强夯振动测试与隔震处理效果分析

邹超群，黎良杰，王小波

(中航勘察设计研究院有限公司， 北京 100098)

目前，很多建筑场地分布在回填土、新近吹填土等较为松散地层区域。这些场地一般都具有面积大、地基承载力低、均匀性差、压缩性高、具湿陷性、变形持续时间长等特点，在外荷载作用下，所产生沉降及次固结沉降变形一般都较大，难以满足建设工程的设计要求[1]。因此，对上述这些回填土或新近吹填土地基场地，需要进行地基处理。

强夯法亦称为动力固结法[2]，是法国梅那德技术公司首创的一种地基加固方法，其加固地基原理主要是强大的夯击能在地基中产生强烈的冲击波和动应力对土体作用的结果[3]，通过重锤提至一定高度后自由落下，其动能在土体中转化成很大的冲击波和高应力，从而提高地基土强度、降低地基压缩性、消除湿陷性等[4]，强夯法在国内外地基处理中得到了广泛的应用[5]。强夯法加固地基具有设备简单、效果显著、经济易行、原理直观、施工周期短、适用范围广、节省材料等优点[6]，在我国很多削山填谷、人工造地工程上也得到了广泛的应用。

强夯作为一种夯击振源，会产生强大的冲击波(包括体波和面波)，从夯击点沿着地表面向四周传播，对附近建(构)筑物带来有害影响[7]。有些大型项目采用分期投资建设，建设周期长，通常3～5 a甚至更长时间，在后续的建筑物地基处理施工过程中，将会面临强夯对相邻已建构筑物产生振动影响。此外，也有很多工程场地临近构筑物区，其产生的振动效应影响周边构筑物的安全[8]。因此，本文根据实际工程所处的环境条件，通过现场振动测试试验，分析在强夯振动下临近范围的振动响应特征，着重探讨强夯振动的影响范围及其衰减规律，提出强夯安全施工距离及有效的减振隔振措施，为后续临近场地的设计、施工提出指导性的处理方案。

1 强夯现场试验

1.1 试验场地条件

试验场地地势较平坦，无其它障碍物，通视条件较好。强夯试验场地选在具有代表性地层2个不同区域(两场地相距较远)。地基土表层为鱼塘或原状天然地面回填后的砂土地基，其下为一般第四纪全新统的粉质黏土、砂类土，以下为第三纪基岩。各层土从上到下分别为：①素填土、②粉质黏土、③中砂、③-1中砂、④粗砂、⑤粉质黏土。总体上地层性质较均匀，土层物理力学性质较好，无软弱夹层。场地地层主要性质见表1、表2。

表1 场地一地层主要参数表

注：地下水埋深条件：稳定水位深度为3.10 m～3.80 m。

表层堆填的①素填土层厚约2.0 m～5.0 m，回填材料以河砂(中砂)为主，含量约占80%，其余为粉砂及黏性土。为满足表层地基土的地基承载力，减少后期沉降量，提高地基的密实度，地基处理方案采用强夯处理工艺。

表2 场地二地层主要参数表

注：地下水埋深条件：稳定水位深度为2.00 m～3.20 m。

1.2 强夯振动波速试验

分别在两个场地进行不同能级的单点夯振动测试试验。根据测试数据，分析其质点振动波速、加速度、衰减距离及振动主频变化规律及特征。

(1) 不同能级下地面质点波速响应。强夯施工过程中，强夯夯击地面产生的振动波形式向周围传递，从而对周围已建构筑物产生不利影响。本试验选择在未建厂房区域及临近有已建构筑物区域分别进行强夯振动测试，第一个区域为空旷场地的强夯测试，强夯能级分别为1 000 kN·m、2 000 kN·m、3 000 kN·m；第二个区域临近存在已建构筑物，强夯测试点距建筑物边线距离为70 m，为了确保已有构筑物的安全，强夯能级1 000 kN·m、2 000 kN·m(为安全考虑，未进行3 000 kN·m能量级试验)，通过监测获得强夯振动波的速度随距离的衰减规律[9]，以确定相同场地条件下不同夯击能对构筑物的安全距离。

测试地面质点振动在距离距振源分别为10 m、20 m、30 m、50 m、70 m、100 m处时径向波速vr。地面振动测试点平面布置见图1。

图1地面强夯振动试验平面图

每夯击一次监测6个测点，每个测点测试2个方向(沿纵波径向方向以及沿纵波切向方向)，共布置12个传感器。拾振测试仪器型号为891-Ⅱ型速度传感器，采用24位INV3060S型网络分布式同步采集仪，结果见图2～图6。

由图2～图5可知，场地一及场地二地质条件不同，但二者在强夯条件下呈类似的衰减规律，即随距离的增大，土体振动速度减小，衰减速率也逐渐减小。强夯前4击时，相同点的质点振动速度随夯击次数的增加而增加，且增加幅度比较明显，主要原因强夯前土体比较松软，随着夯锤击数的增加，土体愈加密实，致使夯击过程中冲击能转化为土体的变形能的过程中，更多的以振动波的形式向四周进行传播。

图2 场地一1 000 kN·m强夯振动速度峰值随距离的关系曲线

图3 场地二1 000 kN·m强夯振动速度峰值随距离的关系曲线

图4场地一2000 kN·m强夯振动速度峰值随距离的关系曲线

同时，从图中看出，在其他因素相同的情况下，夯击数达到5击之后，相同点的质点振动速度随夯击次数的增加，振动速度增长开始变缓，逐渐趋于一致，说明在夯击次数5击之后试验区域的土体已经达到该能级强夯下的最佳加固效果，即试验区域土体的最佳夯击数为5击。

图5 场地二2 000 kN·m强夯振动速度峰值随距离的关系曲线

图6场地一3 000 kN·m强夯振动速度峰值随距离的关系曲线

(2) 不同能级地面质点振动速度与震源距离r的关系。选取场地一地层条件，在强夯能级分别为1 000 kN·m、2 000 kN·m、3 000 kN·m时，试验强夯振动传播随距离的变化规律[10]。

根据地面质点随锤击次数变化的结果，选取锤击5次之后相同点质点振动速度的平均值进行分析。

从图7中可以看出，随着强夯能级的增加，夯击过程中部分能量被土体吸收的同时，剩余能量以波的形式向周边传递，在相同条件下质点的振动速度随强夯能级的增加而增大。

图7不同能级下强夯振动速度平均值随距离的关系曲线

由于地基的阻尼作用，相同质点在50 m范围之内夯击振动具有随距离快速衰减的特点[11-12]，随着距离的增加，在50 m范围之外质点振动速度趋于一致。说明在3 000 kN·m能级范围内，质点的振动速度在50 m范围内变化较大，超过这一距离趋于稳定。

(3) 地面质点振动加速度与夯击次数的关系。从图8～图10中可以看出，当夯击次数在第5击时，实测振动加速度上升到极值。说明夯击数达到5击时，土体已经达到该能级强夯下的最佳加固效果，较之振动速度与震源距离r关系的分析结果是一致的。

图8 1 000 kN·m强夯振动加速度峰值随夯击数的关系曲线

图9 2 000 kN·m强夯振动加速度峰值随夯击数的关系曲线

图10 3 000 kN·m强夯振动加速度峰值随夯击数的关系曲线

(4) 振动主频。强夯所产生的振动主振频率是指振动频谱中振幅最大的谐波分量的频率，是影响临近构筑物的一个重要参数[13]。夯击引起的质点振动是由多种不同频率、相位和振幅的简谐振动叠加而成，是一个脉冲振动过程。频谱分析的目的是要避免构筑物发生共振，即避免构筑物的固有频率等于强夯振动的主振频率。

本次试验不同能级振动主频实测结果见表3。

表3 不同能级振动主频实测结果

从表3中可以看出，强夯产生的振动主频率大部分处于10 Hz以下，只有个别10 Hz以上，3个能级的主频均为小于15 Hz的低频能量。通过实测的主频，可参考规范《爆破安全规程》[14](GB 6722—2014)关于振动对建筑物影响的安全标准对监测得到的强夯振动对目标建筑物的影响进行评价。

2 隔振沟效果试验

对周边有临近构筑物的强夯场地，为减少对已有建筑物的振动影响，主要方法是通过减少强夯能量或设置隔振沟来降低对周边构筑物的影响[15]。工程实践表明，开挖隔振沟在很大程度上有助于降低振动波的能量，隔断振动波的传递。

本次试验选择场地一附近区域，根据地勘报告，场地内地层结构45.0 m范围内为人工填土层、淤泥层，其下为一般第四纪全新统的黏性土和砂土，本次试验场除存在约2.0 m厚①-3淤泥外，其余地层参数详见表1。

本次试验重点测试两个不同深度的隔振沟周边的振动数据，分析隔振沟在实际工程中的隔震、减震效应。

在隔振沟侧进行2 500 kN·m能级的单点强夯振动试验。隔振沟深度选为2.2 m、3.8 m，通过单点强夯试验分析隔振沟对强夯振动传播的作用效应。隔振沟对强夯振动传播作用效应测试平面布置见图11。

夯击试验过程中选在隔振沟两侧地面上布设六组拾振器，分别监测强夯振动波速度波形曲线，监测点分设在距离夯锤中心15 m、30 m、45 m位置处。此次试验共分为两组。第一组隔振沟试验参数为深度2.2 m，宽度1.5 m，长度30 m，夯锤中心距隔振沟上口线3 m。第二组隔振沟参数为深度3.8 m，上口宽6.6 m，下口宽80 cm，长度30 m，夯锤中心距隔振沟上口线3 m。

图11隔振沟对强夯振动传播作用效应测试平面布置图(单位：m)

通过对上述强夯试验数据进行分析处理，得出隔振沟两侧不同位置强夯振动波波速大小曲线关系。

结果表明隔振沟深度3.8 m时，距夯锤中心15 m处，有隔振沟侧较无隔振沟侧，质点振动速度平均衰减了60.37%。距夯锤中心30 m处，质点振动速度平均衰减了42.08%。

隔振沟深度2.2 m时，距夯锤中心15 m处，有隔振沟侧较无隔振沟侧，质点振动速度平均衰减了28.86%。距夯锤中心30 m处，质点振动速度平均衰减了7.28%。

以上结果表明开挖隔振沟对振动波速的衰减效果明显，开口的隔振沟能够起到隔振减震的作用。其次，隔振沟的深度越深，对振动波带阻隔的效果越好，受现场试验条件的限制，未能获得隔振沟的临界深度。

两次试验中，距离夯锤中心45 m处，有隔振沟侧和无隔振沟侧质点振动速度均趋于一致，衰减已经很微弱，说明在这一试验场地,强夯夯击能为2 500 kN·m条件下，其振动影响距离约为45 m。

3 结 语

在试验场地的地层条件下，通过现场强夯测试，得出以下几个结论：

(1) 强夯产生的振动主频率大部分处于10 Hz以下，只有个别10 Hz以上，3个能级的主频均为小于15 Hz的低频能量。

(2) 相同质点在50 m范围之内夯击振动具有随距离快速衰减的特点，随着距离的增加，在50 m范围之外质点振动速度趋于一致。说明在3 000 kN·m能级范围内，质点的振动速度在50 m范围内变化较大，超过这一距离趋于稳定。

(3) 通过设置2个不同深度的隔振沟测试试验，结果表明开挖隔振沟对振动波速的衰减效果明显，开口的隔振沟能够起到隔振减震的作用。其次，隔振沟的深度越深，对振动波阻隔的效果越好。

参考文献：

[1] 常士骠，张苏民．工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2] Menard L Broise Y. Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1975,25(1):3-18.

[3] 薛 玉，韩晓雷，水伟厚，等.8000 kN·m能级强夯处理湿陷性黄土实践研究[J]．水利与建筑工程学报，2008，6(2)：8-10.

[4] 王智合．强夯法加固大面积素填土与液化土地基应用研究[J]．水利与建筑工程学报，2015，13(2)：197-200．

[5] 王颖蛟，郑小艳．夯锤形状对强夯加固效果的影响[J]．水利与建筑工程学报，2013，11(4)：116-118.

[6] 洪 希.强夯法地基加固机理与工程应用研究[D].武汉：中国地质大学,2010：1-2.

[7] 倪永军，滕忻利，张雪峰,等．强夯地振动统计分析与评价[J].北京交通大学学报,2008,32(4):78-82.

[8] 方 磊，经 绯，刘松玉．强夯振动影响与构筑物安全距离研究[J].东南大学学报(自然科学版)，2001，31(3):29-32.

[9] 何长明，邹金锋，李 亮.强夯动应力的量测及现场试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(4):628-632.

[10] 付 浩，于开宁，赵 健，等.不同施工参数下海漫滩回填地基强夯及强夯置换对比试验研究[J].施工技术,2017,46(19):49-54.

[11] 李 润，简文彬，康荣涛．强夯加固填土地基振动衰减规律研究[J].岩土工程学报,2011,33(S1):253-257.

[12] 文思强，李云鹏，马 康.强夯能量利用率反演及加固影响范围研究[J].岩土力学，2015，36(S2):185-192.

[13] 安惠泽，许兆义，冯瑞玲．某站场地基强夯振动影响范围研究[J].北京交通大学学报，2010，34(1)：50-53.

[14] 中国工程爆破协会.爆破安全规程：GB 6722—2014[S]．北京:中国标准出版社，2003.

[15] 韩云山，段 伟，安 明，等.强夯振动效应研究[J]．施工技术，2015，44(5)：111-116.