工程施工振动影响评述及验证

郭嘉源，郑志华

(1.中铁三局天津建设工程有限公司，天津 300350；2.防灾科技学院，河北 三河 065201)

0 引言

近年来，公路、铁路或房屋建筑等工程施工活动引起的环境振动越来越受到关注。振动来源主要包括压路机、重载车、强夯、打入桩、凿岩机以及岩土体爆破等。施工振动往往造成民房损伤或其他不良影响，由此引起的纠纷层出不穷。还有不少案例显示施工振动导致拥有精密仪器设备的学校、医院或工厂正常生产秩序受到影响，损失明显。实际上，针对上述问题前人已经开展了多次现场实测，结果散见于诸多文献中[1-13]。不过由于主观或客观因素影响，已有研究的测试结果离散很大。如果事前能够对施工引起的振动有较可靠的估计，对影响范围有合理的规划，就可以避免较大的影响。本文对已经发表文献中的典型案例进行梳理，通过可靠的实测验证，为恰当估算振动影响范围提供科学依据。

1 研究现状

张云鹏[1]等对测试的压路机地面振动衰减做了回归分析，并考虑了高差地形的影响。黄菊花[2]等用解析法研究了动力机器水平扰力作用下地面振动衰减规律，将体波(纵波和横波)与面波(瑞利波)的影响分开考虑，对《动力机器基础设计规范GB 50040—96》[3](以下简称《动规》)的公式提出了修正意见。刘必灯[4]等探讨了大型地震模拟振动台运行对周围场地的影响，实测振动衰减与《动规》基本吻合，计算和测试表明典型的中硬场地的固有频率为8～15Hz，在用《动规》公式估算时，可取10Hz。程琳[5]等通过现场实测评估了压路机振动对精密仪器场区的影响，回归了衰减关系。蒯行成[6]等通过有限元法分析了压路机振动引起的地面建筑物和地下浅埋涵洞的动力影响。姚文斌[7-8]等推导了压路机振动衰减关系的简化公式并与豫西的施工现场实测结果作了对比。潘林山[9]等通过现场测试，给出了各类民房承受压路机振动影响上限的建议值。张志峰[10-11]等通过量纲分析，导出振动强度随距离增加呈现负幂指数函数衰减并通过实测验证了隔振沟减小压路机振动影响的效果。

上述文献所报告结果的共性是振动随距离呈负幂指数衰减，即

a=αr-β

(1)

式中，r为距振源的距离，a为距振源r处振动幅值，α和β是回归系数。振动强度随距离的衰减典型曲线如图1所示。上述研究中关于压路机振动测试结果最多，现汇总如下。表1列出了有关文献采用的压路机参数。表2给出了代表性测试结果。从表2可以看出，尽管压路机参数相当，但振动幅值相差很大。为便于比较，按照各自测试的回归曲线折算成距振源10.0m处的振动幅值并列于表3，各自的回归系数也同时列出。其中β代表衰减快慢。表3显示，有的衰减呈现与距离平方成反比，有的呈现与距离成反比。从10.0m处的振动幅值看，高低相差近5倍，这对于评价振动对房屋的影响会得出截然不同的结论。

为了提高测试结果的可用性，本文用《动规》给出的衰减公式，即公式(2)来评价，并选择几处代表性场地的测试结果作验证。

图1 振动强度随距离的衰减典型曲线Fig.1 Typical curve of vibration intensity attenuation with distance

表1 已完成振动影响测试的压路机参数

表2 典型压路机振动测试结果汇总

表3 典型压路机振动10m处等效振幅及回归系数

(2)

式中:r为测点到震源中心距离，m；r0为震源半径，m；A0为震源振动幅值，m/s；Ar为测点处振动幅值，m/s；ξ为与震源半径有关的几何衰减系数；α0为土层能量吸收系数；f0为震源扰动频率，Hz。

2 测试仪器

本次测试使用941B振动传感器及放大器，配接SigLab数据采集器。

2.1 941-B型拾振器主要技术指标

941-B型拾振器及放大器主要技术指标如表4和表5所示。941B直接输出的是与速度成比例的电信号，经过放大器调制、滤波后，传给SigLab变成数字信号并保存在电脑中。

本次测试经过现场比选，确定采用3档(中速度)，灵敏度为2.4V·s/m；与941B振动传感器配接的941放大器通频带为0.025～35Hz，放大器的各个档位的放大倍数见表5，该倍数与一次灵敏度2.4V·s/m相乘得到总灵敏度。实际记录器采集得到的信号电压最大值除以总灵敏度就得到以m/s为单位的速度最大值，为便于与国家标准比较，把实测速度单位换算成cm/s。

表4 941B型拾振器主要技术指标

表5 放大器各档位的放大倍数

2.2 SigLab数据采集器简介

SigLab数据采集器是由美国Spectral Dynamics公司开发的一种高性能振动信号记录分析仪器，它有4通道A/D输入和2通道模拟输出(信号发生器)，分辨率为16Bit，各道独立采样，经过高陡度模拟、数字抗混滤波以后，每道可采集上至20kHz的信号；SigLab的信号采集、分析完全基于Matlab语言，能调动Matlab的强大分析功能，并且可实现多通道同步采集、分析。

3 压路机振动测试结果

测试地点为榆林市红石桥乡。测试场地为低山丘陵，地表覆盖层为10～30m厚度不等的黄土、沙土，其下为风化程度不等的砂岩。现场采用XG6201型振动压路机模拟震源，对距震源由近及远的场地地表的振动进行了测试。当压路机驶过时，脚下感觉明显震颤。依据国家相关振动强度标准，需要获取现场实际振动量值才能评估振动对房屋的影响，此外依据不同距离的振动强度回归了振动衰减关系。具体操作时，分别测试了垂直方向和径向水平方向的速度。整理后的测试结果列于表2和表3中。

测试现场如图2所示。压路机以5km/h的速度行驶，自轮缘外侧1.0m开始，垂直道路布设三组传感器，各测点平面布置示于图3。

图2 测试压路机振动时测振仪垂直道路布置Fig.2 Vertical road layout of vibration measurer for roller vibration test

图3 各测点与振源的距离Fig.3 Distance between each measuring point and vibration source

图4是测点1处的垂直振动，当压路机距测点1最近时地面振动峰值达到5.98cm/s，当压路机驶离时振动幅值呈负幂指数衰减。图4(b)显示了振动时程的细节，这里可以读出振动频率为21Hz，与压路机的工作频率一致，体现明显的强迫振动特点。图5是距压路机水平距离19.6m处地面振动时程，最大速度峰值为0.42cm/s。在图3展示的几何关系中，压路机驶离测点1以后，相对测点4的距离并未显著增加，所以测点4的振动幅值没有像测点1那样衰减。

图4 测点1垂直振动速度时程Fig.4 Velocity time history of vertical vibration at test point 1

图5 测点4垂直振动速度时程Fig.5 Velocity time history of vertical vibration at test point 4

表2列出了包含本文的共计5次压路机测试结果，从幅值上看，如果等效到10m距离处可以得到表3的结果，本文给出的速度为0.82m/s，与张云鹏的1.1cm/s以及姚文斌的0.64m/s接近，而另外两次分别为0.17cm/s和0.3cm/s，相差近5倍。为确保数据可靠，本文测试前后对传感器和放大器的灵敏度及频响都做了严格标定，结果是可信的。如果作为初步估计，压路机振动影响在10m处速度约为0.8cm/s，参照国标《爆破安全规程》[12]，其中关于土窑洞、土坯房、毛石房和一般民用建筑物的振动允许值列于表6。表2显示压路机激振频率多在30Hz左右，对应表6的10Hz≤f≤50Hz，对于最脆弱的房屋，即土窑洞、土坯房、毛石房，振动允许值上限为0.9cm/s。由于简谐振动速度幅值与频率成正比，所以需要依据实测压路机频率进行差值计算安全允许值。30Hz频率经差值计算得到的质点振动速度安全允许值为0.67cm/s。如此看来，压路机振动对于10m处的土窑洞、土坯房、毛石房是超标的，而对于一般民用建筑物是安全的。另一个相关国标《建筑工程允许振动标准》[13]也类似，虽然没有明确规定土窑洞、土坯房、毛石房等脆弱房屋，但指出居住建筑受交通振动影响上限是0.5cm/s，受施工振动影响上限是0.6cm/s。

表6 爆破振动安全允许标准

从振动衰减快慢来看，表3给出了5次测试的衰减回归系数。其中α与振源强弱有关，β直接反映衰减快慢。本文和姚文斌的结果显示衰减大致与距离成反比，而另外三次测试结果显示衰减大致与距离平方成反比。

为了校核测试结果与公式(2)的一致性，做了如下计算。在公式(2)中，测点到压路机震源中心距离取12.1m，震源半径取1.0m，震源振动幅值取本文在1.0m处的实测值5.98cm/s，几何衰减系数取0.55，按照新沉积的松散砂，取土层能量吸收系数为1.8×10-3，震源扰动频率为21Hz。结果显示12.1m处振动速度幅值0.69cm/s，而本文的实测速度值为0.71cm/s，二者吻合很好。

多次测试实践表明，如果公式(2)参数选取得当，可以对衰减做出可靠的估计。在使用时，A0的取值不能局限于震源的振动幅值，比如已知距震源10m处的幅值，估算更远距离的振动强度时，就可以将A0取为10m处的振动幅值，相应的震源半径r0也要取为10m。

4 结论

为了恰当评价或估计工程施工活动的影响，本文对既有测试和分析成果进行了梳理，针对常见的压路机振动影响做了实测验证，检验《动规》给出的振动衰减公式的可靠性。结果表明，既有成果只有一部分与《动规》的公式相吻合，本文的测试显示只要《动规》公式中各参数的取值合理，计算结果是可信的。对于常见型号的压路机而言，其振动在10m处的峰值速度对于脆弱的土窑洞、土坯房、毛石房将超标，对于其他房屋则不构成威胁。测试和计算显示振动衰减大致与距离成反比。所得结果可供施工振动影响规划或评价已经实施的振动影响时参考。