工作和生活，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及周圍建筑物以及地下設(shè)施(管線)的穩(wěn)定和安全。強(qiáng)夯法施工振動(dòng)引起的環(huán)境公害問(wèn)題己經(jīng)引起工程界和有關(guān)部門的關(guān)注和重視，在建筑結(jié)構(gòu)和地下設(shè)施密集的城市城區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯施工活動(dòng)時(shí)，施工振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響已成為該項(xiàng)目能否獲得有關(guān)部門批準(zhǔn)和施工過(guò)程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素，同時(shí)也時(shí)常發(fā)生強(qiáng)夯施工干擾附近居民正常生活的民事糾紛［3-4］。

對(duì)強(qiáng)夯施工振動(dòng)的研究主要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值分析等幾種方法，其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究是界定強(qiáng)夯施工振動(dòng)安全距離的最直接手段。當(dāng)前，在強(qiáng)夯施工振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的試驗(yàn)研究方面，往往針對(duì)某一特定的施工場(chǎng)地測(cè)定強(qiáng)夯振動(dòng)影響的安全距離，試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有分別考慮錘重、落距、隔振溝設(shè)置情況、土層性質(zhì)、施工工況等因素的影響，所得到的結(jié)果不具有普遍性，僅能反映某種地層結(jié)構(gòu)和工程狀況對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的響應(yīng)，適用于單個(gè)強(qiáng)夯施工場(chǎng)地安全距離的界定［5-13］。

針對(duì)以上情況，本文將對(duì)廣州花都空港變電站強(qiáng)夯施工場(chǎng)地開展強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，綜合考慮施工工況、錘型、錘重、落距、夯擊次數(shù)等對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響，并對(duì)隔振溝的隔振效果進(jìn)行測(cè)試分析，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)界定強(qiáng)夯施工振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響的安全距離。本試驗(yàn)的研究成果可為今后的強(qiáng)夯設(shè)計(jì)和施工方案的確定提供參考，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地為花都空港變電站建設(shè)用地，處于山間盆地，表層為厚度約6 m的粉質(zhì)粘土，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行強(qiáng)夯施工，采用2遍點(diǎn)夯加1遍滿夯的施工方案。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和討論后選擇上層階梯的一塊相對(duì)平坦且尚未進(jìn)行強(qiáng)夯施工的場(chǎng)地，進(jìn)行強(qiáng)夯對(duì)周邊建筑物影響的試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備及布置

主要試驗(yàn)儀器和設(shè)備如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備Tab.1 Testing apparatus and instruments

試驗(yàn)點(diǎn)和儀器的具體布置如圖1所示，圖中長(zhǎng)度單位為m。各測(cè)點(diǎn)分別布置1個(gè)三向速度傳感器，傳感器將測(cè)到的振動(dòng)加速度信號(hào)輸出到放大器進(jìn)行放大，然后通過(guò)信號(hào)采集儀采集后傳送到筆記本電腦中進(jìn)行存儲(chǔ)，本次試驗(yàn)采用的DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)可同時(shí)連接16個(gè)測(cè)試通道，系統(tǒng)內(nèi)包括動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)所需的信號(hào)調(diào)理器(應(yīng)變、振動(dòng)等調(diào)理器)、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通信的全部硬件。

夯點(diǎn)布置在強(qiáng)夯加固區(qū)范圍內(nèi)，為了對(duì)3種落距及2種錘型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇3個(gè)夯擊點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，3個(gè)夯擊點(diǎn)間距較小，可近似認(rèn)為到各個(gè)傳感器的距離是相同的。傳感器布設(shè)在3個(gè)夯擊點(diǎn)連線的中垂線上，由于試驗(yàn)場(chǎng)地寬度約為150 m，因此本次試驗(yàn)共布置11個(gè)傳感器，測(cè)試最遠(yuǎn)距離為150 m?？紤]到夯擊振動(dòng)的非線性衰減規(guī)律，在50 m范圍內(nèi)強(qiáng)夯振動(dòng)速度幅值衰減迅速，因此在試驗(yàn)中采用近密遠(yuǎn)疏的布點(diǎn)方式以更準(zhǔn)確地測(cè)量強(qiáng)夯振動(dòng)速度幅值，傳感器與夯擊點(diǎn)連線的中點(diǎn)距離分別為5、5、5、5、10、10、10、25、25、25、25 m。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要探討強(qiáng)夯施工振動(dòng)的傳播和衰減規(guī)律，主要包含以下幾個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容:

(1)強(qiáng)夯施工振動(dòng)隨距離的衰減規(guī)律。

(2)不同夯錘錘型和落距對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響。

(3)隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響。

1.4 試驗(yàn)步驟

1.4.1 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

(1)在試驗(yàn)進(jìn)行之前必須排除現(xiàn)場(chǎng)的干擾因素，以避免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，在試驗(yàn)場(chǎng)地周邊200 m范圍內(nèi)大型施工機(jī)械應(yīng)停止施工，大小車輛禁止入場(chǎng)。

(2)按照傳感器的設(shè)計(jì)點(diǎn)位設(shè)置傳感器安裝平臺(tái)用以安裝傳感器，將傳感器放置在平板上，用透明膠帶纏緊，保證傳感器和豎直板的緊密接觸。接通電源、連接好電纜，為了消除傳感器誤差，在傳感器與采集儀連接好之后對(duì)傳感器的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

(3)對(duì)信號(hào)采集處理分析儀進(jìn)行試驗(yàn)前的調(diào)試，使其處于最佳工作狀態(tài)。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)及檢測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)布置Fig.1 Site layout of apparatus and monitoring points

本部分試驗(yàn)內(nèi)容在第1遍點(diǎn)夯結(jié)束7天后進(jìn)行，此時(shí)可認(rèn)為強(qiáng)夯引起的超靜孔壓已經(jīng)消散，步驟如下:

(1)強(qiáng)夯機(jī)進(jìn)場(chǎng)，強(qiáng)夯機(jī)脫鉤裝置換18 m鋼絲繩，設(shè)置重錘落距為18 m，采用12.9 t重錘，在夯擊點(diǎn)1測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

(2)將重錘換成17.8 t，測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

(3)強(qiáng)夯機(jī)移位到夯擊點(diǎn)2，強(qiáng)夯機(jī)脫鉤裝置換12 m鋼絲繩，設(shè)置重錘落距為12 m，采用12.9 t重錘，在夯擊點(diǎn)2測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

(4)將重錘換成17.8 t，其他參數(shù)不變，測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

(5)強(qiáng)夯機(jī)移位到夯擊點(diǎn)3，強(qiáng)夯機(jī)脫鉤裝置換6 m鋼絲繩，設(shè)置重錘落距為12 m，采用12.9 t重錘，在夯擊點(diǎn)3測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

(6)將重錘換成17.8 t，其他參數(shù)不變，測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

(7)開挖隔振溝，隔振溝設(shè)置在第1個(gè)傳感器和第2個(gè)傳感器之間，寬度1 m、深1.5 m、長(zhǎng)15 m，具體位置見(jiàn)圖1。

時(shí)光荏苒，日月如梭，那個(gè)素履追夢(mèng)的青蔥少年轉(zhuǎn)眼間已生華發(fā)，但當(dāng)老師的他了有新的夢(mèng)想——做不凡的造夢(mèng)者。他的教育目標(biāo)是培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新人才。他認(rèn)為當(dāng)一位學(xué)生有了健全的人格、創(chuàng)新思維和自我意識(shí)之后，高考就只是一件附加品。

(8)重復(fù)步驟(1)～(7)。

1.4.3 滿夯階段施工振動(dòng)觀測(cè)

本部分試驗(yàn)內(nèi)容在滿夯階段結(jié)束后7天進(jìn)行，試驗(yàn)步驟和點(diǎn)夯施工振動(dòng)觀測(cè)步驟一致。

1.4.4 常規(guī)土工試驗(yàn)

在強(qiáng)夯施工前、點(diǎn)夯施工結(jié)束后、滿夯施工結(jié)束后各取樣1次，每次沿測(cè)線方向，在3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣，每個(gè)點(diǎn)取樣深度分別為1、5、9 m，共9個(gè)土樣。將土樣送土試驗(yàn)室做常規(guī)土工試驗(yàn)，以獲得土樣相關(guān)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同工況下強(qiáng)夯振動(dòng)隨距離衰減規(guī)律

為了反映不同工況下強(qiáng)夯振動(dòng)隨距離衰減規(guī)律，選取點(diǎn)夯階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)和滿夯階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，共對(duì)比了3組數(shù)據(jù)，如圖2所示。從圖中可以看出，滿夯階段相同測(cè)試點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在50 m范圍之內(nèi)明顯要大于點(diǎn)夯階段質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，但隨著距離的增加，在50 m范圍之外質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度趨于一致。這是由于滿夯階段土體的密實(shí)度要大于點(diǎn)夯階段，在夯擊過(guò)程中沖擊能量轉(zhuǎn)化為土體變形能的部分減少，更有利于強(qiáng)夯施工所引起的施工振動(dòng)的傳播。但在50 m范圍之外，由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度已經(jīng)相當(dāng)微小，傳感器測(cè)試精度的限制導(dǎo)致誤差掩蓋了真實(shí)數(shù)據(jù)，因此2條曲線看起來(lái)是趨于一致的。

圖2 點(diǎn)夯與滿夯階段強(qiáng)夯振動(dòng)傳播Fig.2 Vibration propagation of dynamic compaction for single tamping and full tamping stages

2.2 不同夯擊次數(shù)對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響

選取相同工況和隔振溝設(shè)置，相同錘重、落距的測(cè)試數(shù)據(jù)以進(jìn)行不同夯擊次數(shù)對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播影響的分析，如圖3所示。

從圖3可以看出，在其他因素相同的情況下，隨著夯擊次數(shù)的增加，相同點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度逐漸增加。其中第2擊振速相對(duì)于第1擊增加幅度較為明顯，但第3擊與第2擊的振速已經(jīng)相當(dāng)接近，這說(shuō)明了隨著夯擊次數(shù)的增加，夯擊點(diǎn)土體被加固，夯錘夯擊土體的過(guò)程中消耗在土體塑性變形上的能量也減小，有更多的能量通過(guò)振動(dòng)的形式傳播出去。但是在一定的夯擊次數(shù)之后，土體已經(jīng)達(dá)到該能級(jí)強(qiáng)夯下的最佳加固效果，隨夯擊次數(shù)的增加，質(zhì)點(diǎn)振速增長(zhǎng)很小。

圖3 夯擊次數(shù)對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響Fig.3 Effects of tamping frequency on vibration propagation

2.3 不同夯錘落距對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響

以下考慮不同的夯錘落距對(duì)強(qiáng)夯施工振動(dòng)傳播的影響，對(duì)18、12、6 m三種落距的情況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。從圖中可以看出，夯錘對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響非常大，隨著夯錘質(zhì)量的增加，夯擊能量加大，土體所吸收的能量也越多，在相同條件下質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度也增大。

圖4 夯錘落距對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響Fig.4 Effects of drop height on vibration propagation

2.4 不同夯錘質(zhì)量對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響

在強(qiáng)夯施工中，通過(guò)錘重和落距來(lái)控制夯擊能量，因此錘重也是影響強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的重要因素，在本次試驗(yàn)中選取了質(zhì)量為12.9和17.8 t的夯錘進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。2種情況下改變夯錘質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著夯錘質(zhì)量的增加，強(qiáng)夯引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度增大。

2.5 隔振溝的設(shè)置對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響

分別對(duì)沒(méi)有設(shè)置隔振溝和設(shè)置隔振溝的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，隔振溝設(shè)置在第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)和第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的影響可以分為2個(gè)區(qū)域，在夯擊點(diǎn)和隔振溝之間的區(qū)域，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度激增。這是因?yàn)樵诘乇響?yīng)力波傳播至隔振溝位置時(shí)，隔振溝可以看成是1個(gè)自由端，溝壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力為0，速度加倍。在無(wú)隔振溝的情況下，強(qiáng)夯振動(dòng)衰減平滑，在隔振溝之后的范圍內(nèi)，地表振速均要小于沒(méi)有設(shè)置隔振溝的情況，這是因?yàn)楦粽駵掀鸬搅俗璧K強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的作用。

從分析中還可得知，在實(shí)際強(qiáng)夯施工中，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地范圍內(nèi)的溝渠分布進(jìn)行調(diào)查，以分析溝渠對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的增強(qiáng)和衰減作用。

圖5 夯錘質(zhì)量對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響Fig.5 Effects of hammer weight on vibration propagation

圖6 隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的影響Fig.6 Effects of isolation trench on vibration propagation

2.6 強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊建筑物影響安全距離的界定

當(dāng)前對(duì)于強(qiáng)夯安全距離的準(zhǔn)確界定尚沒(méi)有相關(guān)規(guī)范可遵循，一般的做法是參照《爆破安全規(guī)程》。一般建筑物和構(gòu)筑物的爆破地震安全性應(yīng)滿足安全震動(dòng)速度的要求，主要類型的建(構(gòu))筑物地面質(zhì)點(diǎn)的安全震動(dòng)速度規(guī)定如下:

(1)土窯洞、土坯房、毛石房屋1.0 cm/s。

(2)一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物2～3 cm/s。

本文選擇安全振動(dòng)速度為1.0 cm/s作為判據(jù)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可確定該強(qiáng)夯施工場(chǎng)地在最不利情況下強(qiáng)夯施工振動(dòng)的安全距離為27.5 m。

3 結(jié)論

(1)滿夯階段土體的密實(shí)度要大于點(diǎn)夯階段，更有利于強(qiáng)夯施工所引起的施工振動(dòng)的傳播。

(2)在其他因素相同的情況下，隨著夯擊次數(shù)的增加，相同點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度逐漸增加，但是在一定的夯擊次數(shù)之后土體已經(jīng)達(dá)到該能級(jí)強(qiáng)夯下的最佳加固效果，隨夯擊次數(shù)的增加質(zhì)點(diǎn)振速增長(zhǎng)很小。

(3)隨著夯錘質(zhì)量和落距的增加，夯擊能量加大，土體所吸收的能量也越多，在相同條件下質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度也增大。

(4)隔振溝對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的影響可以分為2個(gè)區(qū)域，在夯擊點(diǎn)和隔振溝之間的區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度激增，這是因?yàn)樵诘乇響?yīng)力波傳播至隔振溝位置時(shí)，隔振溝可以看成是1個(gè)自由端，溝壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力為0、速度加倍。在無(wú)隔振溝的情況下，強(qiáng)夯振動(dòng)衰減平滑，在隔振溝之后的范圍內(nèi)，地表振速均要小于沒(méi)有設(shè)置隔振溝的情況，這是因?yàn)楦粽駵掀鸬搅俗璧K強(qiáng)夯振動(dòng)傳播的作用。

(5)參照《爆破安全規(guī)程》，選擇安全振動(dòng)速度為1.0 cm/s作為判據(jù)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可確定該強(qiáng)夯施工場(chǎng)地在最不利情況下強(qiáng)夯施工振動(dòng)的安全距離為27.5 m。

［1］任書考.強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試與資料分析研究［C］//第四屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986.

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