強夯加固振動規律分析

摘要:通過工程實例對強夯加固地基振動進行測試，分析了振動速度，頻率與距離及夯點下沉量的相應關系，通過試驗數據統計，得到經驗公式和參數，并作為強夯加固地基建筑物安全距離的估算方法。

關鍵詞:強夯 振動速度 頻率 安全距離

0 引言

強夯法是法國Menard技術公司首創的一種地基加固方法，亦稱為動力固結法(DCM法)，迄今已為國內外廣泛采用[1]。強夯法常用來加固碎石、砂土、粘性土、雜填土、濕隱性黃土等各類地基土。由于具有施工簡單，經濟效益顯著而受到各國工程界的重視。由于強夯是利用重錘自由下落產生的強大振動能量來改善土體物理力學性能的，強烈的沖擊會引起土體振動，并導致鄰近建筑物的破壞。在采用強夯法處理地基時，首先要面臨的問題是強夯引起的振動對鄰近建筑物的穩定性影響。本文以某核電站配套設施所在場地地基處理工程為例進行振動實測分析，并對強夯引起的振動規律進行分析，進而對強夯施工安全距離進行了討論和確定。

1 強夯振動的衰減規律

強夯振動是由沖擊型振源引起的振動，振動為一自由振動，在落錘接觸地表的瞬間產生強大沖擊性振源，振源隨后即消失，強夯的沖擊能量以波的形式由振源向土體深層和地面傳播，錘底附近的土體顆粒在受到重錘擠壓后最先產生振動，其波動能量逐漸向外擴散。由于存在振動波的幾何阻尼和地基土的材料阻尼，振動會迅速衰減。強夯中所產生的波動為縱波(P)、橫波(s)、瑞利波(R)，所占的相對能量分別為:P波占7%，S波占26%，R波占67%。R波占總波能的2/3，沿著一個圓柱波陣面徑向地向外傳播，其能量密度隨離開波源距離的增大而衰減[2]。由于其傳播路徑局限于半空間的表面附近，對附近地面建筑物的破壞力較大，其衰減規律與場地的巖土力學性質有直接關系。

由于土體的彈塑性動態響應問題，以及土體材料力學性質的非線性，難以用常規解析方法對該力學過程進行求證。在強夯施工過程中，通過現場監測，以實測的振動速度值和振動主頻率值來獲取該工程所在場地的振動經驗公式來，進而評價強夯所產生的振動效應是行之有效的。

2 工程實例

2.1 測試條件

2.1.1 場地工程地質條件。某電站配套設施區有相當多的設施位于挖泥填海而形成的回填區內，該場地回填是在清除海底淤泥的基礎上，采用土夾石回填水上部分而形成的。該區域原始地形起伏較大，經挖填和場地平整，地面較為平緩。

2.1.2 測試目的。振動速度隨距離的衰減規律，振動主頻率的分布規律。為強夯區附件建筑物確定安全距離提供依據。

2.1.3 強夯參數。錘重300kN，落距為20m，單點夯擊能量為6 000kN·m;夯錘為圓柱形平底扁錘，錘徑為2.0m。

2.1.4 測試儀器和測點布置。采用的測試儀器主要有:CDSP(WS-INV)海量數據數字記錄儀，891-Ⅱ型速度傳感器以及Vib’SYS數值振動信號采集分析系統。共布置5個測點，分別距夯點10.5m，20.5m，35m，38.5m，75m。

3 強夯振動的衰減特征

3.1 振動速度與距離的關系

為了反映強夯的振動特征，在同一施工條件下，以實測振動數據為依據，建立起與場地條件相符合的振動峰值預測公式。圖1、圖2為地表不同水平距離處地表土體振動速度衰減曲線圖。水平，垂直振動峰值速度隨距離的衰減呈負冪函數。通過分析，水平速度衰減指數為1.2516，垂直速度衰減指數為1.3515。相關性系數分別為0.9802，0.8692。其中在10.5m處測點水平振動PPV值大于垂直振動速度，而在的20.5m，35m，38.5m.處垂直速度大于水平速度，為水平速度峰值的2.4~2.8倍。該工程主要考慮強夯引起的振動對基礎混凝土的影響，由于強夯誘發的振動荷載與混凝土初始應力應變的耦合作用，使新澆混凝土更容易損傷、破壞。

該工程對振動控制的要求為:齡期為1-3天的混凝土，質點振動峰值不得大于1.5cm/s，根據速度衰減函數，以水平速度控制其安全距離為21米，以垂直速度控制其安全距離為20米，兩個值相差不大。

3.2 振動速度與夯點下沉量的關系

在同一夯點水平和垂直振動峰值速度隨夯點地表的沉降迅速增加，在沉降量達到1.1m左右以后，增加速度減緩。161#夯點最后4擊的峰值速度以及167#夯點最后3擊峰值速度基本相等。在同一施工條件下夯點下沉量與下部回填土的性質，架空程度，以及局部的不均勻性有關，其總的規律是隨著夯點地表的沉降，振動峰值迅速增加后逐漸趨于水平。該規律反映了土體的擠密過程，最大振速與土體密實程度相關。回填土在夯擊前是松散的，前幾擊擠密的幅度很明顯的，后幾擊由于土體密實度提高，彈性模量的增加，土體強度趨于穩定，同一夯擊能下變形量逐漸減小。此時振動峰值速度較大，但振速增加較緩或不增加。在最大振速與沉降量曲線上近似水平部分，其對應的擊數為強夯有效擊數。在進行強夯振動速度衰減評價時，如果采用最大振動速度進行控制，可以以最后一夯的振動峰值速度為準。

3.3 振動頻率的一般規律

目前關于強夯振動衰減規律的預測研究仍以振動速度峰值為主，而對于頻率的研究則不多。因此，通過實測數據對強夯振動頻率進行預測研究，對于了解和掌握強夯振動頻率的衰減規律、降低強夯對臨近建筑物振動的破壞效應具有重要的意義

強夯振動頻率隨夯心距的增加逐漸衰減，頻率較高時，周期較短。強夯荷載作用下，強夯主振頻率往往接近建筑物結構固有頻率，顯著作用頻率段也接近結構體或其子結構體的固有頻率。當外界振動的頻率與建筑物的自振頻率一致時會產生共振現象[3]。因此在強夯作用時，較小的質點振動速度也可能導致結構體破壞。

通過實測該強夯區域垂直速度主振頻率(如圖3所示)范圍為4.88HZ -10.5HZ。其值隨距離的增加呈負冪函數，衰減系數為0.2171。一般民用磚混結構的自振周期為5-10HZ，如果以7HZ作為安全距離的判定依據，則安全距離為19米。

通過實測地表不同水平距離處土體垂直加速度，發現強夯引起的地面垂直加速度振動的周期為33～172ms。在距離R=10.5m，20.55m，35m時，振動周期分別為33ms，65ms，135ms，可見振動周期隨水平距離增加而變長，并且振幅隨水平距離增加而衰減，其對應最大振幅分別為0.202，0.09，0.017，其衰減系數為2.0153。

4 結論

通過本文的實測數據分析，得出以下初步結論:

4.1 強夯引起的地基振動峰值隨與夯點中心距離的增大而迅速衰減，其峰值隨距離的衰減規律可用負冪函數來描述。

4.2 強夯引起的地基振動，同一夯點在前幾擊中速度增加迅速，后增加緩慢或趨于穩定。如果采用最大振動速度進行控制，可以以最大有效擊數的振動值為標準。

4.3 強夯引起的地基振動周期隨距離的增加而變長，振動頻率隨距離的增大而減小，這容易導致固有頻率較低的建筑物發生類共振現象。

參考文獻:

[1]徐至均，張亦農.強夯和強夯置換法加固地基[M].北京:機械工業出版社，2004.

[2]雷學文，白世偉，孟慶山.強夯引起的振動規律及對建筑物的影響分析[J].建筑技術開發，2002，(12).

[3]趙繼光，蔡業青.強夯地震效應的測試研究[J].廣東公路交通，2001，(02).