打樁振動對人體舒適性影響的分析

吳小波

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

?

打樁振動對人體舒適性影響的分析

吳小波

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

打樁振動對人體舒適度的影響可通過Z振級表示，對打樁振動現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行計算分析，獲取相應(yīng)Z振級數(shù)據(jù)，參照《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》可確定樁基施工振動的不受影響區(qū)界限。

打樁；振動；舒適性

0 引言

近年來關(guān)于各種振動對建筑結(jié)構(gòu)的破壞問題, 國內(nèi)外學(xué)者曾做過許多研究, 其結(jié)果大多是以最大質(zhì)點速度作為破壞的判別標(biāo)準(zhǔn),不同作者由于其研究背景(振源特性、傳播介質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型等) 不同, 得出的破壞標(biāo)準(zhǔn)也不完全一致[1]。

交通、施工引起的振動通過地基傳播到附近的建筑物，許多國家的經(jīng)驗表明，引起建筑物損傷的振動水平一般要遠(yuǎn)高于人體振動感知閾值，但只要居住建筑的振動稍微超過人的感知水平時，就會引起居住者產(chǎn)生不滿[2]。

打樁對建筑物的振動影響隨著與振源距離的增加地質(zhì)點振動速度基本上呈指數(shù)衰減，在距離振源一定距離處，當(dāng)質(zhì)點振速小于某一規(guī)定的容許限值時，則認(rèn)為建筑物是安全的，但在安全距離外，經(jīng)常出現(xiàn)距振源很遠(yuǎn)處人們?nèi)愿械秸鸶忻黠@，并由此對房屋安全產(chǎn)生擔(dān)憂。

打樁施工產(chǎn)生的環(huán)境振動影響涉及鄰近房屋的安全和振動污染問題,應(yīng)引起足夠的重視。開展環(huán)境振動監(jiān)測是一種可行的方法。

1 振動測試方法

對打樁施工引起的振動響應(yīng)可以通過各種測振系統(tǒng)來記錄分析，傳感器可以檢測質(zhì)點的位移、速度或加速度的時間歷程。一套完整的振動測試系統(tǒng)通常由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集組成。傳感器是將被測對象的振動信號在要求的一定范圍內(nèi)正確地轉(zhuǎn)換成電量，根據(jù)所測的物理量分為位移計、速度計和加速度計。信號調(diào)理主要作用是將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、積分微分和濾波后再輸出到信號采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集的核心內(nèi)容是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并加以存儲。

現(xiàn)場測試時我們選用的測試系統(tǒng)由速度傳感器、抗混濾波器、A /D 采集儀、振動分析軟件等組成。傳感器選用中國地震局工程力學(xué)研究所的891和941型, 它屬于動圈往復(fù)式拾振器, 設(shè)有小、中、大速度和加速度4 檔。為了保證測試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠,整套測振設(shè)備在試驗前均要進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

在進(jìn)行打樁振動衰減測試時, 場地上的測振點不應(yīng)設(shè)在浮土、草地、松軟的地層上, 通常是在每測點處打1根木樁或鋼樁穿透上表軟弱層, 傳感器固定安裝在樁頂端[3]。根據(jù)測試需要傳感器的靈敏度主軸方向始終與量測的振動波傳播方向一致，測線沿振動衰減的方向進(jìn)行布置。

2 打樁振動的現(xiàn)場測試

2.1 沖孔樁施工振動測試

福廈鐵路木蘭溪特大橋沖孔樁施工，沖孔樁樁徑1.25m，沖擊土層為強風(fēng)化花崗巖。測試時施工進(jìn)尺約9m。現(xiàn)場測試采用1KHz采樣頻率，距離沖孔樁3m的測點實測波形及頻譜，如圖1所示，各測點的峰值振速及主頻統(tǒng)計，如表1所示。

測點距離/m峰值振速/(mm/s)主頻/HzVLz/dB1311.6210.5102.6266.0711.598.83102.8212.089.54151.3612.087.75200.7913.881.96300.3613.873.97400.0517.056.98500.0411.856.2

2.2 錘擊樁施工振動測試

某地產(chǎn)開發(fā)項目商住樓地上18層，地下一層，基樁采用PHC400、PHC500預(yù)應(yīng)力管樁，開口型樁尖，樁身混凝土為C80，錘擊成樁；工程擬建場地為海陸交互相沉積形成的平原地貌單元，場地內(nèi)巖土層自上而下分為雜填土①中砂②-1、含卵石礫砂②-2、粉質(zhì)粘土③泥巖砂質(zhì)粘土④-1、泥巖殘積礫質(zhì)粘土④-2、全風(fēng)化泥巖⑤-1、強風(fēng)化泥巖⑤-2、全風(fēng)化含燧石灰?guī)r⑥-1、強風(fēng)化含燧石灰?guī)r⑥-2等10個工程地質(zhì)層。設(shè)計樁端持力層為強風(fēng)化含燧石灰?guī)r層，有效樁長約30m～40m。距離錘擊樁45m的測點實測波形及頻譜如圖2所示，各測點的峰值振速及主頻統(tǒng)計見表2所示。

測點距離/m峰值振速/(mm/s)主頻/HzVLz/dB15.618.2710.9102.7226.05.768.293.6335.02.9410.090.0445.02.7510.991.0550.02.0910.389.6674.71.209.773.7783.50.929.773.18109.10.485.067.4

3 打樁振動Z振級

在打樁施工引起的振動作用下，建筑物受到振動加速度的作用產(chǎn)生慣性力，可能引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)破壞。打樁引起的地震動除了對建筑物造成影響外還會對人體產(chǎn)生不適的影響，人體對振動造成的舒適性降低的感受比房屋振動反應(yīng)要敏感的多，BS5228-2:2009 給出了人體振動感知與振動速度峰值的對應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

表3 振動大小和人的感覺[4]

為評價地面振動對人體造成的影響,通常將振動強度化為振動加速度級，振動加速度級根據(jù)我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》定義為:

(1)

式中:VAL為振動加速度級(dB)；

a為振動加速度有效值(m·s-2) ;

a0為基準(zhǔn)加速度(10-6m·s-2)。

Z振級是指按ISO2631/1-1985規(guī)定的全身振動Z計權(quán)因子修正后得到的振動加速度級，記為VLz(單位為dB)，Z振級反映人體對環(huán)境振動的感受。

目前國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)對振動加速度級存在單值計權(quán)評價量Z振級和分頻多值評價量VAL的不同指標(biāo)，Z振級為單值計權(quán)評價量，與分頻多值評價量VAL之間可在1/3倍頻程分析的基礎(chǔ)上按下式進(jìn)行換算：

(2)

式中：La,i是第i個中心頻率上所測得的振動加速度級(dB)；Wi是該頻率上Z方向的計權(quán)因子(dB)。

由于環(huán)境振動往往呈現(xiàn)不規(guī)則且大幅度變動的情況，因此往往需要用統(tǒng)計的方法，用不同的振級出現(xiàn)的概率或累計概率來表示。我國城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)(GB10070)根據(jù)居民的反應(yīng)，環(huán)境振動現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的可行性，給出了城市區(qū)域室內(nèi)振動標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級標(biāo)準(zhǔn)值列于表4中。

表4 城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)值(dB)

通過對2.1及2.2中兩個工程實例的沖孔樁施工與錘擊樁施工所測結(jié)果進(jìn)行1/3倍頻程分析，并計算了整個施工過程的最大Z振級，結(jié)果詳見上文表1、表2。圖1統(tǒng)計了Z振級分別對應(yīng)的峰值振速。圖2給出了沖孔樁施工與錘擊樁施工振動Z振級隨距離的衰減關(guān)系。

由表1、表2及圖3、圖4可以看出：

打樁振動實測表明,打樁引起的環(huán)境振動是瞬時沖擊振動, 振動頻率主要集中在5Hz～15 Hz, 單擊振動持續(xù)時間一般不超過1s。

沖孔樁施工在距離3m處產(chǎn)生11.62mm/s的峰值振速，Z振級102.6dB；錘擊樁施工在距離5.6處產(chǎn)生18.27mm/s的峰值振速，Z振級102.7dB；峰值振速差異明顯，Z振級卻相當(dāng)。

沖孔樁施工產(chǎn)生的振動在距離振源20m外的Z振級已衰減至80dB，而錘擊樁施工產(chǎn)生的振動在距離振源50m外的Z振級仍達(dá)到90dB。

4 結(jié)語

由于人體振動感知閾值明顯低于建筑物損傷的振動水平，打樁振動在滿足建筑物振動安全標(biāo)準(zhǔn)的情況下也時常會引起居住者的投訴。

樁基施工振動在地面峰質(zhì)點振速達(dá)到1mm/s時產(chǎn)生的鉛垂向Z振級可達(dá)到80dB；地面峰質(zhì)點振速達(dá)到2mm/s時產(chǎn)生的鉛垂向Z振級可接近90dB。這一峰值振速可滿足一般建筑的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，但就環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)而言卻是超限的。

錘擊樁施工較沖孔樁施工振動衰減慢，影響距離大，在考慮人體舒適性的條件下，參照現(xiàn)有的環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)，沖孔樁施工的影響范圍在40m已基本能保證，但對錘擊樁通常需要考慮到70m。

[1] 林建生,吳淑美,王源毅，等.打樁對周圍建筑振動影響的研究與實例分析[J].地震地磁觀測與研究. 1999,20(4).

[2] 楊宜謙. 人體全身振動的感知閾值[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012,12(34).

[3] GB/T 14124-2008 機械振動與沖擊·建筑物的振動振動測量及其對建筑物影響的評價指南[S].2008.

[4] BS 5228-2:2009 Code of practice for noise and vibration control on construction and open sites-Part 2 Vibration[S].2009.

[5] GB 10070-88城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

Analysis on the influence of piling on human body comfort

WUXiaobo

(Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025)

The influence of piling on human body comfort can be expressed by Z vibration acceleration, corresponding Z vibration acceleration is obtained by calculating and analyzing the results of piling vibration , based on the Standard of environmental vibration in urban area, the unaffected zone boundary of the piling on human body comfort can be determined.

Piling；Vibration; Human body comfort

吳小波(1978.8- )，男，高級工程師。

E-mail:842238603@qq.com

2016-07-07

TU441+.8

A

1004-6135(2016)10-0067-03