劉憲慶 楊 帆 辜文杰 陳金鋒 朱建凱 徐艷玲

(1.后勤工程學(xué)院，重慶 401311； 2.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

山區(qū)強(qiáng)夯振動(dòng)規(guī)律及對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響研究★

劉憲慶1楊 帆2辜文杰1陳金鋒1朱建凱1徐艷玲1

(1.后勤工程學(xué)院，重慶 401311； 2.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

通過(guò)ABAQUS有限元模型，分析了重慶山區(qū)典型填土地基的強(qiáng)夯振動(dòng)規(guī)律和對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響，結(jié)果表明：強(qiáng)夯作用下，水平速度和加速度變化大于垂向速度和加速度，強(qiáng)夯對(duì)已有建構(gòu)筑物的振動(dòng)影響主要集中在頂層框架，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)頂層框架數(shù)據(jù)的測(cè)試，保證建筑物的安全。

填土地基，既有建筑物，強(qiáng)夯施工，加速度

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，城市化進(jìn)程不斷加快，土地資源緊張的矛盾日益突出，可用于建設(shè)的場(chǎng)地空間也變得越來(lái)越狹窄。重慶作為西南地區(qū)重要的中心城市，在城市規(guī)模化開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要大規(guī)模的開(kāi)山填谷，其建筑的地基主要有兩類：第一類為已填筑的地基，多為爆破山體、建筑垃圾、工業(yè)礦渣等組合填筑而來(lái)，具有填土厚度、顆粒大小不均勻以及填筑成分變化大、填筑時(shí)間長(zhǎng)短不一等特點(diǎn)；另一類為邊填邊施工的地基，一般為就近爆破山體而成的巖土體作為填料，具有填土厚度、顆粒粒徑大小可控，成分固定以及填筑時(shí)間較短的特點(diǎn)[1]。強(qiáng)夯法從問(wèn)世至今，具有能級(jí)高、沖擊力大、影響深度大、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、節(jié)省勞動(dòng)力、工期短等特點(diǎn)[2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)民用建筑、倉(cāng)庫(kù)、道路和鐵路路基、飛機(jī)跑道以及碼頭等結(jié)構(gòu)中，特別適合于砂性土、粉土、黃土、回填土、雜填土等的加固[3]。

在強(qiáng)夯的過(guò)程中，強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的沖擊波從夯錘起夯點(diǎn)以波的形式向各個(gè)方向傳播，使得地面產(chǎn)生顛簸和搖晃，產(chǎn)生類似于地震的影響效應(yīng)[4]。強(qiáng)夯施工在城市規(guī)模化改造的過(guò)程中，由于大、中城市建筑物和地下設(shè)施密集，其振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境和建構(gòu)筑物產(chǎn)生的不良影響日益嚴(yán)重，由此引起的糾紛變得越來(lái)越普遍。有鑒于此，筆者采用ABAQUS對(duì)重慶地區(qū)某填土地基的振動(dòng)規(guī)律以及對(duì)位于強(qiáng)夯區(qū)域某既有框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，為山區(qū)強(qiáng)夯施工對(duì)環(huán)境影響提供參考。

1 分析模型建立

1.1 計(jì)算模型

擬建場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)為上覆第四紀(jì)人工填土層、坡殘積粉土層、下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，素填土上部松散、下部稍密，厚度約為0.10 m～15.69 m；粉質(zhì)粘土無(wú)光澤，干強(qiáng)度、韌性中等，厚度約為1.0 m～3.0 m；砂質(zhì)泥巖由粘土礦物組成，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚度約為0.20 m～8.95 m；砂巖粗粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)[5]。根據(jù)強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，結(jié)合建筑場(chǎng)地的復(fù)雜程度以及建筑類型，選取一塊代表性的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，其平面尺寸為200.0 m×100.0 m，土層厚度選擇素填土8.0 m，粉質(zhì)粘土2.0 m，砂質(zhì)泥巖層5.0 m，總厚度為15.0 m，為了簡(jiǎn)化計(jì)算且考慮計(jì)算機(jī)計(jì)算能力限制，結(jié)構(gòu)以及施加荷載的對(duì)稱性，取1/4模型，尺寸為100.0 m×50.0 m，通過(guò)ABAQUS建立的強(qiáng)夯計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

為了較好的模擬強(qiáng)夯沖擊荷載作用下的應(yīng)力波在土體中的傳播，一階單元往往比較優(yōu)于二階單元，單元類型選用C3D8R，在劃分網(wǎng)格時(shí)，為了精確的模擬夯錘和土體的作用，夯錘中心兩倍夯錘范圍內(nèi)的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為0.1 m，其余區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為5.0 m，豎向網(wǎng)格尺寸為0.5 m，對(duì)于對(duì)稱邊界采用對(duì)稱約束，遠(yuǎn)離夯錘的邊界固定其水平位移，土層底部固定其豎向位移。

1.2 本構(gòu)模型的選取

在進(jìn)行強(qiáng)夯模擬的過(guò)程中，夯錘一般是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，其在強(qiáng)夯的過(guò)程中由于其剛度遠(yuǎn)大于被夯材料，所以在ABAQUS/Explicit顯式動(dòng)力分析中，將夯錘簡(jiǎn)化為剛性體模型，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011MPa，泊松比為0.3；框架結(jié)構(gòu)采用的鋼筋混凝土參數(shù)為E=3.0×1010MPa，泊松比為0.2，材料密度2 600 kg/m3；土層參數(shù)如表1所示，土體模型采用Dracker-Prager理想彈塑性本構(gòu)模型，在實(shí)際參數(shù)輸入中將Mohr-Coulomb彈塑性模型的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镈racker-Prager理想彈塑性本構(gòu)模型的參數(shù)[6]。

表1 土層參數(shù)

1.3 強(qiáng)夯沖擊荷載選取

一次完整的強(qiáng)夯過(guò)程是提升夯錘到一定高度，夯錘自由下落到被夯點(diǎn)，以一定的初速度沖擊下部土體，夯錘速度在很短的時(shí)間內(nèi)(大約0.04 s～0.2 s)衰減到0，由動(dòng)量定理可得，該過(guò)程產(chǎn)生的沖擊力可達(dá)到夯錘重量的幾十倍，土體被瞬間壓縮，而后土體產(chǎn)生一定的回彈，此時(shí)只有夯錘靜力荷載作用于土體上，相對(duì)于強(qiáng)夯過(guò)程產(chǎn)生的沖擊荷載，其靜力荷載可以忽略不計(jì)。已有的研究表明，強(qiáng)夯的沖擊過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力波只有一個(gè)尖峰，其瞬時(shí)沖擊荷載可以簡(jiǎn)化為半正弦函數(shù)或三角形函數(shù)的形式，如圖2所示，這種方法是通過(guò)強(qiáng)夯作用力隨時(shí)間的變化作為加載條件來(lái)模擬沖擊荷載；本文采用第二種加載的形式，即根據(jù)夯錘的落距，計(jì)算出夯錘和土層接觸時(shí)的初速度，設(shè)定夯錘和土的接觸類型并加載。

本文模擬夯錘第一次夯擊土體，單擊夯擊能為3 000 kN·m，夯錘重量為25 t，夯錘落距為12 m，計(jì)算所得的夯錘接觸上層土?xí)r的初速度分別為v25=15.34 m/s，設(shè)置接觸為主從面面接觸的形式，為了保證產(chǎn)生的應(yīng)力波有足夠的時(shí)間進(jìn)行傳播和消散，將計(jì)算時(shí)間設(shè)定為10 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.002 s。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)夯振動(dòng)規(guī)律分析

圖3，圖4為地表土體速度峰值和加速度隨著距離夯錘中心點(diǎn)水平距離不同的變化規(guī)律曲線；圖5，圖6為在距離夯錘中心10 m處距 離地表土體不同深度垂向速度和加速度峰值變化曲線。從圖3和圖4可以看出，隨著距離夯錘中心點(diǎn)距離的增加，其加速度和速度都呈衰減的趨勢(shì)，隨著距離的增加其衰減的速度變緩，在個(gè)別距離其幅值存在增大的趨勢(shì)，原因是由于表層土體的振動(dòng)頻率和振源發(fā)生共振現(xiàn)象，出現(xiàn)振動(dòng)放大區(qū)；在不同的水平距離下，垂向速度和加速度的峰值都分別小于水平速度和加速度的峰值，符合已有的研究規(guī)律[7,8]。從圖5和圖6可以看出，隨著深度的增加，垂向速度和加速度幅值呈下降的趨勢(shì)，但是速度在4 m～6 m、加速度在5 m～8 m存在幅值局部增大的現(xiàn)象，原因如上所述，由于該層土體振動(dòng)頻率與振源發(fā)生共振造成振動(dòng)放大。

2.2 強(qiáng)夯對(duì)既有建構(gòu)筑物影響分析

根據(jù)GB 6722—2003爆破安全規(guī)程中的規(guī)定，考慮振動(dòng)對(duì)建構(gòu)筑物安全的影響時(shí)，采用振動(dòng)速度作為控制量。對(duì)于鋼筋混凝土框架房屋的安全振動(dòng)速度為5 cm/s，對(duì)比圖3的結(jié)果，設(shè)定安全距離為30 m。考慮在強(qiáng)夯區(qū)域距離夯擊點(diǎn)30.0 m處6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的層高為3.0 m，平面尺寸為[(6+6)×6]m，框架樁基礎(chǔ)的截面尺寸為600 mm×600 mm，樁長(zhǎng)為10.0 m；框架柱的截面尺寸為400 mm×400 mm，框架主梁的截面尺寸為250 mm×500 mm，次梁截面尺寸為200 mm×350 mm，板厚為100 mm，建立的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

圖8為強(qiáng)夯沖擊荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的最大垂向速度和水平速度隨樓層的變化關(guān)系圖，圖9為框架結(jié)構(gòu)最大垂向加速度和水平振動(dòng)加速度隨樓層的變化曲線圖。從圖8和圖9可以看出，垂向速度和加速度的幅值分別都小于相應(yīng)的水平速度和加速度的幅值，但是在第6層其垂向加速度大于其水平加速度；從圖8可以看出，水平速度隨著樓層的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)，且在4層～6層其幅值增加趨勢(shì)明顯；從圖9可以看出，水平加速度隨著樓層的增加呈下降的趨勢(shì)，且在1層～2層的變化趨勢(shì)明顯，2層～6層其水平加速度變化平緩。在實(shí)際應(yīng)用中，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)4層～6層的振動(dòng)測(cè)試，保證建筑物的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)ABAQUS對(duì)山區(qū)填土地基強(qiáng)夯沖擊荷載作用下的水平和垂向速度、加速度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并對(duì)考慮安全距離外的某多層框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)夯荷載下的加速度和速度隨樓層變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得到：強(qiáng)夯作用下，水平速度和加速度變化大于垂向速度和加速度，在水平方向的表層土體、豎直方向的土體產(chǎn)生共振造成振動(dòng)放大區(qū)；強(qiáng)夯對(duì)已有建構(gòu)筑物的振動(dòng)影響主要集中在頂層框架，實(shí)際應(yīng)用中，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)頂層框架數(shù)據(jù)的測(cè)試，保證建筑物的安全。

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Research on mountain dynamic compaction vibration law and its influence to existing buildings★

Liu Xianqing1Yang Fan2Gu Wenjie1Chen Jinfeng1Zhu Jiankai1Xu Yanling1

(1.LogisticsEngineeringSchool,Chongqing401311,China; 2.ChongqingDesignInstitute,Chongqing400015,China)

Through the ABAQUS finite element model, this paper mainly analyzed the dynamic compaction vibration law of typical filled foundation in Chongqing area and its influence to existing building, the results showed that under dynamic compaction, the velocity and acceleration changes greater than vertical velocity and acceleration, the vibration effects mainly concentrated in the top framework of dynamic compaction to existing buildings, in practice application that should strengthen the top-level structure framework data testing, ensured the safety of building.

filled foundation, existing building, dynamic compaction construction, acceleration

1009-6825(2017)03-0040-03

2016-11-19 ★：重慶市建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(城科字2014年09-2號(hào))；后勤工程學(xué)院青年基金(YQ16-420502)

劉憲慶(1986- ),男，博士，講師

TU472.31

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