強夯振動對周邊環境影響的監測試驗

朱榮彬，黃亦斌，徐通，陳昌振，溫振統

(1.廣州電力設計院，廣州市，510610;2.廣東省建筑科學研究院，廣州市，510500)

0 引言

強夯法是20世紀60年代末由法國Menard技術公司首先創用，并在世界各地得到了廣泛應用。我國于1975年開始介紹和引進強夯技術，經過了30多年的發展，己經在工業與民用建筑、倉庫、油罐、貯倉、水利、港航、公路、鐵路、飛機場跑道及碼頭的地基處理中得到了廣泛應用［1］。

強夯施工時，施工機械把夯錘提升到一定高度然后自然落下，夯錘在接觸地面的瞬間，其勢能基本都轉化為動能。重錘夯擊地面時，動能的一部分以聲波形式向四周傳播，一部分由于夯錘和土的摩擦而變成熱能，其余的大部分動能將使土體產生振動。這種振動以壓縮波(P波)、剪切波(S波)和瑞利波(R波)聯合來傳遞，其中壓縮波占振動能量的7%，剪切波為26%，瑞利波所占的比例最大為67%。瑞利波是一種表面波，由于瑞利波積聚的能量較大，且沿自由表面傳播，其傳播的距離也較大，是強夯施工對周邊建筑物產生振動影響的主要能量［2］。

強夯產生的振動當超過一定限度時，就對周圍環境產生不利影響，特別是在大、中城市等建筑物和地下設施密集地區進行施工時，強烈的地面振動不但會影響臨近精密儀器、儀表和對振動有特殊要求的產品精加工工藝過程，干擾周圍居民和有關人員的正常工作和生活，嚴重時還會危及周圍建筑物以及地下設施(管線)的穩定和安全。強夯法施工振動引起的環境公害問題己經引起工程界和有關部門的關注和重視，在建筑結構和地下設施密集的城市城區進行強夯施工活動時，施工振動對周圍環境的影響已成為該項目能否獲得有關部門批準和施工過程能否順利進行的關鍵因素，同時也時常發生強夯施工干擾附近居民正常生活的民事糾紛［3-4］。

對強夯施工振動的研究主要有現場監測試驗、理論分析以及數值分析等幾種方法，其中現場監測試驗研究是界定強夯施工振動安全距離的最直接手段。當前，在強夯施工振動對環境影響的試驗研究方面，往往針對某一特定的施工場地測定強夯振動影響的安全距離，試驗過程中沒有分別考慮錘重、落距、隔振溝設置情況、土層性質、施工工況等因素的影響，所得到的結果不具有普遍性，僅能反映某種地層結構和工程狀況對強夯振動的響應，適用于單個強夯施工場地安全距離的界定［5-13］。

針對以上情況，本文將對廣州花都空港變電站強夯施工場地開展強夯振動對周邊環境影響的監測試驗研究，綜合考慮施工工況、錘型、錘重、落距、夯擊次數等對強夯振動傳播的影響，并對隔振溝的隔振效果進行測試分析，最后通過現場測試數據來界定強夯施工振動對周邊環境影響的安全距離。本試驗的研究成果可為今后的強夯設計和施工方案的確定提供參考，具有現實意義。

1 現場試驗

1.1 試驗場地概況

試驗場地為花都空港變電站建設用地，處于山間盆地，表層為厚度約6 m的粉質粘土，根據設計要求對該場地進行強夯施工，采用2遍點夯加1遍滿夯的施工方案。經過現場踏勘和討論后選擇上層階梯的一塊相對平坦且尚未進行強夯施工的場地，進行強夯對周邊建筑物影響的試驗研究。

1.2 試驗儀器設備及布置

主要試驗儀器和設備如表1所示。

表1 試驗儀器與設備Tab.1 Testing apparatus and instruments

試驗點和儀器的具體布置如圖1所示，圖中長度單位為m。各測點分別布置1個三向速度傳感器，傳感器將測到的振動加速度信號輸出到放大器進行放大，然后通過信號采集儀采集后傳送到筆記本電腦中進行存儲，本次試驗采用的DH5922動態信號測試分析系統可同時連接16個測試通道，系統內包括動態信號測試系統所需的信號調理器(應變、振動等調理器)、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器以及采樣控制和計算機通信的全部硬件。

夯點布置在強夯加固區范圍內，為了對3種落距及2種錘型的試驗結果進行對比，選擇3個夯擊點進行試驗，3個夯擊點間距較小，可近似認為到各個傳感器的距離是相同的。傳感器布設在3個夯擊點連線的中垂線上，由于試驗場地寬度約為150 m，因此本次試驗共布置11個傳感器，測試最遠距離為150 m。考慮到夯擊振動的非線性衰減規律，在50 m范圍內強夯振動速度幅值衰減迅速，因此在試驗中采用近密遠疏的布點方式以更準確地測量強夯振動速度幅值，傳感器與夯擊點連線的中點距離分別為5、5、5、5、10、10、10、25、25、25、25 m。

1.3 試驗內容

試驗主要探討強夯施工振動的傳播和衰減規律，主要包含以下幾個方面的研究內容:

(1)強夯施工振動隨距離的衰減規律。

(2)不同夯錘錘型和落距對強夯振動傳播的影響。

(3)隔振溝對強夯振動傳播的影響。

1.4 試驗步驟

1.4.1 試驗前的準備工作

(1)在試驗進行之前必須排除現場的干擾因素，以避免對測試結果產生影響，在試驗場地周邊200 m范圍內大型施工機械應停止施工，大小車輛禁止入場。

(2)按照傳感器的設計點位設置傳感器安裝平臺用以安裝傳感器，將傳感器放置在平板上，用透明膠帶纏緊，保證傳感器和豎直板的緊密接觸。接通電源、連接好電纜，為了消除傳感器誤差，在傳感器與采集儀連接好之后對傳感器的參數進行標定。

(3)對信號采集處理分析儀進行試驗前的調試，使其處于最佳工作狀態。

圖1 試驗點及檢測儀器現場布置Fig.1 Site layout of apparatus and monitoring points

本部分試驗內容在第1遍點夯結束7天后進行，此時可認為強夯引起的超靜孔壓已經消散，步驟如下:

(1)強夯機進場，強夯機脫鉤裝置換18 m鋼絲繩，設置重錘落距為18 m，采用12.9 t重錘，在夯擊點1測試3組數據。

(2)將重錘換成17.8 t，測試3組數據。

(3)強夯機移位到夯擊點2，強夯機脫鉤裝置換12 m鋼絲繩，設置重錘落距為12 m，采用12.9 t重錘，在夯擊點2測試3組數據。

(4)將重錘換成17.8 t，其他參數不變，測試3組數據。

(5)強夯機移位到夯擊點3，強夯機脫鉤裝置換6 m鋼絲繩，設置重錘落距為12 m，采用12.9 t重錘，在夯擊點3測試3組數據。

(6)將重錘換成17.8 t，其他參數不變，測試3組數據。

(7)開挖隔振溝，隔振溝設置在第1個傳感器和第2個傳感器之間，寬度1 m、深1.5 m、長15 m，具體位置見圖1。

時光荏苒，日月如梭，那個素履追夢的青蔥少年轉眼間已生華發，但當老師的他了有新的夢想——做不凡的造夢者。他的教育目標是培養德才兼備的創新人才。他認為當一位學生有了健全的人格、創新思維和自我意識之后，高考就只是一件附加品。

(8)重復步驟(1)～(7)。

1.4.3 滿夯階段施工振動觀測

本部分試驗內容在滿夯階段結束后7天進行，試驗步驟和點夯施工振動觀測步驟一致。

1.4.4 常規土工試驗

在強夯施工前、點夯施工結束后、滿夯施工結束后各取樣1次，每次沿測線方向，在3個點進行取樣，每個點取樣深度分別為1、5、9 m，共9個土樣。將土樣送土試驗室做常規土工試驗，以獲得土樣相關參數。

2 試驗結果分析

2.1 不同工況下強夯振動隨距離衰減規律

為了反映不同工況下強夯振動隨距離衰減規律，選取點夯階段試驗數據和滿夯階段試驗數據進行對比分析，共對比了3組數據，如圖2所示。從圖中可以看出，滿夯階段相同測試點質點振動速度在50 m范圍之內明顯要大于點夯階段質點振動速度，但隨著距離的增加，在50 m范圍之外質點振動速度趨于一致。這是由于滿夯階段土體的密實度要大于點夯階段，在夯擊過程中沖擊能量轉化為土體變形能的部分減少，更有利于強夯施工所引起的施工振動的傳播。但在50 m范圍之外，由于質點振動速度已經相當微小，傳感器測試精度的限制導致誤差掩蓋了真實數據，因此2條曲線看起來是趨于一致的。

圖2 點夯與滿夯階段強夯振動傳播Fig.2 Vibration propagation of dynamic compaction for single tamping and full tamping stages

2.2 不同夯擊次數對強夯振動傳播的影響

選取相同工況和隔振溝設置，相同錘重、落距的測試數據以進行不同夯擊次數對強夯振動傳播影響的分析，如圖3所示。

從圖3可以看出，在其他因素相同的情況下，隨著夯擊次數的增加，相同點的質點振動速度逐漸增加。其中第2擊振速相對于第1擊增加幅度較為明顯，但第3擊與第2擊的振速已經相當接近，這說明了隨著夯擊次數的增加，夯擊點土體被加固，夯錘夯擊土體的過程中消耗在土體塑性變形上的能量也減小，有更多的能量通過振動的形式傳播出去。但是在一定的夯擊次數之后，土體已經達到該能級強夯下的最佳加固效果，隨夯擊次數的增加，質點振速增長很小。

圖3 夯擊次數對強夯振動傳播的影響Fig.3 Effects of tamping frequency on vibration propagation

2.3 不同夯錘落距對強夯振動傳播的影響

以下考慮不同的夯錘落距對強夯施工振動傳播的影響，對18、12、6 m三種落距的情況進行對比分析，如圖4所示。從圖中可以看出，夯錘對強夯振動傳播的影響非常大，隨著夯錘質量的增加，夯擊能量加大，土體所吸收的能量也越多，在相同條件下質點的振動速度也增大。

圖4 夯錘落距對強夯振動傳播的影響Fig.4 Effects of drop height on vibration propagation

2.4 不同夯錘質量對強夯振動傳播的影響

在強夯施工中，通過錘重和落距來控制夯擊能量，因此錘重也是影響強夯振動傳播的重要因素，在本次試驗中選取了質量為12.9和17.8 t的夯錘進行對比試驗。2種情況下改變夯錘質量的測試結果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著夯錘質量的增加，強夯引起質點的振動速度增大。

2.5 隔振溝的設置對強夯振動傳播的影響

分別對沒有設置隔振溝和設置隔振溝的測試數據進行分析對比，隔振溝設置在第1個測試點和第2個測試點之間，結果如圖6所示。從圖中可以看出隔振溝對強夯振動的影響可以分為2個區域，在夯擊點和隔振溝之間的區域，質點的振動速度激增。這是因為在地表應力波傳播至隔振溝位置時，隔振溝可以看成是1個自由端，溝壁內側應力為0，速度加倍。在無隔振溝的情況下，強夯振動衰減平滑，在隔振溝之后的范圍內，地表振速均要小于沒有設置隔振溝的情況，這是因為隔振溝起到了阻礙強夯振動傳播的作用。

從分析中還可得知，在實際強夯施工中，應對場地范圍內的溝渠分布進行調查，以分析溝渠對強夯振動傳播的增強和衰減作用。

圖5 夯錘質量對強夯振動傳播的影響Fig.5 Effects of hammer weight on vibration propagation

圖6 隔振溝對強夯振動傳播的影響Fig.6 Effects of isolation trench on vibration propagation

2.6 強夯振動對周邊建筑物影響安全距離的界定

當前對于強夯安全距離的準確界定尚沒有相關規范可遵循，一般的做法是參照《爆破安全規程》。一般建筑物和構筑物的爆破地震安全性應滿足安全震動速度的要求，主要類型的建(構)筑物地面質點的安全震動速度規定如下:

(1)土窯洞、土坯房、毛石房屋1.0 cm/s。

(2)一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物2～3 cm/s。

本文選擇安全振動速度為1.0 cm/s作為判據，根據實測數據可確定該強夯施工場地在最不利情況下強夯施工振動的安全距離為27.5 m。

3 結論

(1)滿夯階段土體的密實度要大于點夯階段，更有利于強夯施工所引起的施工振動的傳播。

(2)在其他因素相同的情況下，隨著夯擊次數的增加，相同點的質點振動速度逐漸增加，但是在一定的夯擊次數之后土體已經達到該能級強夯下的最佳加固效果，隨夯擊次數的增加質點振速增長很小。

(3)隨著夯錘質量和落距的增加，夯擊能量加大，土體所吸收的能量也越多，在相同條件下質點的振動速度也增大。

(4)隔振溝對強夯振動的影響可以分為2個區域，在夯擊點和隔振溝之間的區域質點的振動速度激增，這是因為在地表應力波傳播至隔振溝位置時，隔振溝可以看成是1個自由端，溝壁內側應力為0、速度加倍。在無隔振溝的情況下，強夯振動衰減平滑，在隔振溝之后的范圍內，地表振速均要小于沒有設置隔振溝的情況，這是因為隔振溝起到了阻礙強夯振動傳播的作用。

(5)參照《爆破安全規程》，選擇安全振動速度為1.0 cm/s作為判據，根據實測數據可確定該強夯施工場地在最不利情況下強夯施工振動的安全距離為27.5 m。

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