強夯加固回填土對周邊建筑的振動影響分析

廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司 南寧 530001

0 前言

對于不均勻的堆填場地，如何使之地基在變形、強度、穩定性等各方面都能滿足建設要求的問題，己是地基處理中一項迫切需要解決的課題[1]。強夯法與采用分層碾壓、樁基等地基處理方法相比，對回填土地基的處理具有其他方法不可比擬的技術優勢，是我國目前常用且經濟的一種地基處理方法[2]。

1 工程概況

三江世紀城項目位于廣西壯族自治區三江侗族自治縣河東新區中心位置，該工程地貌形態為V形天然沖溝，整個場地地勢起伏較大，土層分布大致為5 層，其中第①、②層為雜填土，回填時間2～5年；第③層為原狀土層；第④層為強風化巖層；第⑤層為輕、中風化巖層。①、②層雜填土的土層厚度為1.80～39.80 m，該土層結構主要由強-全風化砂質泥巖、黏性土組成，松散-稍密狀，屬中壓縮性土，力學強度較低，密實程度不均勻，遇水易松軟，對基礎施工過程中基坑坑壁的穩定性有不利影響。場地內有2 層地下水，第1層地下水為上層滯水，初見水位1.20～25.00 m，主要賦存于填土層中，由地表水及大氣降水滲入補給。第2層地下水主要賦存于砂質泥巖裂隙中，屬裂隙水，受周邊河水影響。局部富水性較大，對深基礎施工有一定的影響。

經方案對比后，確定采用強夯法對回填土進行處理，要求處理后的地基土承載力標準值不小于150 kPa，變形模量不小于12 MPa。

2 施工方案

本工程采用由17.6 t鋼板組合成的夯錘，夯錘底面為圓形，錘底Φ2.0 m。夯錘中設2 個Φ250 mm左右貫通的排氣孔，以減少錘底與土面間形成真空產生的強吸附力和夯錘下落時的空氣阻力。通過自動脫鉤裝置來起落夯錘，起重設備采用350 kN的履帶式起重機。

根據現場回填土的實質情況，本次夯擊初定2 遍點夯、1 遍滿夯。每遍10～14 擊，按設計圖紙順序號夯擊（順序號中注明插夯點），當把插夯點在內的夯點夯完后，間歇7～10 d，讓加固土層中的孔隙水壓力消散后再續夯第2遍，最后滿夯第3遍[3]。點夯時夯錘提升高度為17 m，在鄰近場地周邊建筑物或高邊坡5 m范圍時采取降低夯擊能來進行強夯施工，此時選擇提升高度為8 m。滿夯時選擇提升高度為6 m。

點夯采用正方形布設，第1遍夯點為5 m×5 m，第2遍夯點位于第1遍夯點正方形的形心，強夯區第1、2遍夯點平面布置如圖1所示。滿夯的夯錘搭接部分不應小于面積的1/4。

3 強夯地震效應測試

3.1 振動測試設備

本次采用日本的INV602U型動態信號采集系統、S326型濾波放大器、891-Ⅱ型速度傳感器。每個測點布置豎向、水平的891-Ⅱ速度傳感器以測得振動加速度時域信號[4]。

3.2 測試方案[5-8]

圖1 強夯區第1、2遍夯點平面布置

根據現場實際情況及測試目的，在回填土場地內布置3 個工況進行強夯地震效應測試工作，各工況的基本情況如下：

工況1的強夯能級為2 992 kN·m，共布置7 個強夯振動測點，各個夯擊點與振動測點自東向西連成一條直線。夯擊點距第一個測點17 m，測點1至測點6每個測點間距15 m，其中測點6位于基坑放坡的坡腳，測點7位于坡頂。工況1的測點布置如圖2所示。

圖2 工況1強夯試驗區夯點及振動測試點布置平面示意

工況2的強夯能級為2 992 kN·m，共布置6 個測點，測點8距夯擊點17 m，測點8與夯擊點位于同一水平面，測點9位于第一級放坡的坡頂，測點10位于第一級放坡的坡腳，測點11、12、13位于支護樁樁頂，夯擊點與各個振動測點自南向北連成一條直線。具體的測點布置如圖3所示。

圖3 工況2強夯試驗區夯點及振動測試點布置平面示意

工況3的強夯能級為2 992 kN·m，其中測點14位于基坑放坡坡腳，測點15位于坡頂，測點16位于坡頂與建筑物間一位置，測點17位于建筑室內地面，測點18位于建筑3 層地面，測點19位于建筑物樓頂。具體的測點布置見圖4。

3.3 測試結果與分析

3.3.1 振動速度

根據振動方向特征，主要考慮強夯地震效應中的水平徑向和垂直向的振動強度，每夯點共夯擊3 次，每個測點取3 次數據平均值作為測試結果。各工況下測試結果如表1～表3所示。

圖4 工況3強夯試驗區夯點及振動測試點布置平面示意

表1 工況1各測點振動速度試驗結果（單位：mm/s）

表2 工況2各測點振動速度實驗結果（單位：mm/s）

表3 工況3各測點振動速度試驗結果（單位：mm/s）

3.3.2 衰減規律

根據所測數據，用準牛頓法（BFGS）進行非線性回歸分析得到回填土振動速度衰減公式：

式中：v——測點振動速度（mm/s）；

R——測點距夯擊點水平距離（m）；

Q——夯擊能（kN·m）。

按上述公式計算得到振動速度與距離的衰減關系如表4所示，測試點1的振動速度與夯擊能衰減關系如表5所示。

表4 振動速度與距離的衰減關系

表5 測點1振動速度與夯擊能衰減關系

由以上結果可知：夯擊能越大，距離越長衰減越明顯；在振動波的傳播路徑上遇到上升斜坡時，豎向振動速度增大，水平徑向速度減小。

3.3.3 振動頻率

一般來說，強夯振動的主振頻率主要與強夯點的場地條件有關[3]。工況1各測點測得的豎向主振頻率在6～8 Hz之間，水平徑向振動頻率在5～10 Hz之間，無論豎向還是水平徑向，在坡腳位置振動頻率最大，阻尼比均大于5%，振動不明顯。支護樁主振頻率在12～16 Hz之間，相對于周邊土體，振動頻率增加較為明顯，但各樁之間所測得的振動頻率相差不大。周邊建筑物對強夯振動的響應，其主振頻率在8～14 Hz之間。

圖5 工況1下部分實測的振動波形記錄及其對應的頻譜分析

3.3.4 振動對邊坡和支護結構的影響

支護樁的振動速度隨距離增加而減小，從測試數據可以看出，由于支護樁的作用，測點11較測點10有急劇下降，豎向速度下降較水平徑向下降快，而在各支護樁的測點，減振作用效果不明顯，表明靠近邊坡第1根支護樁所起作用較大，它是保證邊坡穩定的關鍵所在。

根據文獻[4]可知，當振動速度小于2.0 cm/s的時候，強夯不會對回填土所形成的高邊坡造成損害；根據文獻[5]，如果振動速度小于2.0 cm/s時，強夯不會對混凝土結構的安全造成影響。因此，根據上述衰減關系，本次在靠近邊坡和支護樁處采用減小夯擊能的強夯加固，其安全不會受到影響。

3.3.5 振動對周邊結構的影響

強夯下房屋測點最大振動速度測試結果如圖6所示。強夯對建筑的振動速度為建筑頂層最大，最大豎向振動速度1.55 mm/s，最大水平徑向振動速度1.58 mm/s。在強夯試驗中，最大振動速度均遠小于文獻[4]規定的地震速度30 mm/s的建筑物破壞速度標準，本次強夯試驗結果對應的地震烈度在Ⅳ度或Ⅳ度以下，不會導致建筑裂縫的產生和建筑物的破壞。

圖6 強夯下房屋頂層測點最大振動速度測試結果

4 結語

通過對本工程采用強夯法處理回填土地基的施工、振動測試，得出以下結論：

（a）夯擊能越大，距離越長衰減越明顯；在振動波的傳播路徑上遇到上升斜坡時，豎向振動速度增大，水平徑向速度減小。

（b）邊坡和支護樁的振動速度隨距離增加而減小，在各支護樁的測點，減振作用效果不明顯，表明靠近邊坡第1根支護樁所起作用較大，它是保證邊坡穩定的關鍵所在。

（c）強夯時充分考慮振動對邊坡、支護樁及周邊建筑物的影響。在近建筑物處采取較低夯擊能進行夯擊，能起到對建（構）筑物的保護作用。