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        強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)人工島海堤影響及處理措施

        2018-04-04 09:16:05解林博劉洋
        中國(guó)港灣建設(shè) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)水平影響

        解林博,劉洋

        0 引言

        強(qiáng)夯法于1978年開(kāi)始引入國(guó)內(nèi),經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展,由于其工藝簡(jiǎn)單,施工迅速,效果顯著,在地基加固方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而,強(qiáng)夯振動(dòng)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生很大的影響,其對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境的影響是個(gè)不容忽視的問(wèn)題,強(qiáng)夯不僅產(chǎn)生巨大噪音,影響人們的正常生活,產(chǎn)生的振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懼苓吋扔薪ǎ?gòu))筑物的使用安全。

        多年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。如MENG Qing-juan等[1]做了強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響的模型試驗(yàn);Pan J L等[2]研究模擬動(dòng)力荷載作用下松散土壤的強(qiáng)夯效果;Hwang JH等[3]分析隔離溝槽隨距離遠(yuǎn)近對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的衰減幅度的影響;尚軍雷等[4]研究振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的危害,并提出相應(yīng)的減振措施;雷學(xué)文等[5]研究強(qiáng)夯引起的振動(dòng)規(guī)律、施工安全距離,并提出減振措施;吳小波[6]研究強(qiáng)夯振動(dòng)衰減規(guī)律和周邊環(huán)境影響評(píng)價(jià);杭的平[7]研究隔振溝的減振效果;張濤等[8]通過(guò)某高速公路工程高填路基強(qiáng)夯處理作業(yè)振動(dòng)進(jìn)行的試驗(yàn)監(jiān)測(cè),就強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響問(wèn)題進(jìn)行了研究,得出強(qiáng)夯振動(dòng)地面速度、加速度隨距離衰減的公式;高志義等[9]進(jìn)行了沉箱碼頭后方強(qiáng)夯試驗(yàn)研究;王曉昱[10]等研究強(qiáng)夯置換法在碼頭前沿區(qū)地基處理中的應(yīng)用。

        雖然在強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊影響問(wèn)題上已經(jīng)取得了一些成果,但是由于土力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性,強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周邊的影響無(wú)法全部靠理論預(yù)測(cè),對(duì)于工程周邊存在重要建(構(gòu))筑物的情況,往往需要對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè),確定影響大小,并采取相應(yīng)隔振措施。本項(xiàng)目強(qiáng)夯區(qū)邊界距離海堤最近處僅有14 m,強(qiáng)夯產(chǎn)生的振動(dòng)很可能影響海堤的結(jié)構(gòu)安全,因而非常有必要對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的影響及對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行研究,確保工程的安全進(jìn)行。

        1 工程概況

        本項(xiàng)目為人工島填筑,位于海南儋州,距離海岸大于600 m,總跨度6.8 km。人工島建設(shè)首先在海中修建圍堰,然后吹填淤泥+陸推素填土而形成陸域,由于是回填形成的場(chǎng)地,滿足不了以后建筑物對(duì)地基承載力和變形的要求,擬對(duì)回填的素填土采用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理。強(qiáng)夯前選擇2個(gè)具有代表性的區(qū)域(均為30 m×30 m)進(jìn)行試夯,2個(gè)區(qū)域距離海堤最近距離為14 m。試驗(yàn)1區(qū)夯擊能為1 500 kN·m,試驗(yàn)2區(qū)夯擊能為3 000 kN·m。

        試驗(yàn)區(qū)表層主要為堆填形成的素填土,堆填厚度為3.6~7.0 m。素填土下為回填之前的原狀土,上部為珊瑚碎屑層,灰色,稍密,主要由珊瑚碎塊,礫石、砂粒、貝殼等組成,再往下為粉質(zhì)黏土。

        試驗(yàn)采用兩遍點(diǎn)夯、一遍滿夯的方案。點(diǎn)夯夯點(diǎn)采用正方形布置,夯點(diǎn)間距5 m。最后1遍為全場(chǎng)滿夯,夯擊時(shí)點(diǎn)與點(diǎn)之間搭接1/4錘徑。強(qiáng)夯施工工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 強(qiáng)夯施工工藝參數(shù)Table 1 Dynamic compaction construction process parameters

        2 儀器及布置

        測(cè)定強(qiáng)夯振動(dòng)的儀器采用CSA24地震儀。夯點(diǎn)不同距離處布置測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)強(qiáng)夯過(guò)程中土中的振動(dòng)速度。

        海堤處設(shè)計(jì)振動(dòng)速度為5 cm/s,大于5 cm/s需報(bào)設(shè)計(jì)單位并采取相應(yīng)措施。

        試驗(yàn)1區(qū)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1,圖中編號(hào)①~⑦代表強(qiáng)夯夯擊點(diǎn),編號(hào)1~5號(hào)代表測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)處埋設(shè)拾振器。

        圖1 試驗(yàn)1區(qū)測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)Fig.1 Layout of measuring pointsin the first test area(cm)

        拾振器間隔2 m,5號(hào)拾振器距海堤控制線僅有3 m。初次夯擊時(shí),夯點(diǎn)距最近的拾振器33 m,然后夯點(diǎn)以每次5 m的間隔向拾振器靠近,最后1次夯擊時(shí)夯點(diǎn)距離最近的拾振器僅有3 m,距海堤控制線僅有14 m。試驗(yàn)1區(qū)共測(cè)得7組振動(dòng)速度數(shù)據(jù)。

        3 試驗(yàn)1區(qū)試驗(yàn)結(jié)果

        夯擊時(shí),地震儀測(cè)得波形圖,經(jīng)過(guò)處理之后,可以得到測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)速度。將每一個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)測(cè)量到的不同夯擊點(diǎn)振動(dòng)引起的水平向振動(dòng)速度繪制成曲線,得到圖2。

        圖2 試驗(yàn)1區(qū)水平速度與距夯點(diǎn)距離關(guān)系曲線Fig.2 Curve about horizontal velocity and distance of tamping points in the first test area

        圖2為試驗(yàn)1區(qū)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的最大水平振動(dòng)速度與距夯點(diǎn)距離關(guān)系曲線。不同次數(shù)的夯擊時(shí),測(cè)點(diǎn)距夯點(diǎn)距離存在重疊,由圖可以看出,不同測(cè)量次數(shù)時(shí),距離重疊部分的振動(dòng)速度基本相同,說(shuō)明測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。

        從圖2中曲線的整體走向來(lái)看,隨著與夯點(diǎn)距離的增大,振動(dòng)速度越來(lái)越小,最終趨近于零。當(dāng)與夯點(diǎn)距離較小時(shí),振動(dòng)速度與距夯點(diǎn)距離近似呈線性關(guān)系,隨著與夯點(diǎn)距離的增大,曲線斜率越來(lái)越小,說(shuō)明振動(dòng)速度減小的越來(lái)越慢。

        試驗(yàn)1區(qū)域測(cè)得當(dāng)最大水平速度為257.7 mm/s時(shí),距離夯點(diǎn)3 m。隨著間距的增大,測(cè)得的水平速度逐漸降低,測(cè)得當(dāng)最小水平速度為18.4 mm/s時(shí),距離夯點(diǎn)41 m。由圖2可以得出,當(dāng)距離夯點(diǎn)間距大于22 m時(shí),水平方向上的振動(dòng)速度小于50 mm/s。

        施工場(chǎng)地海堤控制線離夯點(diǎn)的最小距離為14 m,而由圖2可以看出距夯點(diǎn)14 m處振動(dòng)速度約13 cm/s,遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的5 cm/s的限值,說(shuō)明采用1 500 kN·m夯擊能時(shí),如不采取措施,則夯擊產(chǎn)生的振動(dòng)不能滿足設(shè)計(jì)限值要求,可能對(duì)海堤造成破壞。

        4 隔振溝布置和試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)2區(qū)夯擊能為3 000 kN·m。通過(guò)試驗(yàn)1區(qū)的結(jié)果發(fā)現(xiàn),無(wú)隔振措施時(shí)海堤處振動(dòng)速度超過(guò)設(shè)計(jì)限值,因而在試驗(yàn)2區(qū)將采用隔振措施。對(duì)于強(qiáng)夯工程,最常用的隔振措施是開(kāi)挖隔振溝,隔振溝工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,試驗(yàn)2區(qū)即在海堤和強(qiáng)夯區(qū)之間開(kāi)挖1條隔振溝。試驗(yàn)2區(qū)夯點(diǎn)和拾振器的布置方式與試驗(yàn)1區(qū)基本一致,但是在拾振器2號(hào)和3號(hào)之間設(shè)置了1條隔振溝,因而拾振器之間的間隔有所調(diào)整,見(jiàn)圖3所示。隔振溝寬1 m,深2 m。

        圖3 試驗(yàn)2區(qū)測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)Fig.3 Layout of measuring pointsin the second test area(cm)

        試驗(yàn)2區(qū)振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4~圖5。

        圖4 試驗(yàn)2區(qū)隔振溝外水平速度與距夯點(diǎn)距離關(guān)系曲線Fig.4 Curve about horizontal velocity and distance of tamping points outside of vibration isolation ditch in thesecond test area

        圖5 試驗(yàn)2區(qū)隔振溝內(nèi)水平速度與距夯點(diǎn)距離關(guān)系曲線Fig.5 Curveabout horizontal velocity and distance of tamping points inside of vibration isolation ditch in the second test area

        圖4和圖5為試驗(yàn)2區(qū)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的最大水平振動(dòng)速度與距夯點(diǎn)距離關(guān)系曲線。5條曲線上都包含7個(gè)夯擊點(diǎn)的數(shù)據(jù),其中前1號(hào),2號(hào)點(diǎn)與夯點(diǎn)處于隔振溝的同一側(cè),3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)測(cè)點(diǎn)與夯點(diǎn)由隔振溝隔開(kāi)。

        試驗(yàn)2區(qū)測(cè)得隔振溝外最大水平速度為53.8 mm/s,距離夯點(diǎn)8 m。隨著間距的增大,測(cè)得水平速度逐漸降低,測(cè)得最小水平速度為1.2 mm/s,此時(shí)距離夯點(diǎn)42 m。由圖4可以得出,當(dāng)距離夯點(diǎn)間距大于10 m時(shí),水平方向上的振動(dòng)速度小于50 mm/s。

        試驗(yàn)2區(qū)測(cè)得隔振溝內(nèi)最大水平速度225.0 mm/s,距離夯點(diǎn)3.5 m。隨著間距的增大,測(cè)得的水平速度逐漸降低,測(cè)得最小水平速度為4.8 mm/s,此時(shí)距離夯點(diǎn)35.5 m。由圖5可以得出,當(dāng)距離夯點(diǎn)間距大于23.5 m時(shí),水平方向上的振動(dòng)速度小于50 mm/s。

        由此可見(jiàn),隔著隔振溝兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)之間有較大的速度差異,50 mm/s的控制距離由23.5 m縮減到了10 m。說(shuō)明開(kāi)挖隔振溝之后,極大地削弱了強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)海堤的不利影響,滿足了距離14 m的要求。

        5 不同強(qiáng)夯能級(jí)下振動(dòng)速度的對(duì)比分析

        為了分析強(qiáng)夯能級(jí)對(duì)振動(dòng)速度的影響,選取試驗(yàn) 1區(qū)(1 500 kN·m)和試驗(yàn) 2區(qū)(3 000 kN·m)的測(cè)點(diǎn)2,兩個(gè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)2都和7個(gè)夯點(diǎn)處于隔振溝的同一側(cè),而且離海堤的距離相近,具有可比較性。兩個(gè)區(qū)測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)速度與距夯點(diǎn)距離關(guān)系曲線如圖6所示。

        圖6 不同夯擊能對(duì)振動(dòng)速度的影響Fig.6 Influence of different tamping energy on vibration velocity

        由圖6可以看出,1 500 kN·m和3 000 kN·m兩種夯擊能下振動(dòng)速度都隨著距夯點(diǎn)距離的增大而減小,而且隨著距離的增大,速度減小的幅度變緩。然而,仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的情況,圖中顯示1 500 kN·m夯擊能產(chǎn)生的振動(dòng)速度反而大于3 000 kN·m夯擊能產(chǎn)生的振動(dòng)速度,這與一般認(rèn)知不符,探察其原因,可能是由于兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)土層差異造成的。圖7為兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)夯前標(biāo)貫擊數(shù)隨深度變化曲線,由圖可以看出,試驗(yàn)1區(qū)土層的標(biāo)貫擊數(shù)在整體范圍內(nèi)明顯大于試驗(yàn)2區(qū)標(biāo)貫擊數(shù),說(shuō)明試驗(yàn)1區(qū)土層要比試驗(yàn)2區(qū)土層硬,從而導(dǎo)致雖然試驗(yàn)1區(qū)強(qiáng)夯能級(jí)小,產(chǎn)生的振動(dòng)反而比試驗(yàn)2區(qū)大,這符合能量傳遞規(guī)律。同時(shí)也說(shuō)明回填土場(chǎng)地的離散性較大,需要在施工前詳細(xì)探摸,進(jìn)行試驗(yàn)確定合適的施工參數(shù),保證地基處理效果。

        圖7 試驗(yàn)1區(qū)和試驗(yàn)2區(qū)的標(biāo)貫擊數(shù)Fig.7 The SPT blow count in the first and second test area

        6 結(jié)語(yǔ)

        本文對(duì)人工島強(qiáng)夯加固地基產(chǎn)生的振動(dòng)和隔振措施進(jìn)行了研究,通過(guò)對(duì)兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)的監(jiān)測(cè),得到了以下結(jié)論:

        1)隨著與夯點(diǎn)距離的增大,振動(dòng)速度越來(lái)越小,最終趨近于0。當(dāng)與夯點(diǎn)距離較小時(shí),振動(dòng)速度與距夯點(diǎn)距離近似呈線性關(guān)系,隨著與夯點(diǎn)距離的增大,曲線斜率越來(lái)越小,說(shuō)明振動(dòng)速度減小的越來(lái)越慢。

        2)試驗(yàn)1區(qū)采用1 500 kN·m的強(qiáng)夯,且夯點(diǎn)與海堤之間未設(shè)置隔振措施,海堤距夯點(diǎn)最小距離為14 m,此時(shí)海堤處的振動(dòng)速度為13 cm/s,遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的5 cm/s的限制,可能對(duì)海堤造成破壞。

        3)隔振溝對(duì)振動(dòng)的削弱作用顯著,試驗(yàn)2區(qū)強(qiáng)夯振動(dòng)經(jīng)隔振溝削弱后海堤處振動(dòng)速度皆小于5 cm/s,滿足了設(shè)計(jì)要求。

        4)除夯擊能之外,土層性質(zhì)對(duì)振動(dòng)速度有較大影響。

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