双减振沟强夯减振实验研究*

郭 宏，王 璇，董彦莉，赵 栋

(中北大学 理学院，山西 太原 030051)

0 引 言

强夯法为常见的地基处理技术，自从20世纪70年代引入我国以来，以其原位处理的明显技术优势得以迅速发展和推广，当前强夯的夯击能量最大可达15 000 kN·m(锤重达300 t，落锤高度达50 m). 强夯法是通过夯锤自由落下的冲击能量对地基土体进行夯实[1]，普通的强夯施工锤重一般为8～30 t，落距一般为8～25 m，与土体接触后产生2 000～6 000 kN·m的冲击能. 本文的实验场地属于湿陷性黄土，采用的是动力固结法[2-3]. 采用强夯法处理后，地基土土层均匀性和强度都有提高，土体的压缩性和差异沉降都有所降低. 强夯法处理地基工程成本低、工期短，但强夯产生的面波会引起土体表层的松弛变形，对周围建筑物安全造成威胁[4]，强夯多用在郊外及建筑物、地下管线稀少的地方，在城镇地区难以广泛应用. 在保证强夯质量的前提下减少强夯振动影响可扩大强夯的使用范围. 减少强夯对周围的影响主要是削减瑞利波的传播，根据强夯振动衰减规律[5]和减振形式[6]，在施工场地受到限制时常采用锥形置换锤法[7]和设置减振沟的措施减少强夯振动影响. 减振沟可有效削弱、过滤瑞利波，减小强夯振动速度对建筑物、构筑物的影响，达到减振目的. 我国对强夯安全允许振速的研究主要参照《爆破安全规程》[8]相关规定. 锥形置换锤[9]效率低、夯击能小，使用范围受限； 减振沟[10]措施因成本低、工期短、效果好而广泛应用，但当建筑物与强夯施工区距离较近，单减振沟不能满足减振要求.

减振沟的减振效果与其深度有关，一般地，开挖深度越大其效果也越好[11]. 工程中考虑到施工能力、成本投入及后期沟渠恢复的难度等因素，沟渠深度一般不超过6 m，而沟渠宽度对减振效果基本不影响[12]. 工程实践中通常使用一条减振沟减振，在建筑物与强夯施工区距离较近，一条减振沟减振不能满足减振要求时，往往放弃强夯改用其他地基处理方式，不仅成本高而且延误工期.

本文研究在一条减振沟不能满足要求的情况下，在其旁平行开挖第二条沟渠时，两条减振沟的减振情况. 通过检测不同情况下强夯引起的地面振动速度及频率，验证了强夯振动特征及衰减规律，对比分析无减振沟、单减振沟、双减振沟三种情况振动速度的衰减规律，探讨单减振沟、多减振沟对减少强夯振动影响的效果.

1 减振沟减振实验

1.1 实验场地概况

检测场地位于大学城相邻位置，大学城地处晋中北山山前倾斜平原，场地的密实度为稍密-中密，场地湿陷性程度为轻微-中等. 场地表层土为后期填土，土体均匀性不一致； 第2层为黄土状粉土，中等压缩性，3.5 m厚； 第3层为粗砂粒，中密，局部夹杂； 第4层为粉土，中等压缩性，5 m厚； 第5层为粉质粘土，中等压缩性，厚度不确定. 根据场地土情况决定采用强夯法处理整个场地.

1.2 振动测试方案

分两次实验，第一次实验测试与地面水平和垂直方向上的振动速度，记录了3 000 kN·m, 4 000 kN·m, 5 000 kN·m的夯击能及2.5 m和1.2 m锤径等不同情况下的夯击振动数据. 第二次实验由于场地附近施工条件限制，只测试记录了2.5 m锤径与3 000 kN·m夯击能情况下的水平振动速度和振动频率等数据.图 1 是夯击点强夯作业.

1.2.1 检测仪器

第一次检测实验的主要仪器是DH-5956型16通道动态信号采集仪和DH610速度传感器； 第二次检测实验的主要仪器是RSM-PRT型基桩动测仪和891-2型拾振器，测试了场地周围夯点和测点的振动速度和频率. 数据处理软件为DHDAS数据采集系统，具有数据采集和基本统计分析功能.图 2 为振动测试系统组成.

图 2 振动测试系统组成Fig.2 Vibration testing system

1.2.2 测点及减振沟布置

图 3 与图 4 为两次实验时减振沟位置设置和夯点、测点位置布置图，两道沟渠均为深度6.0 m，宽度1.0 m，长度51.2 m, 每个强夯点均夯击4次, 夯击能级为3 000 kN·m. 夯点的绝对高程是828 m，而测点的绝对高程是826 m处.图 3 为设置单减振沟时夯点与测点的布置图，其中1′号测点在减振沟1′左侧0.5 m处，2′号测点在减振沟1′右侧0.5 m处. 为了对比研究单、双减振沟减振效果，进行第二次试验，图 4 为设置双减振沟时夯点与测点的布置图，开挖两条相同的减振沟，1号和2号测点拾振器分别安装在减振沟1前后各0.5 m处，3号和4号测点拾振器分别安装在减振沟2前后各0.5 m处，5号测点的拾振器设在4号测点右侧5 m处.图 5 为现场开挖的减振沟.

图 3 单减振沟时夯点和测点布置图Fig.3 Layout of tamping points and detection points in the single vibration reduction trench

图 4 双减振沟时夯点和测点布置图Fig.4 Layout of tamping points and detection points in the double vibration reduction trench

图 5 现场减振沟Fig.5 Vibration reduction trench in the field

1.3 监测结果

第二次实验由于条件所限采集了5个测试点的振动数据，为了便于分析比较，第一次试验只采用了锤径2.5 m，3 000 kN·m夯击能的数据. 两次实验对1′号夯点、1号夯点、2号夯点都进行了4次夯击，从4组数据中选取了质量较好的第2组数据进行研究. 第一次实验的结果如图 6 和表 1 所示，第二次实验的结果如图 7～图 9 所示，图 10～13 为第二次实验第2组强夯振动速度典型时域曲线图. 设置单减振沟和双减振沟的对比结果如表 2 所示.

图 6 1′号夯点振动速度随距离变化的曲线Fig.6 The curve of vibration velocity and distance for 1′ tamping point表 1 不设减振沟和设单减振沟的检测结果Tab.1 Test results of no and single vibration reduction trench

测试组别测点距离l/m振动速度v/(cm·s-1)不设减振沟设单减振沟1'号夯点1'号1447.5245.872'号1643.5514.443'号3018.898.964'号4014.786.265'号5011.294.396'号6010.063.817'号709.562.10

图 7 1号、2号夯点设单减振沟时振动速度随距离变化的曲线Fig.7 The curve of vibration velocity and distance in single vibration reduction trench for 1 and 2 tamping point

图 8 1号、2号夯点设双减振沟时振动速度随距离变化的曲线Fig.8 The curve of vibration velocity and distance in double bibrationn reduction trench for 1 and 2 tamping point

图 9 2号夯点设置单、双减振沟时振动速度随距离变化的曲线Fig.9 The curve of vibration velocity and distance in single and double vibration reduction trench for 2 tamping point

图 10 1号夯点在1号测点的振动速度典型时域曲线图Fig.10 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 1 detection point

图 11 1号夯点在2号测点的振动速度典型时域曲线图Fig.11 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 2 detection point

图 12 1号夯点在3号测点的振动速度典型时域曲线图Fig.12 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 3 detection point

图 13 1号夯点在4号测点的振动速度典型时域曲线图Fig.13 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 4 detection point表 2 单减振沟和双减振沟的检测对比结果Tab.2 The test results in single and double vibration reduction trench

测试组别测点距离l/m振动速度v/(cm·s-1)不设减振沟设单减振沟测试组别测点距离l/m振动速度v/(cm·s-1)不设减振沟设单减振沟1号夯点1号602.6002.6052号620.8320.8573号830.4160.4074号850.4050.2425号900.3960.2312号夯点1号307.9717.9732号321.9001.9033号531.1191.1144号551.1130.2865号601.1060.265

2 实验结果分析

2.1 不设置减振沟特征分析

第一次实验结合图6和表1中的数据，在不设置减振沟情况下，从1′号测点到7′号测点距夯点越远振动速度越小，在7′号测点测得振动速度是9.56 cm·s-1，仍超过了安全允许振速.

强夯振动产生破坏性能量，这些能量主要通过瑞利波携带并向四周传播[13]. 在不设减振沟，没有任何隔振措施的情况下，瑞利波的传播衰减缓慢，是一个自然衰减过程. 在这种情况下强夯引起的振动速度只是由于水平距离增加而产生自然衰减，衰减幅度较小，越靠近夯击点衰减幅度越大，与夯击点距离越远衰减越趋平缓.

2.2 设置单减振沟特征分析

第一次实验结合图6和表1中的数据，设置单减振沟时，1′号测点是经过减振沟前的测点，测得振动速度是45.87 cm·s-1，2′号测点为经减振沟衰减后的测点，振动速度是14.44 cm·s-1. 振动速度经过单减振沟削弱后，比不设减振沟时衰减了近69%. 2′号测点在不设置减振沟和设置减振沟时的振动速度分别为43.55和14.44 cm·s-1，由两组数据对比分析得设置单减振沟对振动速度的削减作用比不设置减振沟提高了67%.

而第二次实验图7和表2中数据，1号夯点的振动速度在单减振沟前是2.605 cm·s-1，在单减振沟后是0.857 cm·s-1，单减振沟在距夯点60m处的减振效果为67%； 2号夯点在经过单减振沟前振动速度为7.973 cm·s-1，经过单减振沟后振动速度为1.903 cm·s-1，单减振沟在距夯点30 m处的减振效果为76%. 由实验数据得出，单减振沟设置距夯点越近，减振效果越好.

减少强夯振动对周围影响主要是削减瑞利波的传播，在夯击点与监测点间开挖沟渠可以起到削弱、过滤瑞利波的作用[14]. 开挖减振沟后，沟渠形成了局部孔隙并在其范围内阻断了瑞利波的传播，瑞利波的最强部分被其正面的沟渠阻断，但在沟渠的两端和下部土壤中瑞利波会继续传播、扩散[15]. 所以开挖减振沟后，强夯引起的振动速度会被大幅削弱，能够起到较好的减振的作用.

2.3 设置双减振沟特征分析

在夯击点与监测点间开挖沟渠，在沟渠的纵断面范围内瑞利波的传播可被有效阻断，但瑞利波通过沟渠的两端和下部土壤继续传播、扩散，已经被大幅削弱的瑞利波在传播过程中遇到第二条沟渠，会被再次削弱. 强夯振动速度通过两道减振沟后，被更大幅度削弱. 在第一条减振沟的平行方向设置第二条甚至多条减振沟会有更好的减振效果.

第二次实验中，设置双减振沟时，1号夯点的强夯振动在1号测点位置振动速度为2.605 cm·s-1，而在4号测点位置振动速度为0.242 cm·s-1. 设置单减振沟时，1号夯点的强夯振动在4号测点位置振动速度为0.405 cm·s-1，在距夯点85 m处由于周围设置双减振沟比设置单减振沟对振动速度的削弱作用提高了40.2%. 在85 m处的测点检测时由于周围正在进行混凝土施工，其测试数据受干扰较大，检测结果成因复杂，弃用该组数据. 而设置双减振沟时，2号夯点的强夯振动在1号测点测得振动速度为7.973 cm·s-1，在4号测点振动速度为0.286 cm·s-1，设置单减振沟时，2号夯点在4号测点测得的振动速度为1.113 cm·s-1，在距夯点约55 m处设置双减振沟比设置单减振沟对振动速度的削弱作用提高了74.3%. 由1号、2号夯点的数据分析可知，双减振沟的减振效果比单减振沟提高很多，且距夯点越近越好.

2号夯点的减振沟位置比1号夯点近，无论是单减振沟还是双减振沟对振动速度的削减作用，2号夯点都比1号夯点明显. 双减振沟的设置和单减振沟一样，都是距夯点越近振动速度衰减越快. 2号夯点的减振效果明显，选取2号夯点的振动数据进行对比分析如图 9 所示.图 9 中设置单减振沟的曲线仅在31 m处有一次衰减幅度为76.8%的突变，设双减振沟的曲线在31 m处和54 m处有两次突变，衰减幅度分别为76.1%和74.3%，其余时刻曲线平缓下降较小，振动速度仅在设置减振沟前后大幅下降. 设置单减振沟对振动速度的削减作用不如双减振沟. 由于场地条件限制，测点数据较少，有关研究还需进一步实验证实. 在工程中，当建筑物与强夯区距离较近或减振要求较高需要更大幅度减小振动速度时，可以开挖双减振沟.

3 结 论

本文根据实验数据分析了强夯振动特征及衰减规律，探讨了单减振沟、双减振沟对减少强夯振动影响的效果.

1) 一般地，在相同的距离、地质条件下，振动速度与强夯能级呈正相关，能级越大，振动速度也越大. 不设置减振沟时，振动速度衰减较慢，仅因距夯点水平距离的增加而减小. 强夯产生的破坏性能量主要由瑞利波携带并扩散，减振沟可以阻断、过滤瑞利波. 在夯击点与检测点间每设置一条沟渠，就可以在自由面减少一次透射. 单条沟渠可衰减近67%的瑞利波，已经被大幅削弱的瑞利波在传播过程中遇到第二条沟渠，再减少一次透射，又衰减了将近74%的瑞利波. 经过多道减振沟的削减，强夯振动速度被多次大幅度削弱.

2) 强夯振动速度仅在设置减振沟前后大幅下降，平行设置双减振沟比单减振沟能更有效削弱振动速度. 第一道减振沟设置在距夯点30 m处，对振动速度的削弱作用比不设置减振沟能提高76.8%； 第二道减振沟设置在距夯点50 m处，对振动速度的削弱作用比设置第一条减振沟提高了74.3%.

3) 设置两道甚至多道减振沟会有更好的减振效果，其中双减振沟可以在单减振沟削弱振动速度的基础上再次削弱70%以上，且距离夯点越近效果越好. 在建筑物距强夯点较近、施工场地受限时，需要更大幅度削弱振动速度时可采用双减振沟甚至多减振沟措施.

4) 减振沟减振成本低、工期短、质量可靠，但设置减振沟时除了考虑减振效果、现场条件、施工能力等因素外，还应该考虑减振沟的后期恢复及可能产生的回填不密实、沉陷不均匀等二次 “污染”，所以减振沟的位置、深度、数量最好结合未来的永久设施如地下管廊、管道沟等的位置、深度确定.