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(qiáng)夯法自1969年由法國(guó)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(jì)易行、施工快捷故在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是在強(qiáng)夯施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪聲，振動(dòng)可能在一定的范圍內(nèi)對(duì)其它的建筑物或構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。因此，研究強(qiáng)夯對(duì)環(huán)境的振動(dòng)效應(yīng)，分析掌握其振動(dòng)衰減規(guī)律是必要的。目前國(guó)內(nèi)常用《爆破安全規(guī)程》［2］來(lái)評(píng)價(jià)強(qiáng)夯引起的環(huán)境振動(dòng)，進(jìn)而確定安全施工距離。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)強(qiáng)夯對(duì)于鄰近建筑物的影響進(jìn)行了一系列的研究工作，提出了振動(dòng)安全距離、振動(dòng)衰減公式等［3］－［5］。本文通過(guò)大型通用軟件 ABAQUS對(duì)強(qiáng)夯過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)特性、強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)建筑物的影響進(jìn)行了定量分析，獲得了地表土體的振動(dòng)衰減規(guī)律。希望能為實(shí)際工程中處理環(huán)境振動(dòng)污染提供一些有益參考。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 計(jì)算模型

模型尺寸:計(jì)算采用軸對(duì)稱的二維模型，計(jì)算半徑取80 m，計(jì)算深度取30 m。本構(gòu)模型:采用Mohr—Coulomb模型。邊界條件:遠(yuǎn)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(qiáng)夯的夯擊過(guò)程是一個(gè)動(dòng)力作用過(guò)程，在邊界處理上應(yīng)采用動(dòng)力邊界處理(人工透射邊界)，即在計(jì)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(jì)算結(jié)果的正確性，因而采用了簡(jiǎn)便易行的固定邊界。

圖1 計(jì)算模型示意

圖2 錘底應(yīng)力隨時(shí)間變化示意

1.2 土體參數(shù)

計(jì)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(qiáng)夯接觸應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果可知。在夯錘對(duì)地面沖擊碰撞的過(guò)程中應(yīng)力波為一尖峰，作用時(shí)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(qiáng)夯沖擊荷載作用的極短，粘滯力對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)，最大錘擊應(yīng)力Pmax按式(1)計(jì)算，錘擊作用時(shí)間tN按式(2)計(jì)算。

此次模擬的強(qiáng)夯能級(jí)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(shí)間為0.086 s。

2 數(shù)值模擬研究結(jié)果

2.1 加速度時(shí)程曲線分析

數(shù)值模擬的結(jié)果表明，強(qiáng)夯引起的振動(dòng)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(lái)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(diǎn)5 m、10 m、15 m(節(jié)點(diǎn)編號(hào)為9671、9681、9691)處的地表土體徑向和豎向加速度時(shí)程曲線。圖中顯示無(wú)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(dòng)周期隨徑向距離的增加而逐漸增大，反映了振動(dòng)頻率由高到低的變化。同時(shí)也可看出，強(qiáng)夯振動(dòng)的頻率較低，其主頻在10～20 Hz?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，每個(gè)夯點(diǎn)連續(xù)夯擊時(shí)的時(shí)間間隔以“min”計(jì)，從振動(dòng)波形分析可知，其振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間為1 s，因此在實(shí)際工程中不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)疊加現(xiàn)象。

圖3 徑向加速度時(shí)程曲線

圖4 豎向加速度時(shí)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(shí)測(cè)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(diǎn)的距離(m);β為衰減指數(shù)。

針對(duì)本文算例，最大徑向加速度時(shí) K=10.275，β=－1.800;最大豎向加速度時(shí) 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(diǎn)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(shí)通過(guò)和以上兩圖對(duì)比可知，無(wú)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(yuǎn)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(qiáng)夯引起的加速度峰值隨時(shí)間迅速衰減，振動(dòng)周期在1 s左右，主頻在10～20 Hz之間，不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)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(chǎng)地條件下，無(wú)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(yuǎn)小于沿水平距離的衰減。

(3)相同場(chǎng)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(dòng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)［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(qiáng)夯擾動(dòng)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(qiáng)夯對(duì)環(huán)境的振動(dòng)影響研究［J］.土工基礎(chǔ)，1992(2)

［7］王仁忠.強(qiáng)夯加固軟土地基的動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析［C］∥第一屆全國(guó)地基處理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.杭州，1986