沖孔樁施工引起周圍地表振動的測試研究

霍衛安

（甘肅省建設監理有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

沖孔樁施工時利用沖錘自由落體對地層巖土體進行沖擊、切削，從而達到樁基成孔的目的。樁周土在沖錘的沖擊作用下被擠密，因此沖孔樁具有更高的承載力，這使得高層建筑和橋梁基礎中沖孔樁被廣泛采用。然而，沖孔樁施工時沖錘產生的強烈振動對周圍建筑物和地下管道造成不同程度的損傷，同時，也帶來環境噪音問題。從20 世紀70 年代起，國內外學者就開始關注樁基沖孔作業和打樁作業對環境的振動影響問題，我國也推出相應規范[1-2]，對沖孔作業的振動頻率和振動峰值進行限制。但這些規范中對于結構強度和抗震性能較低的農村民房和古建筑未做特別規定，該類建筑廣泛分布于道路沿線，如果沒有明確的規范限定，則位于道路沿線的農村民房和古建筑將在施工中遭受無法估量的損失。因此，深入研究樁基沖孔作業引起的振動傳播規律對環境振動評估和結構隔振設計起到關鍵作用。

關于沖孔樁施工的環境振動問題，已有學者利用理論模型和現場測試的方法做了很多研究，如文獻[3-6]利用連續介質理論對地表作用沖擊荷載的穩態和瞬態振動問題做了研究；高彥斌等[7]、吳鐵生[8]、許錫昌等[9]利用動態測試系統對沖孔作業時的地表振動進行現場測試并擬合出振幅隨距離衰減的預測公式；陳云敏等[10]將數值模擬結果和實測結果做了對比分析，發現沖孔樁作業的振動影響范圍為40 m。總結上述文獻的研究成果能夠發現，現有研究方法中不管是理論研究還是實測研究都以單樁作業工況作為研究對象，未考慮多個樁孔同時作業的振動疊加效應，而在實際施工中往往都是多樁孔同時作業的情況。因此，現有研究成果在實踐應用中仍存在局限性。

本研究借鑒已有研究方法，利用動態信號測試系統對沖孔樁作業引起的地表振動進行現場測試，為了考察多樁同時作業的疊加效應，在測試中分別進行1～4 個樁同時作業的工況。通過對振動信號進行振幅和頻譜分析，不僅對振幅衰減規律和頻率特征做了研究，還對多樁同時作業的振動疊加效應進行了相關分析。

2 測試方案

2.1 工程概況

位于臨夏回族自治州境內的擬建雙達公路1#特大橋為21 跨預應力簡支梁橋（跨徑30 m），樁基采用沖孔灌注樁，樁長18 m，樁徑0.8 m。施工單位使用南通力威CK 2000 沖孔式打樁機進行樁基成孔作業，沖錘質量6 t，最大落距1 m，沖擊頻率為40次/分。場地土層自上而下由雜填土、粉土、粉細砂和淤泥質粉質黏土和砂礫膠結層組成，各土層土體參數見表1。

表1 土層參數表

2.2 測試方法及測點布置

本次測試的目的主要為研究沖孔樁作業引起地表振動沿距離的衰減規律和頻率特征，同時，考察多樁作業的振動疊加效應。測試中以雙達公路1#特大橋的16#、17#墩的4 個樁為測試對象，利用東華測試技術有限公司生產的DH 5922 動態測試儀和D 610拾振器進行振動信號采集，然后進行數據分析，測試儀器及測試流程如圖1 所示。為了便于數據分析，沿16#、17# 墩的跨中垂線按等間距布設5 個測點（D1～D5），在每個測點上布置3 個拾振器，分別采集x、y、z 方向的振動速度，其中x 方向為橋梁走向，y方向垂直于橋梁，z 為豎直方向，各樁編號及測點布置如圖2 所示。測試時，各樁的沖錘入土深度均為2 m（清除雜填土）。

圖1 測試流程圖

圖2 測點布置圖

2.3 工況設計

基于前述測試目的和現場條件，本次測試共設計5 個測試工況，各工況描述見表2。

表2 測試工況表

3 測試結果與分析

圖3、圖4 給出了測點D1 在工況1 和工況2 的地表振動速度信號，對比兩圖能夠直觀地看出，兩樁同時作業時的振動峰值明顯大于單樁作業的情形。表3 列出了各測點在各工況下的3 方向振動峰值，表中數據進一步說明多樁同時作業時振動疊加效應的存在，數據還表明同一測點處的豎向振動峰值大于水平方向的峰值，而水平面上的兩個方向（x，y）振動峰值非常接近。

表3 振動速度峰值統計表 mm/s

圖3 測點D1 工況1 振動信號

圖4 測點D1 工況2 振動信號

3.1 振幅衰減分析

利用表3 數據繪制出工況1、3、5 的振動衰減曲線如圖5 所示，在近場區域豎向振動速度峰值明顯大于水平方向的峰值，但當距離大于30 m時，豎向和水平方向的峰值則趨于相等，說明豎向振動在近場的衰減速度大于水平方向。為了研究多樁同時作業的疊加效應，此處定義一個量化參數α 來描述疊加效應，稱之為疊加系數，其定義式為：

圖5 振動峰值隨距離的變化曲線

式中：A0為工況1 對應的振動速度峰值（單樁作業時振動峰值），Ak為多樁同時作業時的振動速度峰值。

圖6 給出了各工況下衰減系數隨距離的變化曲線，可以看出，豎直和水平方向的疊加系數都隨距離的增大而減小，說明離振源越近疊加效應越明顯。圖6 還反映出，在同種工況下水平方向的疊加系數大于豎直方向，說明水平振動的疊加效應大于豎直振動。此外，對比圖6 中工況2 和工況3 的疊加系數變化曲線發現，在同一測點處工況2 的振動疊加系數大于工況3，說明同側振源的振動疊加效應大于異側振源。

圖6 疊加系數隨距離的變化曲線

3.2 頻譜分析

對采集的振動速度時程信號做傅里葉變換，即可得到頻域信號。圖7 為測點D1、D3、D5 在各工況下的頻譜曲線，分析圖7 可知，沖孔樁施工引起的地表振動頻率主要分布在12～51 Hz，隨著振源距離增大頻率分布區間將逐漸變窄。5 個測點在各工況下的峰值頻率幾乎相同，都集中在15 Hz 附近。這一現象再次證明：沖擊荷載引起的地表振動頻率只與荷載激勵頻率有關，而與荷載大小、振源數量及沖擊強度無關[11-12]。

圖7 頻譜曲線

需要說明的是，本次測試由于受到條件限制，最多只能實現4 樁同時作業，測試數據非常有限，依據現有數據無法擬合出包含疊加系數的振動衰減公式。而且測試中已經發現，振源的空間分布及相對位置對振動疊加效應也存在顯著影響（同側和異側分布）。因此，關于沖孔樁多點作業的疊加效應研究是個極為復雜的問題，尚需更系統的試驗才能得出可靠的預測公式。

4 結語

針對沖孔樁施工引起的地表振動問題進行現場實測研究，通過沖孔式打樁機激振并利用動態信號采集系統對地表振動速度時程信號進行采集，對振動峰值沿距離的衰減曲線和頻譜曲線進行對比分析后總結出以下結論：

（1）沖孔樁施工引起的地表豎向振動在近場大于水平振動，而在遠場兩者趨于相等，豎向振動在近場的衰減速度更快。

（2）多樁同時作業會產生明顯的振動疊加效應，隨著距離增大，疊加效應逐漸減弱；樁孔的空間分布和相對位置對疊加效應存在顯著影響。

（3）沖孔作業引起的地表振動頻率分布在12～51 Hz，隨著距離增大，頻率分布區域逐漸變窄，峰值頻率保持在15 Hz 附近，多樁同時作業對峰值頻率沒有影響。