舊水泥混凝土路面共振破碎振動影響范圍研究

查旭東，鐘海闊，呂茂豐，關維溢

（1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410114；2.中鐵五局集團有限公司，湖南 長沙，410100；3.佛山市建盈發展有限公司，廣東 佛山，528099）

共振碎石化施工因具有對舊水泥混凝土路面的破碎再生效果好，可較好地控制碎石化層的級配和厚度，還可防止瀝青加鋪層反射開裂等優點，被廣泛應用于國內外舊水泥混凝土路面的瀝青加鋪改造工程之中［1-3］。共振碎石化在降低舊水泥混凝土路面板強度的同時，還能降低其變異性［4］，但在施工過程中，共振破碎機產生的振動也會影響、甚至破壞鄰近結構物的服役安全，因此，必須嚴格控制共振破碎振動的安全影響范圍［5-6］。

許多學者對舊水泥混凝土路面碎石化施工的振動進行了研究。針對沖擊碾壓破碎振動研究，劉滎等［7］分析了舊混凝土路面沖擊破碎的動力響應特性，給出了路面和結構物的安全振動速度范圍。胡昌斌等［8］對比分析了沖擊碾壓的地基振動三維有限元模擬結果與現場地基振動實測結果，計算了距振源不同距離的構筑物動力時程響應，其研究結果表明：沿道路作用點10 m范圍內振動加速度衰減顯著。針對多錘頭碎石化振動研究，閻宗嶺等［9］對其施工的振動特點和影響范圍進行了現場監測，建立了填方路基和挖方邊坡振動加速度峰值與振中距間的負指數和對數關系衰減模型，確定了多錘頭碎石化振動對建筑物的影響范圍。李萍等［10-11］研究了在沖擊荷載作用下，路面板與埋置管道振動影響的衰減規律，研究表明：多錘頭破碎機沖擊荷載在0～2 m的埋深內衰減速度很快，其振動隨水平距離以負冪函數形式衰減，10 mm/s振動速度峰值和0.1g振動加速度峰值可作為周圍建筑物的安全振動參數標準。共振破碎機不同于沖擊碾壓和多錘頭碎石化，因其振動頻率高、振幅低的特點，作用于地表的力屬于連續激振力［12-13］。針對共振碎石化振動研究，李豪等［14］通過現場試驗，對比分析了多錘頭碎石化與共振碎石化施工過程中振動與噪聲對臨近環境的影響，研究表明：多錘頭碎石化施工振動遠大于共振碎石化的，且共振破碎機有明顯的振動主頻。ZHAO等［15］對共振碎石化引起的隧道襯砌結構截面上的振動加速度和振動速度進行了監測，其結果表明：頻率在30～60 Hz的最大振動速度為10.3 mm/s，施工過程中襯砌結構的安全性有待進一步評估。對于舊水泥混凝土路面破碎施工影響的安全距離研究，主要是針對沖擊碾壓和多錘頭碎石化技術，并根據已有的標準對某一實測或模擬數據進行分析，共振碎石化施工中，針對共振破碎機振動頻率高、振幅低等特點的振動特性的研究鮮見。因此，本研究擬針對舊水泥混凝土路面共振碎石化施工過程的環境振動進行研究，依托某實際工程，采用動態信號測試分析系統，監測共振破碎時的振動速度、加速度和頻率等動力響應數據，研究共振破碎振動沿地表橫向和地層豎向傳播的衰減規律，依據建筑物的振動安全控制標準，提出共振破碎施工的橫向和豎向的安全距離，為舊水泥混凝土路面共振碎石化施工安全控制提供依據。

1 共振破碎振動測試方法

1.1 共振破碎原理

共振碎石化施工主要用于舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的大修或改造工程。其原理是利用共振破碎機的破碎錘頭將產生的高頻低幅能量傳遞到路面。當破碎錘頭激振頻率達到水泥混凝土面板的共振區時，面板將會產生劇烈的受迫振動，導致內部產生裂紋，將舊面板破碎成粒徑大小均勻、尺寸可控的碎塊后，再進行碾壓，形成粒徑大小適中、級配良好的頂面碎粒層和上部松散層及具有較高承載能力的下部嵌鎖層，為加鋪新的路面結構層提供穩定的基礎，防止瀝青面層開裂。

共振碎石化施工可以采用共振梁式共振破碎機和全浮動式共振破碎機。其中，全浮動式共振破碎機為中國自行研制的共振破碎設備，由兩個等速反向旋轉的激振軸作為垂直方向的激振源實現錘頭的上下振動。根據本試驗實際工程現場施工情況，選用中鐵科工集團研制的GPJ3X-600型共振破碎機進行試驗。

1.2 現場測試方案

依托工程為某城市道路提質改造項目，舊水泥混凝土路面結構為24 cm厚的C30混凝土面板和30 cm厚的水泥穩定砂礫基層，路基土主要為黏性土和雜填土。共振破碎振動影響監測時，以共振破碎機破碎錘頭的豎向簡諧振動作為激振源，頻率范圍為45～50 Hz，工作振幅為10～20 mm，行進速度為3～4 km/h。振動響應測試儀器選用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH5922D型動態信號測試分析系統、1A213E低頻壓電式加速度傳感器和2D001型磁電式速度傳感器。

對于共振碎石化施工沿水平橫向地表的振動監測，在進行破碎試驗時，共振破碎機每次的破碎行程距離為60.0 m，在遠離共振破碎工作面一側，垂直于破碎行進方向布置A、B和C3條平行測線，且3條測線均設置在每一段破碎行程中心點附近，如圖1所示。并沿每條測線距破碎錘頭由近至遠設置5組測試點，每組測試又設置3個測點，如：B測線第一組為B1-1、B1-2、B1-3，第二組為B2-1、B2-2、B2-3等，A、C測線布設以此類推。因每次破碎試驗的錘頭右移20 cm，對應各測點也右移20 cm。為保證監測安全，距破碎錘頭橫向水平距離為4.0 m處開始設置每條測線的第一組的第一個測點［16］，其余4組的第一個測點距破碎錘頭的橫向水平距離依次為4.8、5.6、6.4和7.2 m。試驗前將傳感器固定在測點表面，并采用動態信號測試分析系統分別采集共振破碎過程中地表振動的加速度和速度時程數據。

圖1 橫向地表振動監測點布置（單位：m）Fig.1 Layout of monitoring points for transverse surface vibration（unit：m）

進行第一次破碎試驗時，從測線A距離共振破碎機的最近一個測點開始進行振動監測，并采集振動數據。再將共振破碎機移至第一次破碎試驗的起始位置，并將破碎錘頭向右橫移20 cm，沿下一條帶開始進行第二次破碎試驗，對第一組的第二個測點進行振動監測，采集相同距離的振動數據，并依此進行3次破碎試驗，獲得第一組相同距離的振動監測數據，完成測線A的振動監測試驗。然后對測線B、C振動監測步驟亦如此。本次試驗共進行了45次破碎行程試驗，每條測線獲得5組相同距離的監測數據。

對于沿垂直豎向地層的振動監測，沿破碎行進方向鉆取4組深度分別為0.2、0.4、0.6和0.8 m的試坑，相同試坑深度鉆取2個點并各布置1個測點。為防止因振動傳感器在共振破碎施工的劇烈振動下跳離測點表面，導致影響振動監測數據異常，選用體積和質量較小的振動加速度傳感器，并將其固定在試坑底部，如圖2所示。分別采集共振破碎中不同深度處的地層豎向振動加速度時程數據。

圖2 豎向地層振動監測點布置（單位：m）Fig.2 Layout of monitoring points for vertical stratum vibration（unit：m）

2 振動測試結果分析

2.1 沿地表橫向振動分析

繪制在共振破碎過程中地表橫向某一測點測得的振動加速度和振動速度響應時程曲線圖，如圖3所示。從圖3可以看出，地表振動響應具有穩態振動的特點，共振破碎機沖擊振幅低，但振動頻率高、振動波長短。在同一測點，隨著共振破碎機向測線靠近，振動加速度和振動速度峰值均逐漸增大，隨著與測線距離的增大，振動加速度和速度峰值都逐漸變小；地表振動響應時程曲線峰谷值對稱分布，整體呈棒槌狀。

圖3 橫向地表振動響應時程曲線Fig.3 Time history curves of transverse surface vibration response

提取各測線測點處共振破碎的地表橫向振動加速度和振動速度峰值，可得到各測點處平均振動響應峰值，見表1。由表1可知，共振碎石化施工的振動加速度和振動速度峰值沿橫向距離傳播的衰減趨勢基本一致。其中，橫向距離為4.0～5.6 m時，振動峰值衰減速度很快，振動加速度和振動速度峰值分別衰減了35.4%和51.2%，而橫向距離為5.6～7.2 m時，振動峰值衰減趨勢變緩，振動加速度和速度峰值分別衰減了24.5%和27.5%，這是幾何阻尼作用導致的，振動波擴散得越遠，其單位體積內的能量越少，而距離振源愈近的區域的振動響應愈大。比較相同測試距離時振動加速度和振動速度峰值的變化可知，隨著橫向距離的增大，共振破碎的地表振動速度響應比振動加速度響應更為敏感，表現為在近源時振動速度變化更大，且隨著距離的增大衰減也更快，當橫向距離從4.0 m增至7.2 m時，振動速度峰值減小了64.6%，而振動加速度峰值只減小了51.3%。

表1 橫向地表平均振動響應峰值測試結果Table 1 Average peak of transverse surface vibration response

為校驗振動響應時程曲線的衰減規律，對共振破碎振動時程曲線進行頻域處理。由于信號處理設備的性能受硬件限制，需要將原始的連續長序列振動信號重采樣為多段短序列。但是無論采樣頻率多高，只要信號截斷，就不可避免地引起混疊，從而引起頻譜泄露，導致誤差。為了減少信號采樣時頻譜泄露造成的誤差，可以將信號乘以一個窗函數，使信號在結束時逐步平滑過渡到截斷處以減少誤差，而不是突然截斷，得到更接近真實狀況的頻譜曲線。因此，采用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）作為頻域處理函數，采用漢寧窗（Hanning）作為窗函數，將監測到的振動響應時程曲線進行處理，得到振動加速度和振動速度的功率譜密度曲線，其頻譜特性都非常明顯。圖4為某測點振動響應的時程曲線經頻域處理后的振動加速度和振動速度的頻譜曲線，振動加速度和振動速度均在46.875 Hz處出現最高波峰，此頻率對應的振動能量最大，為振動主頻。

圖4 橫向地表振動響應頻譜曲線Fig.4 Spectrum curves of transverse surface vibration response

根據各測點地表振動響應曲線的頻譜，得到振動加速度、振動速度與頻率的幅值譜曲線的振動主頻及對應的振動加速度和振動速度的峰值，見表2。將表1實測時程曲線的振動峰值與表2振動主頻對應的振動峰值進行對比，可知：① 共振破碎的不同橫向距離處地表振動響應的頻譜特性非常明顯，其主頻一致性較強，基本處于46～50 Hz，與共振破碎機施振頻率基本一致；② 在每個測點的頻譜曲線中，在1倍主頻91.797 Hz和2倍主頻138.672 Hz處均會出現一個較為明顯的次峰值，其值為主頻對應峰值的1/10～1/5，表明此頻率下的振動響應能量較大；③隨著測點距離的增大，振動主頻對應的振動加速度峰值與振動速度峰值皆呈現衰減的趨勢，且均分別小于同水平距離下實測時程數據的峰值；④ 振動主頻對應的振動加速度峰值當橫向距離4.0～7.2 m時衰減了60.7%，比實測時程曲線的振動加速度峰值衰減率提高了9.4%，表明衰減程度更大，而振動主頻對應的振動速度峰值在監測范圍內也衰減了61.4%，比實測時程曲線的振動速度峰值衰減率減小了3.2%，表明速度衰減曲線更平緩，所以振動主頻對應的振動加速度峰值和振動速度峰值隨橫向距離變化的衰減水平非常接近。

表2 橫向地表振動主頻及其對應的振動響應幅值的峰值Table 2 Dominant frequency of transverse surface vibration and its corresponding maximum amplitude of vibration response

2.2 地層豎向振動分析

某豎向深度測點處在共振破碎過程中地層振動加速度響應時程曲線如圖5所示。從圖5可以看出，豎向深度方向的振動響應時程曲線的波峰尖而旁瓣較小，隨著共振破碎機向試坑漸近，振動加速度峰值快速增大，隨著與試坑距離的增大，峰值漸小；地層振動響應時程曲線整體對稱，峰值曲線呈陀螺型。

圖5 豎向地層振動響應時程曲線Fig.5 Time history curve of vertical stratum vibration response

根據各試坑處監測的振動響應時程曲線，可提取相應的振動加速度峰值，同時通過頻譜分析可得到振動加速度與頻率的幅值譜曲線，并獲得振動主頻及對應的振動加速度峰值，結果見表3。由表3可知：① 共振破碎在垂直豎向的地層振動強度對深度變化比較敏感，表現為各深度試坑的測點振動加速度峰值隨著深度的增加而快速衰減，深度為0.0～0.8 m時峰值衰減了92.1%；② 共振碎石化豎向地層振動響應的頻譜特性具有較明顯的規律性；深度為0.0～0.2 m時振動主頻快速減小，減少達51.0%，但深度為0.4～0.8 m時振動主頻趨于平穩，其主要原因是共振破碎機振動頻率接近水泥混凝土路面板的固有頻率，從而激發錘頭下端路面板局部范圍產生共振，導致板塊崩潰瓦解，即深度在0.0～0.24 m時水泥混凝土路面板出現了混凝土板塊共振而破碎崩潰現象。由于顆粒體積、質量的減小引起振動主頻升高，而在0.24～0.80 m時水泥穩定砂礫基層與土基并未產生共振，所以未發生或較少發生結構性破壞，其受迫振動的主頻為49 Hz左右，與共振破碎機施振頻率基本一致；③ 各測點振動主頻對應的加速度峰值隨著深度的增加而減小，但在0.2 m深度處有小幅上揚，較 0.0 m處的振動加速度峰值提高了21.4個百分點，其主要原因是0.2 m深度接近水泥混凝土路面板底部，板底將發生破碎，振動響應增大，即該處存在一個振動加速度的回升區。

表3 豎向地層振動響應峰值及主頻測試結果Table 3 Test results of peak value and dominant frequency of vertical stratum vibration response

3 振動影響范圍分析

3.1 振動安全控制標準

目前，還沒有定量評價碎石化、沖擊壓實等施工產生的非爆破振動對周圍結構物影響的統一規范或標準，大多采用地基質點振動加速度峰值或振動速度峰值來評價結構物的振動效應。根據《建筑工程容許振動標準》（GB 50868—2013）及國內外相關建議，打樁、振動沖擊等基礎施工對建筑結構在時域范圍內的容許振動值，得出結論：當振動頻率f為50 Hz時，速度最大值vmax為6 mm/s，加速度最大值amax為0.98 m/s2。舊水泥混凝土路面共振碎石化施工屬于高頻低幅穩態振動，其振動主頻平穩，常為46～50 Hz，其對橫向地表和豎向地下結構物的影響可以參照打樁、振動沖擊等基礎施工對建筑結構影響的容許振動值。因此，本試驗作為判別結構物與振源之間的安全距離的振動參數為：① 振動加速度最大值≤ 0.98 m/s2；② 共振破碎振動主頻為50 Hz左右。③ 振動速度峰值上限為6 mm/s。當依據振動加速度和振動速度所確定的振動影響安全距離不一致時，為確保施工安全，取兩者間距離較大的為安全距離。

3.2 橫向地表振動對結構物影響

根據表1的共振破碎橫向地表振動響應峰值測試結果，可繪制振動加速度峰值及振動速度峰值隨橫向距離的變化關系，如圖6所示。通過回歸分析對比，可優選指數函數，來建立共振破碎地表橫向振動響應傳播的衰減關系模型。

圖6 地表振動響應峰值隨橫向水平距離變化關系Fig.6 Relationship between surface vibration response peak and transverse horizontal distance

振動加速度衰減模型：

振動速度衰減模型：

式中：amL為地表振動加速度峰值，m/s2；vmL為地表振動速度峰值，mm?s-1；L為測點與振源間的橫向水平距離，m；n為測點數，個；R2為判定系數。

這2個模型的判定系數R2均超過0.97，且指數部分的系數均為負值，表明共振破碎產生的地表振動響應的振動加速度和振動速度的峰值與振源的橫向水平距離之間均具有顯著的指數函數負相關性，即距離振源越近，其振動響應衰減越快。為保證共振碎石化施工安全性，建立橫向水平距離L與地表振動加速度峰值amL及速度峰值vmL之間的關系模型，其表達式為：

式中：k1、b1、k2、b2分別為模型參數。

取95%的置信水平，得到式（3）與式（4）中距離L與amL、L與vmL之間的回歸結果，見表4。由表4可知，式（3）～（4）的判定系數R2均超過0.97，表明橫向距離L與amL及vmL之間具有顯著的對數函數關系。

表4 橫向距離與振動響應峰值的回歸結果Table 4 Regression results of transverse horizontal distance with vibration response peak

當采用加速度最大值0.98 m/s2作為共振破碎地表振動對臨近結構物的安全控制標準，且置信水平為95%時，由式（3）的振動衰減模型可計算得到，對應的安全距離的置信區間為5.48～6.06 m；當以振動速度峰值上限6 mm/s作為控制標準，且置信水平為95%時，由式（4）的衰減模型得到對應的安全距離置信區間為0.89～2.43 m。考慮到振動加速度指標的標準應更高，所以取地表橫向振動影響的安全距離不應小于6.1 m。

共振碎石化施工為條帶狀作業，涉及的臨近結構物較多，可提前對振動影響安全距離范圍內的結構物進行標識，必要時設置隔振溝或應力釋放渠，以避免路側結構物被共振破碎施工產生的振動影響，引發安全事故。

3.3 地層豎向振動對結構物影響

按照表3共振破碎豎向地層振動響應峰值測試結果，可繪制振動加速度峰值隨豎向垂直深度傳播的變化，如圖7所示。共振破碎區地層振動加速度峰值隨深度的增加呈現反S形曲線減小，通過回歸分析對比，可優選相應的衰減模型為：

圖7 地層振動加速度峰值隨豎向垂直深度變化關系Fig.7 Relationship between stratum vibration acceleration peak and vertical depth

式中：amH為地層振動加速度峰值，m/s2；H為測點距振源的豎向垂直深度，m。

式（5）的判定系數R2超過0.98，表明共振破碎的地層振動加速度峰值與振源豎向垂直深度之間具有顯著的反S形曲線相關性。從圖7可以看出，豎向深度在0.4～0.6 m時，其衰減速率最快，為22.73g/m，而在0～0.2 m時，其衰減速率較慢，為9.68g/m；距振源豎向深度大于1 m后，隨著垂直深度的增加，振動加速度峰值逐漸趨近于0；共振破碎的地層振動影響主要存在于破碎區地下0～1 m，其衰減速率明顯快于橫向地表振動響應衰減速率，這是由于地層存在幾何阻尼衰減和土體材料阻尼衰減，在近源處幾何阻尼衰減起到主體作用，傳播時振動面變大導致能量分布稀疏，同時由于土體材料顆粒間的摩擦與相對運動造成振動能量耗散，從而振動響應快速衰減。

式（6）為豎向垂直深度H與地層振動加速度峰值amH之間的關系模型，據式（6）計算95%置信水平下各參數的置信區間，結果見表5。

表5 豎向垂直深度與加速度峰值的回歸結果Table 5 Regression results between vertical depth and acceleration peak

式中：k3、b3、c分別為模型參數。

當以振動加速度≤0.1g作為共振破碎振動對地下結構物的安全影響控制指標時，由式（6）可得到對應安全距離的置信區間為0.85～1.22 m，即可推斷地層振動影響安全深度不應小于1.3 m。對于存在地下管網或檢查井等其他結構物路段，若埋深在豎向安全影響范圍外，可直接進行共振破碎施工作業，否則應在施工前做好調查與標記，考慮到隔振措施復雜且造價較高，共振破碎時可采取漏振的措施處理。

4 結論

1） 舊水泥混凝土路面共振破碎引起的振動在橫向地表范圍具有穩態振動特征，振動響應時程曲線呈棒槌狀，且頻譜特征非常顯著，振動響應主頻集中在46～50 Hz，且在1倍主頻與2倍主頻處均出現次波峰；橫向地表振動加速度峰值及速度峰值與橫向水平距離之間均呈顯著的指數函數負相關性，橫向距離4.0～5.6 m范圍的振動響應衰減顯著，且速度峰值隨橫向距離衰減更為明顯。

2） 共振破碎的豎向地層振動響應時程曲線呈陀螺形，振動響應的主頻因路基路面材料不同有所變化，最終穩定在49 Hz左右；地層振動加速度峰值與豎向垂直深度之間具有顯著的反S形曲線負相關性，豎向地層振動響應衰減速率高于橫向地表振動衰減速率。

3） 可取最大振動加速度為0.98 m/s2、最大振動速度為6 mm/ s作為共振破碎振動影響范圍的安全控制標準，相應的破碎區臨近結構物離振源的水平距離應不小于6.1 m，地下結構物埋深應不小于1.3 m。