北京园博园回填土地基强夯振动效应测试研究

袁鸿鹄，刘爱友，姜 晶，李云鹏

(1.北京市水利规划设计研究院，北京 100048;2.中国石油大学 机械与储运工程学院 安全工程系，北京 102249)

0 引言

强夯法作为一种有效的地基加固技术而被广泛应用，因夯击时对地基瞬时传递较大能量，一方面可使夯击点及其一定范围内的土体压密、孔隙比减小、地基承载力增高，达到加固地基的目的;而另一方面因强夯冲击会产生大的噪音和较强烈的振动波，对周围地质环境、工程结构安全稳定产生很大影响和危害。对此土木工程界就此开展了大量的研究工作，并在理论、监测及工程实践方面取得了诸多重要研究成果。如对碎石场地强夯施工过程中实施地面振动加速度实时监测，得到碎石土地基在强夯施工时的加速度衰减规律［1］;通过强夯振动机理的分析对强夯施工环境振动影响的测试仪器的组成和测试的方法，并对邻近建筑物受强夯振动影响进行了评价研究［2］;对强夯法加固地基机理的数值分析中存在的几何非线性情况，采用非线性动力有限法对强夯动态响应进行了分析［3］;对在碎石土回填地基上采用高能级强夯进行了试验研究［4］;根据强夯处理高填方时土体存在局部大变形的特点，导出弹塑性大变形有限元动力平衡方程，并对高填方时土体强夯处理进行了数值模拟，得到夯坑形状、土体应力变化及塑性区演化等结果［5］;采用动力接触有限元法分析了强夯对地基土的冲击碰撞过程，并对模拟中存在的问题进行了探讨研究［6］;另外，还有大量的研究成果［7，8］，在此不再赘述。尽管如此，由于强夯加固效果及其对环境的影响不但与强夯加固技术有关，而且与加固区域地层环境条件有很大关系。本文依托北京园博园水质净化工程，就其松散杂填土地基的强夯加固效应及其对周围地质环境影响规律实施现场动态测试试验研究，对点夯夯击效应和遍夯夯击叠加效应进行系统分析，探讨研究松散杂填土地基的强夯加固效应及对周围环境的影响范围，为周围构筑物及环境保护措施设计提供参考依据。

1 园博园湿地环境概况

园博园湿地水质净化工程位于永定河莲石路下游右岸老滩地上拟建园博园南端，占地面积约40 万m2。园内湿地总体地势西北高东南低，地面高程最低处63.09 m，最高处72.06 m。历史上曾大量开采砂卵石作为建筑用砂砾料，并在该地留有许多砂卵石坑，后期这些砂卵石坑多被回填，回填土厚度4.6～16.3 m 不等，填土成份以建筑垃圾、生活垃圾、筛分砂砾料的弃料(即级配不好的卵砾石)等为主，表层和层间还有上游电厂冲下的粉煤灰等，成份复杂，物理力学性质不均一，分布范围及深度具有随机性和不确定性，且该杂填土结构相对松散，局部有架空现象，在遇水或震动作用下会产生沉陷或震陷，产生地基的不均匀沉降，从而可能造成湿地防渗体结构破坏。

试验场地位于湿地西侧，依据前期勘察报告以及实地测斜钻孔的数据，试验区域地层岩性自上而下具体为:杂填土，稍湿，松散—稍密，成份以粉土和砂土为主，约占40%～50%，房渣土约占30%～40%，含少量生活垃圾，厚度4.60～5.20 m，天然含水率较低，约为13.6%，现场注水试验测得渗透系数为2.24×10－3～37.20×10－3cm/s，属于中等—强透水地层;粉土层，褐黄色，稍湿，稍密，层厚约0.50 m;细砂层，褐黄色，稍湿，中密，层厚约3.00 m。卵砾石层之下为第三系始新统长辛店(E2c)组泥岩和砾岩。

场地地下水位埋深16.00～19.10 m，近年地下水年降幅为0.5～1.0 m/年。现场在深度为地面以下约0.5～2.0 m 内进行注水试验，获得杂填土层渗透系数约为2.24×10－3～37.20×10－3cm/s，为中等—强透水地层。

2 强夯振动波现场测试方案设计

2.1 测试研究内容

强夯施工对地层的影响，最为明显的标志就是位移变化和振动，位移包括沉降和水平位移，振动则包含纵波和横波的参数变化，在尽量不影响夯击区域地层特性的情况下进行强夯过程中的位移和振动实时测试。本文的重点是关于松散杂填土地基的强夯加固效应，振动波传递规律，对周围环境影响范围，以及振动影响安全距离等方面的探讨研究，关于强夯夯沉量、地表沉降、深层水平位移等研究将有另文报道。

2.2 测试点布置

测试场地临近公路，且存有大量堆积填土，如图1所示。

图1 实测区域及测点位置示意Fig.1 Map showing the measuring area and locations of measuring points

为了尽量保证夯击以及测试结果的可靠性，夯击区域选择了没有堆土的空地。强夯机锤重21 t，锤直径2.4 m，落距15 m，夯击能量约为3 000 kN·m，在夯击点一侧按一定间距布置1 条振动实测线，各测点及强夯点位置如图1 所示，其中夯击点的编号代表夯击次序，实测点传感器安放如图2 所示。

图2 振动测量平台及仪器安放Fig.2 Vibration measuring platform and instrument placed

2.3 测试日程及频次

强夯振动测试试验时间由2012年4月10 日起至4月28 日止，共19 天。具体实测安排见表1 所示。

3 强夯振动波测试结果与分析

3.1 测试数据处理方法

强夯实验的振动信号采用DASP 智能数据采集系统采集振动信号，DASP(Data Acquisition and signal processing)软件虚拟仪器库是大容量数据采集与信号处理软件系统。其与INV303/306 系列智能信号自动采集处理分析仪配套，可方便快捷获取强夯振动信息。

强夯引起的地面振动属于低频(0～50 Hz)振动，为保证振动信号的保真度，测量时的采样频率为512 Hz，即约为原始信号最高频率的10 倍，满足采样定理。振动采样探头采用速度传感器，利用电磁感应原理测量附着物体的振动速度。在时域分析过程中可通过对时间的一次微分和一次积分分别获得振动加速度和振动位移。振动波的传播速度可通过测量各质点起振时间差(距离已知)来获得，典型突发型信号波形如图3 所示。

表1 测试日程安排及测试频次Table 1 Test schedule and test frequency

图3 典型突发型信号特征Fig.3 Characteristics of typical sudden signal

离散时域的傅里叶变换(DFT)是信号处理中的重要方法，然而，由于DFT 算法的运算次数过多，通常不宜直接应用在点数过多的信号分析中。为此，采用通过对时域中的振动位移信号做快速傅里叶变换(FFT)，可得到信号的频谱图。强夯振动信号的频谱较为集中，频谱峰值所对应的频率即为该振动的主要频率，阻尼比的计算采用半功率带宽法。对于单自由度系统，阻尼比ζ 等于主频两侧半功率点频率差Δω 的一半和主频ω0的比值，即ζ=0.5·Δω/ω0。

3.2 强夯振动测试结果分析

3.2.1 强夯振动测试结果

按第3 节中的测试方案，在点夯和遍夯试验中，获得了每击各测试点振动速度、加速度在地层中的传播规律曲线，由测试曲线分析可见，各测试点振动波相关信息由近及远逐渐衰减，其衰减规律基本上呈现负指数或负幂函数的降低形式。图4-图5 给出了8 个夯点7 次夯击时各测点振动速度和加速度沿X 向的衰减曲线，图中图标i-j，i 表示夯点，j 表示夯击数。

图4 X 向振动速度峰值图Fig.4 The peaks of vibration velocities in X direction

图5 X 向振动加速度峰值图Fig.5 The peaks of vibration accelerations in X direction

由图4-图5 分析可见，强夯振动能量在填土层中传播呈一逐渐耗散过程，振动波能流密度与传播距离呈反比关系。随着夯击次数增加，夯点下方土体不断被击实、压密，夯击能向外(远处)传递量增强。随着夯击次数的增加，同一测点测到的速度和加速度也在逐渐加大。而且振动速度和加速度沿水平X 向均大于其它两个方向，但此规律随夯击点不同有一定差异。

关于强夯振动影响范围的确定，可参考《爆破安全规程》(GB6722—2011)［9］，并借助爆破相关理论及萨道夫斯基公式，利用测试信息数据拟合给出夯击时强夯振动速度V 与传播距离R 之间的关系，即:

同理可得其它夯击下的强夯振动速度与传播距离之间的关系。

由上式分析可见，若已知强夯区域建筑结构的允许安全振动速度，可方便地给出在现有夯击能条件下，强夯加固区强夯振动的安全距离。如某结构的允许安全振动速度应＜10 mm/s，该强夯区强夯振动的安全距离应约为50 m，则在此区域内的建筑物应实施保护加固措施。

4 结论

(1)地基土强夯振动幅值、速度、加速度的变化规律与距离夯点的远近有关，对于较近点(4.7～5.68 m以内)的振动，三者均随时间迅速衰减，对于较远点(7.7 m 以外)来说，它们的变化规律为先增大后减小，且振动持续时间较长。

(2)振动位移峰值、速度峰值、加速度峰值随着振动波的传播距离而逐渐衰减，这种衰减大致呈现负指数形式。

(3)信号在传播过程中，高频成分衰减更快，因此主频将逐渐减小，这一点与外围实测数据规律一致，离夯点近的测点，其主频数据有差异。

(4)对于本场地房渣土，在50 m 处的振动速度、振动加速度量值均较小，分别为5～10 mm/s，1 m/s2，对普通建筑结构不会损伤破坏，该区的强夯振动影响范围应在50 m 左右。

［1］何立军，水伟厚，刘波.强夯施工引起的环境振动监测分析［J］.岩土工程界，2006，9(7):87－90.

［2］陆伟东，韩晓健，杨放.强夯施工环境振动影响的评价方法［J］.南京工业大学学报，2002，24(5):65－68.

［3］谢能刚，宋修广.基于几何非线性的强夯加固机理分析［J］.岩土工程学报，2003，25(4):472－474.

［4］水伟厚，王铁宏，朱建锋.高能级强夯作用下地面变形试验研究［J］.港工技术，2006(2):50－52.

［5］周世良，王多垠，吴友仁.强夯处理高填方的大变形有限元数值模拟［J］.应用力学学报，2008，25(1):89－93.

［6］蒋鹏，李荣强，孔德坊.强夯大变形冲击碰撞数值分析［J］.岩土工程学报，2000，22(2):222－226.

［7］言志信，王永和，江平，王后裕.爆破地震测试及建筑结构安全标准研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(11):1 907－1 911.

［8］褚宏宪，史慧杰.强夯施工振动影响评价［J］.地基基础工程，2004，7(11):78－80.

［9］GB6722—2011，爆破安全规程［S］.