城市軟土地基組合錘法強夯施工振動效應研究1

劉 超 梁海安 程新俊 聶佩江 李俊豪 呂 毅

（東華理工大學，土木與建筑工程學院，南昌 330013）

引言

組合錘法是針對軟土地基加固的新型地基處理技術，分別采用柱錘、中錘和扁錘對施工場地深層、中層和表層地基土進行不斷夯擊，對土體中原有固相顆粒進行結構重組，使其緊密排列，分層擠密壓實，進而形成上大下小的楔形墩體。通過組合錘法對欠固結、高壓縮性土及深厚回填土等軟土地基進行夯實擠密，形成低壓縮性的墩體，使墩體與墩周土共同組成復合地基，施工簡便，在不使用鋼筋和混凝土等建筑材料的情況下可較好地提高地基承載力，處理效果顯著，具有廣泛應用空間。采用組合錘法對地基進行夯實處理時，除部分能量被強夯點吸收外，大部分能量從強夯點向四周波動擴散，引起土體振動，當振動超過一定限值時，可能給周邊環境帶來一定影響（李俊如等，2002）。

吳綿拔等（1992）研究了砂土中強夯振動速度衰減規律，發現強夯過程中，砂土振動速度小于黏土振動速度時，不易引起建筑物破壞；夏瑞良等（2001）通過現場測試，發現地動位移衰減趨勢規律性較強；Pan等（2002）進行了松散土中動荷載強夯響應研究；尚軍雷等（2006）和楊明等（2011）分析了不同振源對建筑物的影響機理，研究強夯施工產生的振動對周邊廠房及住宅的影響，提出了相應減振措施；譚捍華等（2001）和韓俊艷等（2020）通過負冪函數擬合垂直振動速度及振動加速度的衰減趨勢，擬合結果較理想，但未對地層條件、錘型、夯擊能量及測距等因素進行分類討論；周洋等（2018）、張力聞（2017）和王鵬程等（2015）依托實際工程，研究強夯振動對結構穩定性的影響，并分析不同因素對安全距離的影響，提出相應的安全距離；張露露等（2016）和張宏博等（2015）根據工程實測，研究不同夯擊能量及夯擊次數對速度及振動頻譜的影響，發現夯擊能量越大、夯擊次數越多，對場地的影響越大；林偉斌等（2018）研究發現，當夯擊能量較小時，速度衰減較快，監測點速度隨著錘擊次數的增加先增大后減小；王斯海等（2016）提出了2 種場地條件下振動速度衰減公式及不同夯擊能量下的安全距離，但該研究中的2 種地區土層條件較復雜，場地強夯振動響應可能與土層綜合性質及土層間的共同作用有關，僅定性分為“上硬下軟”地基和“上軟下硬”地基可能不準確；時偉等（2019）通過在粉細砂場地進行強夯試驗，研究強夯振動對建筑物不同樓層振動的影響，得到不同樓層處環向振動速度最大的結論。

組合錘法是綜合改進普通強夯法、強夯置換法和柱錘沖擴樁法的新型施工工法，雖在工藝、施工效果及經濟性上具有顯著工程價值，但其施工引起的土體振動對周邊環境的影響尚不明晰，因此，研究組合錘法振動成因、影響范圍、影響因素對其推廣應用具有重要意義。為此，本文選取南昌市某軟土工程場地作為試夯區域，沿試夯點東西測線方向布置4 個監測點，監測水平向及豎向加速度峰值，根據速度、加速度峰值變化趨勢、頻譜分布特征，確定組合錘法施工影響范圍。

1 現場監測

1.1 測試場地概況與振動影響評判依據

本文對組合錘法振動效果進行3 次現場測試，地質勘察報告揭示的工程場地地層自上而下分別為：①素填土：層厚1.60～6.00 m；②粉質黏土：可塑，中等壓縮性，層厚5.1～7.2 m；③淤泥質土：層厚0.60～3.30 m；④細砂：飽和，松散～稍密，層厚0.80～10.10 m；⑤中砂：飽和，稍密～中密，層厚1.50～5.00 m，以下巖土層略。試驗場地地下水位為0.80～3.00 m。

目前，對場地振動動力特性測試并無統一規定，由于場地屬于半無限域地質體，與地基等結構物的動力特性有所區別。強夯法引起的地面振動頻率一般在20 Hz 以內（Hwang 等，2006），與爆破引起的振動頻率、建（構）筑物和施工機械設備的固有頻率接近，故選用《爆破安全規程》（GB 6722?2014）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2015）規定的爆破振動安全允許距離進行安全標準評判及允許距離控制。

1.2 試驗儀器與監測點布置

本試驗采用扁錘進行強夯，錘重10 t，錘高1 m，落距為30 m。現場振動監測主要采用891 型振動測量傳感器、891 型信號放大器和數據采集器等儀器，其中，891 型振動測量傳感器加速度測量范圍為±1.0g，加速度靈敏度為1 000 mV/g，采樣頻率為0.5～80 Hz；891 型信號放大器用于配合測取場地振動加速度信號，使用頻率為0.15～100 Hz，滿足本次試驗測試要求。

分別在距強夯點15、30、50、100 m 處各布置3 個891 型振動測量傳感器，水平東西向、水平南北向和豎向各布置1 個（圖1）。在距組合錘法設備15、30、50、100 m 處測量水平東西向振動加速度時程、水平南北向振動加速度時程及豎向振動速度時程，分別研究單點單次加速度變化規律及錘擊次數對加速度與場地振動的影響。

圖1 試驗場地振動監測點平面布置Fig. 1 Layout of vibration monitoring points in the test site

2 振動測試結果分析

施工工況為組合錘法設備無配重正常施工，偏心距30 cm，通過振動測試儀器進行現場振動測試，采集監測點處場地地表振動加速度時程曲線。

2.1 單點單次加速度與頻譜分析

監測點加速度時程曲線和頻譜曲線如圖2～4 所示，圖中15 m HWE 表示15 m 監測點處水平東西向，以此類推。對加速度進行時域積分獲得速度，加速度與速度峰值如表1 所示。

由圖2～4 及表1 可知：

圖2 監測點水平東西向加速度時程曲線與頻譜曲線Fig. 2 Time history analysis curve and spectrum curve of horizontal east-west acceleration at different distances

圖3 監測點水平南北向加速度時程曲線與頻譜曲線Fig. 3 Acceleration time history analysis curves of horizontal north-south direction at different distances

圖4 監測點豎向加速度時程曲線與頻譜曲線Fig. 4 Acceleration time-history analysis curves and spectrum curves of vertical direction at different distances

表1 監測點加速度峰值與速度峰值Table 1 Peak acceleration and peak velocity at monitoring points

（1）組合錘法施工引起的地面豎向振感明顯高于水平東西向、南北向，距強夯點15 m 的監測點，豎向加速度峰值為139.1 cm/s2，水平東西向、南北向加速度峰值分別為99.9、74.1 cm/s2，可知采用組合錘法施工時豎向振動加速度和速度應為主要監控量。

（2）距強夯點較近的2 個監測點，豎向加速度峰值分別為139.1、99.9 cm/s2，均大于水平向加速度，但距強夯點100 m 處監測點加速度峰值均衰減至6 cm/s2以內，可知組合錘法施工會引起周邊土層及監測點振動，且在強夯過程中持續造成影響。

（3）距強夯點15、30、50 m 處監測點各方向加速度時程曲線基本一致，距強夯點100 m 處監測點各向加速度時程曲線呈低幅值的近似白噪聲曲線，速度峰值呈緩慢減小的趨勢，至100 m 處均降至0.3 m/s 以下。隨距強夯點距離的增大，水平向、豎向加速度總體呈衰減趨勢，僅在距強夯點100 m 處，監測點水平東西向加速度峰值在尾部出現異常，產生異常的原因主要是在錘擊完成收錘階段產生了明顯的收錘動能，達到80 cm/s2左右，可在加速度時程曲線上明顯看出。

（4）由頻譜曲線可知，距強夯點15、30 m 處基頻約為50 Hz，整體基頻段較穩定，距強夯點50 m 處基頻為100 Hz 左右，距強夯點100 m 處基頻為70 Hz 左右，高頻分量所占比重越來越大，由此可見，采用高頻組合錘法可降低對周邊環境的影響，此外，可通過增設隔振溝（填充阻尼材料）減少施工振動的影響。

（5）借助matlab 軟件對加速度時程數據進行積分求解，獲得速度時程曲線。分析速度峰值可知，距強夯點50 m 處的監測點豎向振動速度衰減至2 cm/s 以下，依據《爆破安全規程》（GB 6722?2014）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2015）規定，當f≤10 Hz，對于土坯房，毛石房屋允許振動速度為0.15～0.45 cm/s，一般民用建筑物允許振動速度為1.5～2.0 cm/s，故認為組合錘法施工可能對距強夯點50 m 范圍內的建筑物造成一定影響，應避免此范圍內出現建筑物和人員密集的公共區域。

2.2 錘擊次數對場地振動的影響

為研究錘擊次數對場地振動的影響，對連續錘擊6 次的場地振動參數進行測試并記錄。限于篇幅，本文取1、3、5 錘的振動加速度峰值進行分析（圖5）。考慮強夯法引起的地面振動頻率一般＜20 Hz（Hwang 等，2006），與爆破引起的振動頻率、建（構）筑物和施工機械設備的固有頻率相近，強夯法具有沖擊型點振源，土層以垂直振動為主，主要引起縱波（沿深度發展的壓縮波）和橫波（與質點前進方向垂直），土體受到的垂直振動往往大于水平振動，本文監測數據也證實了此特點（表1），故單獨繪制豎向速度峰值在不同錘擊次數下隨距離衰減曲線，如圖6 所示。

由圖5 可知，不同錘擊次數下，振動加速度衰減趨勢較相似。場地振動加速度峰值隨著錘擊次數的增加而增大，且增幅在距強夯點15～50 m 處較明顯，至距強夯點100 m 處時增幅已較小，衰減曲線從50 m 處的陡降逐漸變緩，這主要是因為在強夯過程中土體產生了壓縮變形，隨著錘擊次數的增加，土體逐漸密實，振動能量波擴散傳遞速度提高，但被加固的土層幾乎集中在強夯點周圍15 m 范圍內，因此距強夯點越遠，增幅越小。

圖5 監測點加速度峰值隨距離衰減曲線Fig. 5 Attenuation curve of peak acceleration of monitoring points with distance

距強夯點距離為15 m 時，錘擊次數由1 次增至5次時，監測點水平東西向、南北向及豎向振動加速度峰值分別由99.9、74.1、139.1 cm/s2增至152.8、119.8、182.5 cm/s2，增幅為50%、61%、31.2%，水平向振動加速度峰值變化幅度總體大于豎向，由此可見，水平向振動加速度對錘擊次數更敏感。

由圖6 可知，不同錘擊次數下，測點豎向速度峰值變化趨勢基本相同，呈較穩定且平緩衰減的趨勢。

圖6 監測點豎向速度峰值隨距離衰減曲線Fig. 6 Attenuation curve of peak vertical velocity of monitoring points with distance

3 振動加速度衰減模型與驗證

3.1 振動加速度衰減模型建立

使用非線性回歸分析獲得不同方向加速度衰減公式，式（3）～（5）計算結果均方差分別為0.071，0.326，0.189，相關系數分別為0.945，0.962，0.971，說明擬合的衰減公式精度較高。

3.2 振動加速度衰減模型驗證

利用第5 次錘擊次數下的加速度峰值對衰減公式進行驗證，考慮擬合曲線參數b、c用于控制曲線形態，參數a用于控制曲線截距，由前文可知，錘擊次數在一定程度上影響了加速度峰值，故通過固定參數b、c，調整參數a進行擬合，擬合曲線如圖7 所示，衰減公式及相關系數如表2 所示，實測值與模型預測結果吻合較好，證明振動加速度衰減模型適用于該場地條件下組合錘法施工振動影響預測。

表2 衰減曲線回歸分析結果Table 2 Results of regression analysis of attenuation curveResults of regression analysis of attenuation curve

圖7 加速度峰值擬合曲線Fig. 7 Peak acceleration fitting curve

4 結論

本文通過對南昌市某軟土地基各測線方向加速度峰值變化趨勢及頻譜分布特征進行分析，獲得加速度峰值衰減規律、組合錘法施工影響范圍及錘擊次數對場地振動的影響，在現場測試的基礎上建立了振動加速度衰減分析模型，并進行了算例驗證，主要得出以下結論：

（1）采用組合錘法進行地基強夯施工時，場地豎向振動是需要重點監測的內容，監測點振動加速度（速度）隨與強夯點距離的增大而減小，進行單點單次夯錘時，距強夯點50 m 處地面振動速度衰減至0.2 cm/s 以下，故在此范圍內進行組合錘法施工時，可能對周邊環境造成一定影響。

（2）根據地表加速度頻譜分析可知，可通過改變組合錘法及場地土固有頻率減小強夯對場地振動的影響。

（3）土體受持續夯擊而壓實擠密，其密實程度與錘擊次數成正相關關系，因此，隨著振動能量波擴散傳遞速度提高，在其影響范圍內加速度峰值增加趨勢明顯，最大可產生61.0%的增幅。此外，水平向加速度對錘擊次數的敏感性略高于豎向加速度，豎向速度衰減趨勢受錘擊次數的影響較小。

（4）基于現場測試結果及面波振動函數，將地面豎向振動加速度項、振源傳給地面的波動隨距離衰減項、振動修正因子作為主控因素，通過非線性回歸分析構建不同方向振動加速度衰減模型，并通過算例驗證了其合理性，可為同類場地采用組合錘法強夯施工提供參考。