郭 宏，王 璇，董彥莉，趙 棟

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

強(qiáng)夯法為常見的地基處理技術(shù)，自從20世紀(jì)70年代引入我國以來，以其原位處理的明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以迅速發(fā)展和推廣，當(dāng)前強(qiáng)夯的夯擊能量最大可達(dá)15 000 kN·m(錘重達(dá)300 t，落錘高度達(dá)50 m). 強(qiáng)夯法是通過夯錘自由落下的沖擊能量對(duì)地基土體進(jìn)行夯實(shí)[1]，普通的強(qiáng)夯施工錘重一般為8～30 t，落距一般為8～25 m，與土體接觸后產(chǎn)生2 000～6 000 kN·m的沖擊能. 本文的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地屬于濕陷性黃土，采用的是動(dòng)力固結(jié)法[2-3]. 采用強(qiáng)夯法處理后，地基土土層均勻性和強(qiáng)度都有提高，土體的壓縮性和差異沉降都有所降低. 強(qiáng)夯法處理地基工程成本低、工期短，但強(qiáng)夯產(chǎn)生的面波會(huì)引起土體表層的松弛變形，對(duì)周圍建筑物安全造成威脅[4]，強(qiáng)夯多用在郊外及建筑物、地下管線稀少的地方，在城鎮(zhèn)地區(qū)難以廣泛應(yīng)用. 在保證強(qiáng)夯質(zhì)量的前提下減少強(qiáng)夯振動(dòng)影響可擴(kuò)大強(qiáng)夯的使用范圍. 減少強(qiáng)夯對(duì)周圍的影響主要是削減瑞利波的傳播，根據(jù)強(qiáng)夯振動(dòng)衰減規(guī)律[5]和減振形式[6]，在施工場(chǎng)地受到限制時(shí)常采用錐形置換錘法[7]和設(shè)置減振溝的措施減少強(qiáng)夯振動(dòng)影響. 減振溝可有效削弱、過濾瑞利波，減小強(qiáng)夯振動(dòng)速度對(duì)建筑物、構(gòu)筑物的影響，達(dá)到減振目的. 我國對(duì)強(qiáng)夯安全允許振速的研究主要參照《爆破安全規(guī)程》[8]相關(guān)規(guī)定. 錐形置換錘[9]效率低、夯擊能小，使用范圍受限； 減振溝[10]措施因成本低、工期短、效果好而廣泛應(yīng)用，但當(dāng)建筑物與強(qiáng)夯施工區(qū)距離較近，單減振溝不能滿足減振要求.

減振溝的減振效果與其深度有關(guān)，一般地，開挖深度越大其效果也越好[11]. 工程中考慮到施工能力、成本投入及后期溝渠恢復(fù)的難度等因素，溝渠深度一般不超過6 m，而溝渠寬度對(duì)減振效果基本不影響[12]. 工程實(shí)踐中通常使用一條減振溝減振，在建筑物與強(qiáng)夯施工區(qū)距離較近，一條減振溝減振不能滿足減振要求時(shí)，往往放棄強(qiáng)夯改用其他地基處理方式，不僅成本高而且延誤工期.

本文研究在一條減振溝不能滿足要求的情況下，在其旁平行開挖第二條溝渠時(shí)，兩條減振溝的減振情況. 通過檢測(cè)不同情況下強(qiáng)夯引起的地面振動(dòng)速度及頻率，驗(yàn)證了強(qiáng)夯振動(dòng)特征及衰減規(guī)律，對(duì)比分析無減振溝、單減振溝、雙減振溝三種情況振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，探討單減振溝、多減振溝對(duì)減少強(qiáng)夯振動(dòng)影響的效果.

1 減振溝減振實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地概況

檢測(cè)場(chǎng)地位于大學(xué)城相鄰位置，大學(xué)城地處晉中北山山前傾斜平原，場(chǎng)地的密實(shí)度為稍密-中密，場(chǎng)地濕陷性程度為輕微-中等. 場(chǎng)地表層土為后期填土，土體均勻性不一致； 第2層為黃土狀粉土，中等壓縮性，3.5 m厚； 第3層為粗砂粒，中密，局部夾雜； 第4層為粉土，中等壓縮性，5 m厚； 第5層為粉質(zhì)粘土，中等壓縮性，厚度不確定. 根據(jù)場(chǎng)地土情況決定采用強(qiáng)夯法處理整個(gè)場(chǎng)地.

1.2 振動(dòng)測(cè)試方案

分兩次實(shí)驗(yàn)，第一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試與地面水平和垂直方向上的振動(dòng)速度，記錄了3 000 kN·m, 4 000 kN·m, 5 000 kN·m的夯擊能及2.5 m和1.2 m錘徑等不同情況下的夯擊振動(dòng)數(shù)據(jù). 第二次實(shí)驗(yàn)由于場(chǎng)地附近施工條件限制，只測(cè)試記錄了2.5 m錘徑與3 000 kN·m夯擊能情況下的水平振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù).圖 1 是夯擊點(diǎn)強(qiáng)夯作業(yè).

1.2.1 檢測(cè)儀器

第一次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要儀器是DH-5956型16通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和DH610速度傳感器； 第二次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要儀器是RSM-PRT型基樁動(dòng)測(cè)儀和891-2型拾振器，測(cè)試了場(chǎng)地周圍夯點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和頻率. 數(shù)據(jù)處理軟件為DHDAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集和基本統(tǒng)計(jì)分析功能.圖 2 為振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成.

圖 2 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.2 Vibration testing system

1.2.2 測(cè)點(diǎn)及減振溝布置

圖 3 與圖 4 為兩次實(shí)驗(yàn)時(shí)減振溝位置設(shè)置和夯點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)位置布置圖，兩道溝渠均為深度6.0 m，寬度1.0 m，長(zhǎng)度51.2 m, 每個(gè)強(qiáng)夯點(diǎn)均夯擊4次, 夯擊能級(jí)為3 000 kN·m. 夯點(diǎn)的絕對(duì)高程是828 m，而測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)高程是826 m處.圖 3 為設(shè)置單減振溝時(shí)夯點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的布置圖，其中1′號(hào)測(cè)點(diǎn)在減振溝1′左側(cè)0.5 m處，2′號(hào)測(cè)點(diǎn)在減振溝1′右側(cè)0.5 m處. 為了對(duì)比研究單、雙減振溝減振效果，進(jìn)行第二次試驗(yàn)，圖 4 為設(shè)置雙減振溝時(shí)夯點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的布置圖，開挖兩條相同的減振溝，1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)拾振器分別安裝在減振溝1前后各0.5 m處，3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)拾振器分別安裝在減振溝2前后各0.5 m處，5號(hào)測(cè)點(diǎn)的拾振器設(shè)在4號(hào)測(cè)點(diǎn)右側(cè)5 m處.圖 5 為現(xiàn)場(chǎng)開挖的減振溝.

圖 3 單減振溝時(shí)夯點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of tamping points and detection points in the single vibration reduction trench

圖 4 雙減振溝時(shí)夯點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of tamping points and detection points in the double vibration reduction trench

圖 5 現(xiàn)場(chǎng)減振溝Fig.5 Vibration reduction trench in the field

1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

第二次實(shí)驗(yàn)由于條件所限采集了5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，為了便于分析比較，第一次試驗(yàn)只采用了錘徑2.5 m，3 000 kN·m夯擊能的數(shù)據(jù). 兩次實(shí)驗(yàn)對(duì)1′號(hào)夯點(diǎn)、1號(hào)夯點(diǎn)、2號(hào)夯點(diǎn)都進(jìn)行了4次夯擊，從4組數(shù)據(jù)中選取了質(zhì)量較好的第2組數(shù)據(jù)進(jìn)行研究. 第一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖 6 和表 1 所示，第二次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖 7～圖 9 所示，圖 10～13 為第二次實(shí)驗(yàn)第2組強(qiáng)夯振動(dòng)速度典型時(shí)域曲線圖. 設(shè)置單減振溝和雙減振溝的對(duì)比結(jié)果如表 2 所示.

圖 6 1′號(hào)夯點(diǎn)振動(dòng)速度隨距離變化的曲線Fig.6 The curve of vibration velocity and distance for 1′ tamping point表 1 不設(shè)減振溝和設(shè)單減振溝的檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of no and single vibration reduction trench

測(cè)試組別測(cè)點(diǎn)距離l/m振動(dòng)速度v/(cm·s-1)不設(shè)減振溝設(shè)單減振溝1'號(hào)夯點(diǎn)1'號(hào)1447.5245.872'號(hào)1643.5514.443'號(hào)3018.898.964'號(hào)4014.786.265'號(hào)5011.294.396'號(hào)6010.063.817'號(hào)709.562.10

圖 7 1號(hào)、2號(hào)夯點(diǎn)設(shè)單減振溝時(shí)振動(dòng)速度隨距離變化的曲線Fig.7 The curve of vibration velocity and distance in single vibration reduction trench for 1 and 2 tamping point

圖 8 1號(hào)、2號(hào)夯點(diǎn)設(shè)雙減振溝時(shí)振動(dòng)速度隨距離變化的曲線Fig.8 The curve of vibration velocity and distance in double bibrationn reduction trench for 1 and 2 tamping point

圖 9 2號(hào)夯點(diǎn)設(shè)置單、雙減振溝時(shí)振動(dòng)速度隨距離變化的曲線Fig.9 The curve of vibration velocity and distance in single and double vibration reduction trench for 2 tamping point

圖 10 1號(hào)夯點(diǎn)在1號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度典型時(shí)域曲線圖Fig.10 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 1 detection point

圖 11 1號(hào)夯點(diǎn)在2號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度典型時(shí)域曲線圖Fig.11 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 2 detection point

圖 12 1號(hào)夯點(diǎn)在3號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度典型時(shí)域曲線圖Fig.12 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 3 detection point

圖 13 1號(hào)夯點(diǎn)在4號(hào)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度典型時(shí)域曲線圖Fig.13 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 4 detection point表 2 單減振溝和雙減振溝的檢測(cè)對(duì)比結(jié)果Tab.2 The test results in single and double vibration reduction trench

測(cè)試組別測(cè)點(diǎn)距離l/m振動(dòng)速度v/(cm·s-1)不設(shè)減振溝設(shè)單減振溝測(cè)試組別測(cè)點(diǎn)距離l/m振動(dòng)速度v/(cm·s-1)不設(shè)減振溝設(shè)單減振溝1號(hào)夯點(diǎn)1號(hào)602.6002.6052號(hào)620.8320.8573號(hào)830.4160.4074號(hào)850.4050.2425號(hào)900.3960.2312號(hào)夯點(diǎn)1號(hào)307.9717.9732號(hào)321.9001.9033號(hào)531.1191.1144號(hào)551.1130.2865號(hào)601.1060.265

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不設(shè)置減振溝特征分析

第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)合圖6和表1中的數(shù)據(jù)，在不設(shè)置減振溝情況下，從1′號(hào)測(cè)點(diǎn)到7′號(hào)測(cè)點(diǎn)距夯點(diǎn)越遠(yuǎn)振動(dòng)速度越小，在7′號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)得振動(dòng)速度是9.56 cm·s-1，仍超過了安全允許振速.

強(qiáng)夯振動(dòng)產(chǎn)生破壞性能量，這些能量主要通過瑞利波攜帶并向四周傳播[13]. 在不設(shè)減振溝，沒有任何隔振措施的情況下，瑞利波的傳播衰減緩慢，是一個(gè)自然衰減過程. 在這種情況下強(qiáng)夯引起的振動(dòng)速度只是由于水平距離增加而產(chǎn)生自然衰減，衰減幅度較小，越靠近夯擊點(diǎn)衰減幅度越大，與夯擊點(diǎn)距離越遠(yuǎn)衰減越趨平緩.

2.2 設(shè)置單減振溝特征分析

第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)合圖6和表1中的數(shù)據(jù)，設(shè)置單減振溝時(shí)，1′號(hào)測(cè)點(diǎn)是經(jīng)過減振溝前的測(cè)點(diǎn)，測(cè)得振動(dòng)速度是45.87 cm·s-1，2′號(hào)測(cè)點(diǎn)為經(jīng)減振溝衰減后的測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)速度是14.44 cm·s-1. 振動(dòng)速度經(jīng)過單減振溝削弱后，比不設(shè)減振溝時(shí)衰減了近69%. 2′號(hào)測(cè)點(diǎn)在不設(shè)置減振溝和設(shè)置減振溝時(shí)的振動(dòng)速度分別為43.55和14.44 cm·s-1，由兩組數(shù)據(jù)對(duì)比分析得設(shè)置單減振溝對(duì)振動(dòng)速度的削減作用比不設(shè)置減振溝提高了67%.

而第二次實(shí)驗(yàn)圖7和表2中數(shù)據(jù)，1號(hào)夯點(diǎn)的振動(dòng)速度在單減振溝前是2.605 cm·s-1，在單減振溝后是0.857 cm·s-1，單減振溝在距夯點(diǎn)60m處的減振效果為67%； 2號(hào)夯點(diǎn)在經(jīng)過單減振溝前振動(dòng)速度為7.973 cm·s-1，經(jīng)過單減振溝后振動(dòng)速度為1.903 cm·s-1，單減振溝在距夯點(diǎn)30 m處的減振效果為76%. 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，單減振溝設(shè)置距夯點(diǎn)越近，減振效果越好.

減少強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周圍影響主要是削減瑞利波的傳播，在夯擊點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間開挖溝渠可以起到削弱、過濾瑞利波的作用[14]. 開挖減振溝后，溝渠形成了局部孔隙并在其范圍內(nèi)阻斷了瑞利波的傳播，瑞利波的最強(qiáng)部分被其正面的溝渠阻斷，但在溝渠的兩端和下部土壤中瑞利波會(huì)繼續(xù)傳播、擴(kuò)散[15]. 所以開挖減振溝后，強(qiáng)夯引起的振動(dòng)速度會(huì)被大幅削弱，能夠起到較好的減振的作用.

2.3 設(shè)置雙減振溝特征分析

在夯擊點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間開挖溝渠，在溝渠的縱斷面范圍內(nèi)瑞利波的傳播可被有效阻斷，但瑞利波通過溝渠的兩端和下部土壤繼續(xù)傳播、擴(kuò)散，已經(jīng)被大幅削弱的瑞利波在傳播過程中遇到第二條溝渠，會(huì)被再次削弱. 強(qiáng)夯振動(dòng)速度通過兩道減振溝后，被更大幅度削弱. 在第一條減振溝的平行方向設(shè)置第二條甚至多條減振溝會(huì)有更好的減振效果.

第二次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置雙減振溝時(shí)，1號(hào)夯點(diǎn)的強(qiáng)夯振動(dòng)在1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)速度為2.605 cm·s-1，而在4號(hào)測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)速度為0.242 cm·s-1. 設(shè)置單減振溝時(shí)，1號(hào)夯點(diǎn)的強(qiáng)夯振動(dòng)在4號(hào)測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)速度為0.405 cm·s-1，在距夯點(diǎn)85 m處由于周圍設(shè)置雙減振溝比設(shè)置單減振溝對(duì)振動(dòng)速度的削弱作用提高了40.2%. 在85 m處的測(cè)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)由于周圍正在進(jìn)行混凝土施工，其測(cè)試數(shù)據(jù)受干擾較大，檢測(cè)結(jié)果成因復(fù)雜，棄用該組數(shù)據(jù). 而設(shè)置雙減振溝時(shí)，2號(hào)夯點(diǎn)的強(qiáng)夯振動(dòng)在1號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)得振動(dòng)速度為7.973 cm·s-1，在4號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度為0.286 cm·s-1，設(shè)置單減振溝時(shí)，2號(hào)夯點(diǎn)在4號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振動(dòng)速度為1.113 cm·s-1，在距夯點(diǎn)約55 m處設(shè)置雙減振溝比設(shè)置單減振溝對(duì)振動(dòng)速度的削弱作用提高了74.3%. 由1號(hào)、2號(hào)夯點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析可知，雙減振溝的減振效果比單減振溝提高很多，且距夯點(diǎn)越近越好.

2號(hào)夯點(diǎn)的減振溝位置比1號(hào)夯點(diǎn)近，無論是單減振溝還是雙減振溝對(duì)振動(dòng)速度的削減作用，2號(hào)夯點(diǎn)都比1號(hào)夯點(diǎn)明顯. 雙減振溝的設(shè)置和單減振溝一樣，都是距夯點(diǎn)越近振動(dòng)速度衰減越快. 2號(hào)夯點(diǎn)的減振效果明顯，選取2號(hào)夯點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析如圖 9 所示.圖 9 中設(shè)置單減振溝的曲線僅在31 m處有一次衰減幅度為76.8%的突變，設(shè)雙減振溝的曲線在31 m處和54 m處有兩次突變，衰減幅度分別為76.1%和74.3%，其余時(shí)刻曲線平緩下降較小，振動(dòng)速度僅在設(shè)置減振溝前后大幅下降. 設(shè)置單減振溝對(duì)振動(dòng)速度的削減作用不如雙減振溝. 由于場(chǎng)地條件限制，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，有關(guān)研究還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí). 在工程中，當(dāng)建筑物與強(qiáng)夯區(qū)距離較近或減振要求較高需要更大幅度減小振動(dòng)速度時(shí)，可以開挖雙減振溝.

3 結(jié) 論

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了強(qiáng)夯振動(dòng)特征及衰減規(guī)律，探討了單減振溝、雙減振溝對(duì)減少強(qiáng)夯振動(dòng)影響的效果.

1) 一般地，在相同的距離、地質(zhì)條件下，振動(dòng)速度與強(qiáng)夯能級(jí)呈正相關(guān)，能級(jí)越大，振動(dòng)速度也越大. 不設(shè)置減振溝時(shí)，振動(dòng)速度衰減較慢，僅因距夯點(diǎn)水平距離的增加而減小. 強(qiáng)夯產(chǎn)生的破壞性能量主要由瑞利波攜帶并擴(kuò)散，減振溝可以阻斷、過濾瑞利波. 在夯擊點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)間每設(shè)置一條溝渠，就可以在自由面減少一次透射. 單條溝渠可衰減近67%的瑞利波，已經(jīng)被大幅削弱的瑞利波在傳播過程中遇到第二條溝渠，再減少一次透射，又衰減了將近74%的瑞利波. 經(jīng)過多道減振溝的削減，強(qiáng)夯振動(dòng)速度被多次大幅度削弱.

2) 強(qiáng)夯振動(dòng)速度僅在設(shè)置減振溝前后大幅下降，平行設(shè)置雙減振溝比單減振溝能更有效削弱振動(dòng)速度. 第一道減振溝設(shè)置在距夯點(diǎn)30 m處，對(duì)振動(dòng)速度的削弱作用比不設(shè)置減振溝能提高76.8%； 第二道減振溝設(shè)置在距夯點(diǎn)50 m處，對(duì)振動(dòng)速度的削弱作用比設(shè)置第一條減振溝提高了74.3%.

3) 設(shè)置兩道甚至多道減振溝會(huì)有更好的減振效果，其中雙減振溝可以在單減振溝削弱振動(dòng)速度的基礎(chǔ)上再次削弱70%以上，且距離夯點(diǎn)越近效果越好. 在建筑物距強(qiáng)夯點(diǎn)較近、施工場(chǎng)地受限時(shí)，需要更大幅度削弱振動(dòng)速度時(shí)可采用雙減振溝甚至多減振溝措施.

4) 減振溝減振成本低、工期短、質(zhì)量可靠，但設(shè)置減振溝時(shí)除了考慮減振效果、現(xiàn)場(chǎng)條件、施工能力等因素外，還應(yīng)該考慮減振溝的后期恢復(fù)及可能產(chǎn)生的回填不密實(shí)、沉陷不均勻等二次 “污染”，所以減振溝的位置、深度、數(shù)量最好結(jié)合未來的永久設(shè)施如地下管廊、管道溝等的位置、深度確定.