康增柱，韓云山，董彥莉，申光凝

(中北大學(xué)理學(xué)院，山西太原030051)

強夯法自1969年由法國工程師Menard［1］提出并應(yīng)用于地基加固，由于其加固效果顯著、經(jīng)濟易行、施工快捷故在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是在強夯施工過程中會產(chǎn)生很大的振動和噪聲，振動可能在一定的范圍內(nèi)對其它的建筑物或構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。因此，研究強夯對環(huán)境的振動效應(yīng)，分析掌握其振動衰減規(guī)律是必要的。目前國內(nèi)常用《爆破安全規(guī)程》［2］來評價強夯引起的環(huán)境振動，進而確定安全施工距離。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對強夯對于鄰近建筑物的影響進行了一系列的研究工作，提出了振動安全距離、振動衰減公式等［3］－［5］。本文通過大型通用軟件 ABAQUS對強夯過程進行了數(shù)值模擬研究，對強夯振動特性、強夯振動對建筑物的影響進行了定量分析，獲得了地表土體的振動衰減規(guī)律。希望能為實際工程中處理環(huán)境振動污染提供一些有益參考。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 計算模型

模型尺寸:計算采用軸對稱的二維模型，計算半徑取80 m，計算深度取30 m。本構(gòu)模型:采用Mohr—Coulomb模型。邊界條件:遠離夯錘的豎向邊界固定其水平位移;在土層底部固定豎向和徑向位移(圖1)。強夯的夯擊過程是一個動力作用過程，在邊界處理上應(yīng)采用動力邊界處理(人工透射邊界)，即在計算模型尺寸較大的情況下，邊界的反射能量可以忽略，能夠保證計算結(jié)果的正確性，因而采用了簡便易行的固定邊界。

圖1 計算模型示意

圖2 錘底應(yīng)力隨時間變化示意

1.2 土體參數(shù)

計算中輸入的初始土體參數(shù)如下:密度ρ=1.97×103kg/m3，彈性模量 E=15 MPa，粘聚力 C=20 kPa，摩擦角 φ=22°，泊松比ν=0.3。

1.3 荷載的施加

根據(jù)強夯接觸應(yīng)力的實測結(jié)果可知。在夯錘對地面沖擊碰撞的過程中應(yīng)力波為一尖峰，作用時間為0.04～0.2 s，錘底應(yīng)力變化如圖2所示。假設(shè)錘底的應(yīng)力均勻分布，在錘與土的接觸面上施加三角形荷載，由于強夯沖擊荷載作用的極短，粘滯力對動應(yīng)力的影響可以忽略不計，最大錘擊應(yīng)力Pmax按式(1)計算，錘擊作用時間tN按式(2)計算。

此次模擬的強夯能級為6 000 kN·m，夯錘的半徑為1.2 m，夯錘的重量為3×104kg，落距為20 m。因此可得最大錘擊應(yīng)力為4.82×106kPa，錘擊作用時間為0.086 s。

2 數(shù)值模擬研究結(jié)果

2.1 加速度時程曲線分析

數(shù)值模擬的結(jié)果表明，強夯引起的振動波除了幅值不同外，其波形基本相似。因此以地表土體為例來分析土體的加速度。為了圖形的清晰，圖3、圖4只給出了距夯點5 m、10 m、15 m(節(jié)點編號為9671、9681、9691)處的地表土體徑向和豎向加速度時程曲線。圖中顯示無論是徑向還是豎向加速度，沿徑向距離的增加衰減很快，且振動周期隨徑向距離的增加而逐漸增大，反映了振動頻率由高到低的變化。同時也可看出，強夯振動的頻率較低，其主頻在10～20 Hz?，F(xiàn)場施工時，每個夯點連續(xù)夯擊時的時間間隔以“min”計，從振動波形分析可知，其振動的持續(xù)時間為1 s，因此在實際工程中不會出現(xiàn)振動疊加現(xiàn)象。

圖3 徑向加速度時程曲線

圖4 豎向加速度時程曲線

2.2 土體加速度隨水平距離、垂直深度的衰減

圖5、圖6分別給出了處地表土體徑向和豎向加速度峰值隨水平距離的變化規(guī)律。從圖中可以看出:徑向加速度的峰值大于豎向加速度的峰值，并且徑向加速度隨距離的衰減要快于豎向加速度隨距離的衰減。根據(jù)吳綿拔［6］、王仁鐘［7］的工程實測結(jié)果可知，最大徑向、豎向加速度隨水平距離增加均按冪函數(shù)規(guī)律衰減，衰減規(guī)律可統(tǒng)一表示為:

式中:amax為加速度峰值(m/s2);K為當(dāng)量系數(shù);R為離夯點的距離(m);β為衰減指數(shù)。

針對本文算例，最大徑向加速度時 K=10.275，β=－1.800;最大豎向加速度時 K=7.381，β=－1.355。

圖5 徑向加速度峰值隨水平距離衰減曲線

圖6 豎向加速度峰值隨水平距離衰減曲線

圖7、圖8分別給出了處地表土體徑向和豎向加速度峰值隨垂直深度(距夯點5 m處)的變化規(guī)律。從圖中可以看出:徑向加速度的峰值大于豎向加速度的峰值，并且徑向加速度隨深度的衰減要快于豎向加速度隨深度的衰減。徑向加速度和豎向加速度的最大值并不是出現(xiàn)在地表，而是出現(xiàn)在地表下5 m處，同時通過和以上兩圖對比可知，無論是徑向加速度亦或是豎向加速度沿深度方向的衰減都遠小于沿水平徑向的衰減。

圖7 徑向加速度峰值隨垂直深度衰減曲線

3 結(jié)論

(1)強夯引起的加速度峰值隨時間迅速衰減，振動周期在1 s左右，主頻在10～20 Hz之間，不會出現(xiàn)振動的疊加。

圖8 豎向加速度峰值隨垂直深度衰減曲線

(2)相同場地條件下，無論是徑向加速度亦或是豎向加速度沿深度方向的衰減都遠小于沿水平距離的衰減。

(3)相同場地條件下，徑向加速度峰值大于豎向加速度峰值，且徑向加速度比豎向加速度衰減的快。

［1］Menard L，Broise Y.Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation［J］.Geotechnique，1975，23(1):3－15

［2］GB 6722－2003爆破安全規(guī)程［S］

［3］SHEN C K，KIM Y S，BANG S，etc.Centrifugemodeling of lateral earth support［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1982，108(9):1150－1164

［4］殷楚梅，李樹林.建筑施工振動環(huán)境影響評價［J］.云南環(huán)境科學(xué)，2001，20(增刊):128－129

［5］張孟喜，王玉玲，馮建龍.黃土受強夯擾動的工程特性與環(huán)境公害研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(12):1903－1909

［6］吳綿撥，李俊如.強夯對環(huán)境的振動影響研究［J］.土工基礎(chǔ)，1992(2)

［7］王仁忠.強夯加固軟土地基的動態(tài)測試與分析［C］∥第一屆全國地基處理學(xué)術(shù)討論會論文集.杭州，1986