林海銘

（1 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司；2 廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司）

0 前言

強(qiáng)夯法是一種加固效果顯著、適用土類廣、經(jīng)濟(jì)易行的地基加固方法，自1969 年由法國工程師Menard 首創(chuàng)以來發(fā)展迅速，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在改善砂土液化地基、加固濕陷性黃土地基、拋石填海地基、山區(qū)高填方地基、礫質(zhì)粘性土回填地基等方面有著廣泛應(yīng)用。強(qiáng)夯法將重錘（10～40t）多次提高到一定高度（10～40m）自由下落，給地基以強(qiáng)大的沖擊力和振動，將夯面下一定深度的土層夯壓密實，從而提高地基的承載力和穩(wěn)定性，目前強(qiáng)大沖擊能級達(dá)20000kN·m。

然而，強(qiáng)夯法施工時會產(chǎn)生振動、噪音、揚塵，對周邊建筑物產(chǎn)生不利影響。夯錘下落時沖擊能量巨大，會使土體產(chǎn)生振動，強(qiáng)夯振動以波的形式向深層傳遞和四周擴(kuò)散，會對強(qiáng)夯場地周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，造成建筑物裂縫、地基基礎(chǔ)變形等。強(qiáng)夯是一個非線性動力過程，加固機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，目前尚未形成十分完善的理論體系，處于實踐先于理論的現(xiàn)狀。強(qiáng)夯對周邊建筑物的影響的研究主要采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬兩種方法。而強(qiáng)夯現(xiàn)場試驗的費用較高，能獲取的可靠數(shù)據(jù)十分有限，尚無法利用這些數(shù)據(jù)對強(qiáng)夯問題進(jìn)行深入研究。因此，利用數(shù)值模擬的方法來模擬強(qiáng)夯的過程，深入探究強(qiáng)夯的影響和措施意義重大。張忠和[1]采用LS-DYNA 研究土庫曼斯坦某天然氣地基加固場地的振動效應(yīng)和相關(guān)減振措施。王鵬程[2]利用Abaqus 建立了強(qiáng)夯加固地基的有限元模型，分析了強(qiáng)夯振動的衰減規(guī)律以及相關(guān)的減振隔振措施。佘艷華[3]借助有限元數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗研究沖擊荷載引發(fā)的振動對臨近范圍內(nèi)埋地管道的影響，提出了鄰近埋地管道沖擊鉆孔施工振動的控制標(biāo)準(zhǔn)。張宏偉[4]提出了基于ABAQUS 有限元軟件計算強(qiáng)夯振動的模擬方法，分析了邊坡平臺強(qiáng)夯工程實例坡面的振動效應(yīng)，并提出了相應(yīng)的強(qiáng)夯隔振措施。

本文在文獻(xiàn)[5]強(qiáng)夯法對周邊環(huán)境影響的非線性分析的基礎(chǔ)上，研究隔振溝隔振的基本原理，設(shè)計不同隔振溝模型，采用FLAC3D 數(shù)值分析方法針對隔振明溝的位置、長度、寬度、深度等影響進(jìn)行定量分析，研究隔振溝的隔振效果。

1 隔振溝隔振機(jī)理

隔振溝屬于地面連續(xù)隔振屏障的范疇，隔振溝是一種積極的隔振措施，在近距離內(nèi)可以對建筑物起到消除振動影響的作用。如圖1，由振源產(chǎn)生的表面波傳播到隔振溝時，將會發(fā)生反射和透射，并且在其兩端和底部還會出現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換和波繞射；屏障背后的地面振動由透射波和繞射波組成，總能量一般要低于屏障前入射波的能量，這些區(qū)域的地面振動強(qiáng)度將得到降低。但由于在屏障體兩端的繞射波較強(qiáng)，其附近地面振動降低的程度往往比屏障后中間部位要差。其次，屏障前方的局部區(qū)域因反射波的作用會出現(xiàn)地面振動放大的現(xiàn)象。

圖1 隔振溝隔振機(jī)理

2 模型建立及參數(shù)選擇

根據(jù)清遠(yuǎn)高新開發(fā)區(qū)某強(qiáng)夯場地的實際地形建立三維實體網(wǎng)格模型，如圖2，建立了100m×100m×16m的計算模型，共劃分了57064 個實體單元，23429 個節(jié)點。土體選擇Mohr-Coulomb 模型，根據(jù)土工試驗報告把計算模型劃分為8 個區(qū)域，每個區(qū)域選取的土參數(shù)如表1。

圖2 三維實體模型

表1 土層計算參數(shù)

3 隔振溝位置對隔振效果的影響

將圖2 中所示模型上表面中心設(shè)為原點，夯擊點設(shè)置在原點處，在模型的東、南、西3 個方向分別在距離夯擊點5m、10m、15m 處設(shè)置寬度、深度和長度相同的隔振溝，北向不設(shè)置隔振溝。計算過程中，監(jiān)測距離強(qiáng)夯位置25m 遠(yuǎn)處的東南西北四個質(zhì)點的振動速度。由于土體均勻分布，在強(qiáng)夯施工造成的振動作用下，振動波在土體中向各個方向傳播時，經(jīng)歷相同距離將消耗的同樣大小的能量。因此，通過記錄夯擊作用下各監(jiān)測點處的速度變化（圖3），就可以對比隔振溝位置對周邊建筑物的定量影響。東南西北各個監(jiān)測點的最大振動速度分別為1.600cm/s、1.704cm/s、1.863cm/s 和1.921cm/s，可見隨著隔振溝到夯擊點距離的增大，各監(jiān)測點在強(qiáng)夯作用下的速度也相應(yīng)增大，這說明，隔振溝距離夯擊點越近，隔振作用越顯著。

4 隔振溝深度對隔振效果的影響

圖3 監(jiān)測點速度時程曲線

將圖2 中所示模型上表面中心設(shè)為原點，夯擊點設(shè)置在原點處，在模型的東、南、西3 個方向分別在距離夯擊點5m 處設(shè)置寬度（2m）和長度（10m）相同、深度分別為2m、3m、4m 的隔振溝，北向不設(shè)置隔振溝。計算過程中，監(jiān)測距離強(qiáng)夯位置10m 遠(yuǎn)處的東南西北四個質(zhì)點的振動速度（圖4）。東南西北各個監(jiān)測點的最大振動速度分別為7.612cm/s、6.252cm/s、5.355cm/s 和8.342cm/s，即隨著隔振溝開挖深度的增大，各監(jiān)測點在強(qiáng)夯作用下的速度相應(yīng)減小，這說明，隔振溝深度越大，隔振作用越顯著。

圖4 監(jiān)測點速度時程曲線

5 隔振溝寬度對隔振效果的影響

將圖2 中所示模型上表面中心設(shè)為原點，夯擊點設(shè)置在原點處，為了分析隔振溝的開挖寬度對建筑物的影響，模型的東、南、西3 個方向分別在距離夯擊點5m 處設(shè)置深度（2m）和長度（10m）相同、寬度分別為1m、1.5m、2m 的隔振溝，北向不設(shè)置隔振溝。計算過程中，監(jiān)測距離強(qiáng)夯位置25m 遠(yuǎn)處的東南西北四個質(zhì)點的振動速度（圖5）。東南西北各個監(jiān)測點的最大振動速度分別為1.874cm/s、1.792cm/s、1.753cm/s 和2.112cm/s，即隨著隔振溝開挖寬度的增大，各監(jiān)測點在強(qiáng)夯作用下的速度相應(yīng)減小，但減小的幅度很小，且設(shè)置了三種不同寬度隔振溝的監(jiān)測點速度波形曲線相差不多，這說明，隔振溝的寬度大小對隔振作用的影響效果并不明顯。

圖5 監(jiān)測點速度時程曲

6 隔振溝長度對隔振效果的影響

科爾斯基等人關(guān)于地震波的研究表明，對于圓心角小于360°的隔振溝，它所屏蔽的區(qū)域是以震源和震源到溝中點連線為45°對稱的徑向直線相交隔振溝所包圍的面積。可見，對于圓心角小于90°的隔振溝是無效的。這就是說要有一定的溝長，才會較大的屏蔽區(qū)域。為了分析隔振溝的長度對建筑物的影響，模型X 軸正方向（東）在距離夯擊點10m 處設(shè)置深度（2m）和長度（15m）寬度（2m）的隔振溝，其他三個方向（北、南、西）不設(shè)置隔振溝。計算過程中，監(jiān)測點4（15，0，0）、點5（15，-7.5，0）、點6（15，10，0）、點7（14，5.4，0）、點8（-15，0，0）和點9（10，11，0）六個質(zhì)點的振動速度。監(jiān)測點布置情況見圖6。其中，質(zhì)點4、7、8、9 四個點至夯心的距離均為15m，而質(zhì)點4、5、6 則至隔振溝的距離均為5m。各監(jiān)測點的速度時程曲線如圖7 所示，根據(jù)各監(jiān)測點的最大振動速度畫成圖8 比對圖，黑色圓半徑大小代表速度大小。

對比4、5、6、8 四個監(jiān)測點可以看出，在隔振溝后方覆蓋區(qū)域內(nèi)，4、5、6 三個點的振動速度都小于與夯心對稱布置的點8 的振動速度，說明隔振溝的布置是起作用的。而4、5、6 三個點的振動速度相差不大，其中，點6 距離夯心較遠(yuǎn)，振動速度較小，說明隔振溝的有效屏蔽區(qū)域覆蓋了從夯心到溝端點的延長線范圍。

圖6 監(jiān)測點布置圖

圖7 監(jiān)測點速度時程曲線

圖8 各監(jiān)測點最大速度比對圖

對比4、7、9 三監(jiān)測點可以看出，在隔振溝后方覆蓋區(qū)域內(nèi)，4、7 兩點的振動速度都明顯小于到夯心相同距離但不在隔振溝覆蓋區(qū)域的點9 的振動速度，說明隔振溝的作用是明顯的。而4、7 兩點的振動速度非常接近，結(jié)合對4、5、6 三點的振動速度的分析結(jié)果，可以得出，在隔振溝的有效屏蔽區(qū)域內(nèi)，距離夯心越遠(yuǎn)，振動速度越小。

對比4、8、9 三監(jiān)測點可以看出，點4 的振動速度小于點8 的振動速度，再次說明了設(shè)置的隔振溝起到了明顯的隔振作用。而點8 的振動速度小于點9 的振動速度，且點9 的振動在隔振溝附近有明顯的增大，說明振動波在隔振溝所處位置進(jìn)行了再次發(fā)射和折射，導(dǎo)致點9 的振動速度大于至夯心距離相同且均未設(shè)置隔振溝的點8 的振動速度。

7 結(jié)語

本文根據(jù)試驗場地實際數(shù)據(jù)建立高質(zhì)量網(wǎng)格模型，根據(jù)土工試驗報告選擇合適的土層本構(gòu)模型及參數(shù)，設(shè)計不同尺寸的隔振溝模型，在FLAC3D 軟件中對場地強(qiáng)夯過程進(jìn)行非線性數(shù)值仿真，針對隔振明溝的位置、長度、寬度、深度等影響進(jìn)行定量分析，研究隔振溝的隔振效果。在今后的強(qiáng)夯施工中，可采用FLAC3D 數(shù)值仿真對振動防治措施的設(shè)計提供指導(dǎo)。