丁文湘，丁海濱，徐長節(jié)，楊園野

（1.浙江省工業(yè)設計研究院，杭州 310052；2.華東交通大學 巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌 330013）

強夯加固地基土振動傳播特性及隔振孔隔振分析

丁文湘1，丁海濱2，徐長節(jié)2，楊園野2

（1.浙江省工業(yè)設計研究院，杭州 310052；2.華東交通大學 巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌 330013）

隨著強夯法的廣泛應用，強夯引起的環(huán)境振動問題越來越受到重視，通過理論分析，進行數值模擬，通過與實際施工情況進行比對，確認模擬的有效性。然后通過模擬改變單一變量，研究了強夯施工中的施工參數夯錘錘徑、夯擊能組合對環(huán)境振動的影響，并采用同樣的方法，分析非連續(xù)性隔振屏障，隔振孔的三項參數孔徑、孔間距及孔深，對于隔振效果的影響。發(fā)現同等錘重條件下，大錘徑有利于減小環(huán)境振動，同等夯擊能下，輕錘高落有益于減小環(huán)境振動；隔振孔孔深達到一定值時，孔徑和孔間距比值越大，隔振效果越佳。研究結論對于強夯施工中的環(huán)境振動控制具有一定的參考價值。

振動與波；強夯；振動傳播；夯錘；隔振孔

強夯施工作為一種經濟有效的地基土加固措施，在鐵路、公路、機場地基處理及山區(qū)城市擴建工程中被廣泛的采用。然而，隨著振動危害越來越受到人們的廣泛關注，強夯施工引起的環(huán)境振動日益受到國內外學者的重視。在振動研究領域中，一般進行激振源的特性、振動在介質中的傳播規(guī)律、受振結構的響應及隔振四個方面的分析研究。

對于強夯振動的研究，高宏興等通過分析強夯振動加速度產生的附加力，提供了一個定量計算強夯振動對岸坡穩(wěn)定性影響的計算方法[1]。任書考通過實際工程案例，重點分析了加速度的變化規(guī)律，提出了確定強夯施工的最小安全距離及有效加固深度的“圖解法”[2]。吳銘炳等首次采用數值分析法研究了強夯加固機理[3]。吳綿拔、黃志鵬、蔣鵬、劉利平、施有志等對不同土體的強夯加固機理及振動規(guī)律進行分析[4–8]。在此基礎上，陳超等采用三維數值模擬法對強夯加固回填土地基振動特性進行研究，得出速度和加速度的分布規(guī)律[9]。徐通、張濤等對強夯振動對周邊環(huán)境的影響進行研究[10–12]。

分析強夯振動的傳播特性，控制強夯振動的傳播以及確定隔振屏障在強夯施工中的作用，對于減小強夯施工對環(huán)境的影響具有重要意義。文中基于浙江省淳安某工程，采用Abaqus軟件，研究強夯施工中，不同模式下，強夯振動對環(huán)境的影響，并分析了隔振孔參數對隔振效果的影響。

1 工程概況

擬建工程位于浙江淳安建德市，地貌屬于丘陵洼地，場地揭露地層以粘質粉土和粉土為主。工程采用強夯法處理該地基，使用夯錘的質量為22 000 kg，錘底半徑為1.1 m，落距h為22 m，分三遍強夯。

為了更好研究強夯施工，為強夯施工提供參考，在強夯施工前和強夯施工完成后，分別對場地進行取樣，進行常規(guī)土工試驗，獲得土樣數據，為相關研究提供第一手資料，為簡化計算，有限元計算中的相關參數調整后如表1所示。

2 三維數值分析

2.1 簡化荷載模式

強夯的主要加固機理是，通過施工機械將夯錘提升到設計高度后，通過自動脫鉤器，讓夯錘自由下落，夯擊加固點，使土體快速固結。

根據強夯的作用過程，吳銘炳等學者將強夯的瞬態(tài)沖擊荷載概化成三角形或半正弦形式[3]，該形式經過強夯接觸應力的實測，證實在夯錘和地表的沖擊碰撞過程中，應力波確為一尖峰，符合三角形或半正弦的概化形式。模擬采用半正弦形式，如圖1所示。

圖1 強夯瞬態(tài)荷載形式

其中tN和Pmax可以用如下公式進行估算[3]

式中v0為夯錘到達地表的錘擊速度；m和r分別為夯錘質量和夯錘半徑；S為彈性常數，計算式為S=2rE/(1-μ2)；E和μ分別為變形模量和泊松比。

強夯錘的剛度大，底面平整，可認為其施加在作用面上的是均布動荷載。

2.2 土體本構模型

Mohr-Coulomb模型被大量運用于巖土分析中，已被證實具有足夠的精度。數值模擬采用Abaqus非線性動力分析模式。Mohr-Coulomb模型的主要土體參數有：初始彈性模量E0、內摩擦角φ、膨脹角ψ、泊松比μ、屈服塑性應變εp、黏聚力c、以及密度ρ等，有限元分析中土體參數如表1所示。

表1 強夯有限元計算的主要參數

2.3 強夯加固區(qū)內的土體彈性模量

強夯加固區(qū)隨著夯擊次數的增加，加固區(qū)范圍亦不斷擴大。數值模擬將此區(qū)域在空間上等效成以夯錘底面為上表面的規(guī)則四棱臺。在每次夯擊后，將土體塑性應變值大于5%的區(qū)域視作土體的加固區(qū)，作為下次夯擊分析的基礎[13]。隨著夯擊次數的增加，塑性區(qū)擴大，在隔振孔隔振效果分析中，取第10次夯擊作為主要研究對象。

在一般夯擊過程中，加固區(qū)內土體彈性模量隨著夯擊次數逐漸增大，錢家歡等提出用以下經驗公式進行擬合[14]

式中N為夯擊次數；E為夯擊N次后加固區(qū)內土體的彈性模量；

2.4 單元類型及計算模型

本次模擬主要研究強夯的振動傳播特性隨強夯模式的變化規(guī)律及隔振孔施工參數對隔振效果的影響。Abaqus中1階單元比2階單元能更好模擬應力波的傳播，故考慮采用1階八節(jié)點的三維實體減縮積分單元（C3D8R）。經分析試算，模型尺寸取為62 m長，62 m寬，31 m高，單元格長邊尺寸不大于1 m，如圖4所示。

圖2 強夯分析模型與單元格劃分

2.5 數值模擬與現場檢測數據對比

根據工程實際，采用22 t夯錘，夯錘半徑為1.1 m，落距為22 m，進行強夯模擬，計算振動衰減規(guī)律，與現場檢測數據對比，如圖3所示。

圖3 數值模擬與現場實測數據對比曲線

可以看出，現場得到的實測數據和數值模擬方法所得出的結果雖然略有差距，但總體具有良好的一致性，說明本次模擬是有效的。

3 強夯振動的傳播特性分析

國內外大多采用振動速度值或振動加速度值來衡量強夯振動效應，普遍采用振動速度幅值不超過0.050 8 m/s且加速度幅值不超過0.1 g作為建筑物安全振動控制標準。文中同樣以速度和加速度作為參數，對強夯振動中波的傳播特性進行分析。

3.1 夯錘半徑對振動傳播的影響

圖4與圖5所示為在錘重和落距相同的情況下，采用不同夯錘半徑（1.0 m、1.5 m和2.0 m）時，最大豎向速度和加速度隨水平距離的衰減曲線。

圖4中可以看出，強夯地表振動的強度對夯錘半徑的變化比較敏感，表現為在近場振動時振動強度變化較大，隨距離的增大衰減較快。在相同的夯擊能下，較小的夯錘半徑對應的施工安全距離更大；圖5中可以看出夯錘的半徑對近場土體振動加速度峰值的影響較大，夯錘半徑越小，產生的振動加速度峰值越大，振動的影響范圍也更廣些。因此，在滿足工程其他要求的前提下，為減小強夯施工振動對環(huán)境的影響，同等錘重下，優(yōu)先選用較大半徑的夯錘進行施工。

圖4 不同夯錘半徑工況下最大豎向速度隨水平距離的衰減曲線

圖5 不同夯錘半徑工況下最大豎向加速度衰減曲線

3.2 不同夯擊能組合對振動傳播的影響

圖6與圖7所示分別為夯擊能和夯錘半徑相同的情況下，不同夯錘組合工況下最大豎向速度和最大豎向加速度隨水平距離的衰減曲線。計算三種不同的夯擊能組合形式，分別為20 t×20 m、25 t×16 m以及32 t×12.5 m?？梢钥闯?，重錘低落距方式在近場產生的振動速度和加速度較輕錘高落距方式大些，但速度峰值相差較大，加速度峰值相差較小。由此可得，夯錘半徑和夯擊能相同的情況下，采用輕錘高落的方式進行施工，可減小振動對環(huán)境的影響。

圖6 不同夯錘組合下最大豎向速度隨水平距離的衰減曲線

4 隔振孔的隔振特性

圖7 不同組合方式下最大豎向加速度隨水平距離的衰減曲線

隔振溝以其經濟性和對阻斷面波傳播的有效性在施工隔振中被廣泛應用。但隔振溝通常存在自穩(wěn)的問題。而隔振孔作為非連續(xù)性屏障，卻極少有學者進行研究。本次模擬采用22 t夯錘，夯錘半徑為1.1 m，落距為22 m，隔振孔布置如圖8所示。

圖8 隔振孔平面布置圖

4.1 隔振孔孔徑與孔間距對隔振效果的影響

在距夯擊點水平距離10 m的位置設置隔振孔，隔振孔深30 m，隔振帶長40 m。在不同的孔徑和孔間距下，地表各點的速度和加速度如圖9與圖10所示。

圖9 地表振動速度峰值隨孔徑和孔間距的變化曲線

可以看出：隔振孔對于隔振帶前的土體，隔振效果較?。粚τ诟粽駧б院笸馏w的隔振效果隨著隔振孔參數的變化，隔振效果變化較大。

圖10 地表各點振動加速度隨孔徑和孔間距的變化曲線

通過圖9、圖10可以看出，孔徑為1 m、間距為1.5 m工況下的豎向振動速度和加速度峰值衰減曲線和孔徑為0.5 m、間距為0.75 m工況下的衰減曲線很相近；孔徑為1 m、間隔為2 m時的豎向振動速度和加速度峰值衰減曲線與孔徑為0.5 m、間距為1 m時的曲線很相近；而孔徑為1 m、間隔為3 m時的豎向振動速度和加速度峰值衰減曲線與孔徑為0.5 m、間距為1.5 m時的曲線基本重合?？芍诳咨钭銐蛏?、隔振帶足夠長的情況下，隔振孔的隔振效果受孔徑大小的影響較小，而與孔徑與孔間距的比值成正相關關系，隔振孔直徑與隔振孔間距比值越大，隔振效果越好。

計算開挖方量可知，當隔振帶分布長度、隔振孔深度相同的情況下，達到相同的隔振效果，采用孔徑小的隔振孔土方開挖量要小。因此在工程中，在施工機械允許的條件下，隔振孔的布置應優(yōu)先采用小孔密布的形式。

4.2 隔振孔深度對隔振效果的影響

圖11和圖12所示的是孔徑為1 m、間距為2 m時，孔深分別為5 m、10 m、30 m情況下的速度和加速度隨著水平距離的衰減曲線，從圖中可以看出：孔深為10 m時衰減明顯比孔深為5 m時快，而孔深變?yōu)?0 m時，衰減曲線和孔深為10 m時的衰減曲線很貼近。

圖11 地表各點振動速度隨孔深的變化曲線

可知，當隔振孔孔徑與孔間距比值不變時，隔振孔的隔振效果隨孔深度的增加在一定范圍內變化較為明顯，但當孔深超過一定范圍時，隔振孔孔深的增加對隔振效果沒有明顯影響。因此在施工中，在優(yōu)先選用小孔密布形式的同時，選擇合適的孔深即可，并非越深越好。

圖12 地表各點振動加速度隨孔深的變化曲線

5 結語

依據強夯的作用機理，結合工程實例，建立數值分析模型，對強夯施工過程中引起的振動問題進行研究，并與工程中實測數據進行比較，證明了模擬的有效性；并研究了隔振孔各項參數的變化對于隔振效果的影響，研究表明：

(1)在相同的錘重和落距情況下，夯錘的半徑對近場土體振動速度和加速度峰值的影響較大，夯錘半徑越小，產生的振動加速度和速度峰值越大，振動的影響范圍也更廣，對應的施工安全距離更大。在滿足工程其他要求的前提下，為減小強夯施工振動對環(huán)境的影響，同等錘重情況下，優(yōu)先選用較大半徑的夯錘進行施工。

(2)在相同夯擊能條件下，重錘低落距方式在近場產生的振動速度和加速度較輕錘高落距方式大。采用相同的夯擊能條件時，優(yōu)先選用輕錘高落的方式進行施工，可減小振動對環(huán)境的影響。

(3)在隔振帶分布范圍足夠廣、隔振孔深度足夠深時，隔振孔的隔振效果與孔徑的大小基本無關，與孔徑與孔間距的比值成正相關關系，隔振孔直徑與隔振孔間距比值越大，隔振效果越好。在工程中，在施工機械允許的條件下，隔振孔的布置應優(yōu)先采用小孔密布的形式。

(4)當隔振孔孔徑與孔間距比值一定時，在一定范圍內，隔振孔的隔振效果隨孔深度增加變化較為明顯，但當孔深超過一定范圍時，隔振孔孔深增加對隔振效果沒有明顯影響。在施工中，選擇合適的孔深即可，并非越深越好。

[1]高宏興，洪武錚，翁慧勤.強夯振動對岸坡穩(wěn)定的影響及其分析[J].水運工程，1982(05)：13-16.

[2]任書考.強夯振動測試與資料分析研究[J].工程勘察，1983(4)：46-51.

[3]吳銘炳，王鐘琦.強夯機理的數值分析[J].工程勘察，1989(3)：1-5.

[4]吳綿拔，李俊如.強夯對環(huán)境的振動影響研究[J].土工基礎，1992(2)：13-18.

[5]黃志鵬，肖本職.強夯施工地面振動特性的試驗研究[A].全國復雜地基處理與巖土工程測試新技術研討會，1998，廣州.

[6]蔣鵬，李榮強，孔德坊.強夯振動影響的數值分析[J].地下空間，2001(S1)：544-548+592-593.

[7]劉利平，劉晶晶，石明祿.強夯作用下飽和軟土地層的沉降和變形性狀[J].地下空間與工程學報，2011(6)：1222-1226+1232.

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[9]陳超，徐長節(jié)，蔡袁強.強夯加固回填土地基振動特性的三維數值模擬[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2009(12)：119-122.

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[12]張濤，呂淑然.強夯振動波形特征及衰減規(guī)律探究[J].綠色科技，2015(1)：259-260.

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[14]錢家歡，帥方省.邊界元法在地基強夯加固中的應用[J].中國科學(A輯數學物理學天文學技術科學)，1987(3)：329-336.

Analysis of Vibration Propagation Characteristics and Effect of Vibration Isolation Holes in Soil Foundation Reinforced by Dynamic Consolidation

DING Wen-xiang1,DING Hai-bin2,XU Chang-jie2,YANG Yuan-ye2
(1.Zhejiang Industry Design and Research Institute,Hangzhou 310013,China;2.Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety Control in Geotechnical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

With the wide application of dynamic consolidation method,the problem of environmental vibration induced by this method gets more and more attention.By comparing with the actual engineering construction,the validity of theoretical analysis and numerical simulation is confirmed.Through changing the parameters of the dynamic consolidation one by one,the influences of tamper diameter and tamping energy combination on the environment vibration are simulated and analyzed.In the same way,the influence of three parameters of vibration isolation holes in discontinuous barriers,such as diameter,spacing and depth of the hole,on the vibration isolation effect of the barriers is analyzed.The results demonstrate that the larger tamper diameter with the same weight and light tamper with higher drop distance are beneficial for reducing the environmental vibration.When the depth of the isolation holes reaches a certain value,increase of the diameter-to-spacing ratio of the holes can raise the isolation effect of the barriers.This research has a guiding significance for the construction of dynamic consolidation and environment vibration control.

vibration and wave;dynamic consolidation;vibration propagation;tamper;vibration isolation hole

TU435

A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.024

1006-1355(2017)04-0121-05

2016-12-29

青年科學基金資助項目（51508192）；江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室開放基金資助項目（20161BCD40010）；國家自然科學基金資助項目（51338009）

丁文湘，男，杭州市人，高級工程師，主要研究方向為土動力學。

E-mail:5745546@qq.com