城市软土地基组合锤法强夯施工振动效应研究1

2021-04-14梁海安程新俊聂佩江李俊豪

震灾防御技术 2021年2期

刘超梁海安程新俊聂佩江李俊豪吕毅

（东华理工大学，土木与建筑工程学院，南昌 330013）

引言

组合锤法是针对软土地基加固的新型地基处理技术，分别采用柱锤、中锤和扁锤对施工场地深层、中层和表层地基土进行不断夯击，对土体中原有固相颗粒进行结构重组，使其紧密排列，分层挤密压实，进而形成上大下小的楔形墩体。通过组合锤法对欠固结、高压缩性土及深厚回填土等软土地基进行夯实挤密，形成低压缩性的墩体，使墩体与墩周土共同组成复合地基，施工简便，在不使用钢筋和混凝土等建筑材料的情况下可较好地提高地基承载力，处理效果显著，具有广泛应用空间。采用组合锤法对地基进行夯实处理时，除部分能量被强夯点吸收外，大部分能量从强夯点向四周波动扩散，引起土体振动，当振动超过一定限值时，可能给周边环境带来一定影响（李俊如等，2002）。

吴绵拔等（1992）研究了砂土中强夯振动速度衰减规律，发现强夯过程中，砂土振动速度小于黏土振动速度时，不易引起建筑物破坏；夏瑞良等（2001）通过现场测试，发现地动位移衰减趋势规律性较强；Pan等（2002）进行了松散土中动荷载强夯响应研究；尚军雷等（2006）和杨明等（2011）分析了不同振源对建筑物的影响机理，研究强夯施工产生的振动对周边厂房及住宅的影响，提出了相应减振措施；谭捍华等（2001）和韩俊艳等（2020）通过负幂函数拟合垂直振动速度及振动加速度的衰减趋势，拟合结果较理想，但未对地层条件、锤型、夯击能量及测距等因素进行分类讨论；周洋等（2018）、张力闻（2017）和王鹏程等（2015）依托实际工程，研究强夯振动对结构稳定性的影响，并分析不同因素对安全距离的影响，提出相应的安全距离；张露露等（2016）和张宏博等（2015）根据工程实测，研究不同夯击能量及夯击次数对速度及振动频谱的影响，发现夯击能量越大、夯击次数越多，对场地的影响越大；林伟斌等（2018）研究发现，当夯击能量较小时，速度衰减较快，监测点速度随着锤击次数的增加先增大后减小；王斯海等（2016）提出了2 种场地条件下振动速度衰减公式及不同夯击能量下的安全距离，但该研究中的2 种地区土层条件较复杂，场地强夯振动响应可能与土层综合性质及土层间的共同作用有关，仅定性分为“上硬下软”地基和“上软下硬”地基可能不准确；时伟等（2019）通过在粉细砂场地进行强夯试验，研究强夯振动对建筑物不同楼层振动的影响，得到不同楼层处环向振动速度最大的结论。

组合锤法是综合改进普通强夯法、强夯置换法和柱锤冲扩桩法的新型施工工法，虽在工艺、施工效果及经济性上具有显著工程价值，但其施工引起的土体振动对周边环境的影响尚不明晰，因此，研究组合锤法振动成因、影响范围、影响因素对其推广应用具有重要意义。为此，本文选取南昌市某软土工程场地作为试夯区域，沿试夯点东西测线方向布置4 个监测点，监测水平向及竖向加速度峰值，根据速度、加速度峰值变化趋势、频谱分布特征，确定组合锤法施工影响范围。

1 现场监测

1.1 测试场地概况与振动影响评判依据

本文对组合锤法振动效果进行3 次现场测试，地质勘察报告揭示的工程场地地层自上而下分别为：①素填土：层厚1.60～6.00 m；②粉质黏土：可塑，中等压缩性，层厚5.1～7.2 m；③淤泥质土：层厚0.60～3.30 m；④细砂：饱和，松散～稍密，层厚0.80～10.10 m；⑤中砂：饱和，稍密～中密，层厚1.50～5.00 m，以下岩土层略。试验场地地下水位为0.80～3.00 m。

目前，对场地振动动力特性测试并无统一规定，由于场地属于半无限域地质体，与地基等结构物的动力特性有所区别。强夯法引起的地面振动频率一般在20 Hz 以内（Hwang 等，2006），与爆破引起的振动频率、建（构）筑物和施工机械设备的固有频率接近，故选用《爆破安全规程》（GB 6722−2014）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015）规定的爆破振动安全允许距离进行安全标准评判及允许距离控制。

1.2 试验仪器与监测点布置

本试验采用扁锤进行强夯，锤重10 t，锤高1 m，落距为30 m。现场振动监测主要采用891 型振动测量传感器、891 型信号放大器和数据采集器等仪器，其中，891 型振动测量传感器加速度测量范围为±1.0g，加速度灵敏度为1 000 mV/g，采样频率为0.5～80 Hz；891 型信号放大器用于配合测取场地振动加速度信号，使用频率为0.15～100 Hz，满足本次试验测试要求。

分别在距强夯点15、30、50、100 m 处各布置3 个891 型振动测量传感器，水平东西向、水平南北向和竖向各布置1 个（图1）。在距组合锤法设备15、30、50、100 m 处测量水平东西向振动加速度时程、水平南北向振动加速度时程及竖向振动速度时程，分别研究单点单次加速度变化规律及锤击次数对加速度与场地振动的影响。

图1 试验场地振动监测点平面布置Fig. 1 Layout of vibration monitoring points in the test site

2 振动测试结果分析

施工工况为组合锤法设备无配重正常施工，偏心距30 cm，通过振动测试仪器进行现场振动测试，采集监测点处场地地表振动加速度时程曲线。

2.1 单点单次加速度与频谱分析

监测点加速度时程曲线和频谱曲线如图2～4 所示，图中15 m HWE 表示15 m 监测点处水平东西向，以此类推。对加速度进行时域积分获得速度，加速度与速度峰值如表1 所示。

由图2～4 及表1 可知：

图2 监测点水平东西向加速度时程曲线与频谱曲线Fig. 2 Time history analysis curve and spectrum curve of horizontal east-west acceleration at different distances

图3 监测点水平南北向加速度时程曲线与频谱曲线Fig. 3 Acceleration time history analysis curves of horizontal north-south direction at different distances

图4 监测点竖向加速度时程曲线与频谱曲线Fig. 4 Acceleration time-history analysis curves and spectrum curves of vertical direction at different distances

表1 监测点加速度峰值与速度峰值Table 1 Peak acceleration and peak velocity at monitoring points

（1）组合锤法施工引起的地面竖向振感明显高于水平东西向、南北向，距强夯点15 m 的监测点，竖向加速度峰值为139.1 cm/s2，水平东西向、南北向加速度峰值分别为99.9、74.1 cm/s2，可知采用组合锤法施工时竖向振动加速度和速度应为主要监控量。

（2）距强夯点较近的2 个监测点，竖向加速度峰值分别为139.1、99.9 cm/s2，均大于水平向加速度，但距强夯点100 m 处监测点加速度峰值均衰减至6 cm/s2以内，可知组合锤法施工会引起周边土层及监测点振动，且在强夯过程中持续造成影响。

（3）距强夯点15、30、50 m 处监测点各方向加速度时程曲线基本一致，距强夯点100 m 处监测点各向加速度时程曲线呈低幅值的近似白噪声曲线，速度峰值呈缓慢减小的趋势，至100 m 处均降至0.3 m/s 以下。随距强夯点距离的增大，水平向、竖向加速度总体呈衰减趋势，仅在距强夯点100 m 处，监测点水平东西向加速度峰值在尾部出现异常，产生异常的原因主要是在锤击完成收锤阶段产生了明显的收锤动能，达到80 cm/s2左右，可在加速度时程曲线上明显看出。

（4）由频谱曲线可知，距强夯点15、30 m 处基频约为50 Hz，整体基频段较稳定，距强夯点50 m 处基频为100 Hz 左右，距强夯点100 m 处基频为70 Hz 左右，高频分量所占比重越来越大，由此可见，采用高频组合锤法可降低对周边环境的影响，此外，可通过增设隔振沟（填充阻尼材料）减少施工振动的影响。

（5）借助matlab 软件对加速度时程数据进行积分求解，获得速度时程曲线。分析速度峰值可知，距强夯点50 m 处的监测点竖向振动速度衰减至2 cm/s 以下，依据《爆破安全规程》（GB 6722−2014）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015）规定，当f≤10 Hz，对于土坯房，毛石房屋允许振动速度为0.15～0.45 cm/s，一般民用建筑物允许振动速度为1.5～2.0 cm/s，故认为组合锤法施工可能对距强夯点50 m 范围内的建筑物造成一定影响，应避免此范围内出现建筑物和人员密集的公共区域。

2.2 锤击次数对场地振动的影响

为研究锤击次数对场地振动的影响，对连续锤击6 次的场地振动参数进行测试并记录。限于篇幅，本文取1、3、5 锤的振动加速度峰值进行分析（图5）。考虑强夯法引起的地面振动频率一般＜20 Hz（Hwang 等，2006），与爆破引起的振动频率、建（构）筑物和施工机械设备的固有频率相近，强夯法具有冲击型点振源，土层以垂直振动为主，主要引起纵波（沿深度发展的压缩波）和横波（与质点前进方向垂直），土体受到的垂直振动往往大于水平振动，本文监测数据也证实了此特点（表1），故单独绘制竖向速度峰值在不同锤击次数下随距离衰减曲线，如图6 所示。

由图5 可知，不同锤击次数下，振动加速度衰减趋势较相似。场地振动加速度峰值随着锤击次数的增加而增大，且增幅在距强夯点15～50 m 处较明显，至距强夯点100 m 处时增幅已较小，衰减曲线从50 m 处的陡降逐渐变缓，这主要是因为在强夯过程中土体产生了压缩变形，随着锤击次数的增加，土体逐渐密实，振动能量波扩散传递速度提高，但被加固的土层几乎集中在强夯点周围15 m 范围内，因此距强夯点越远，增幅越小。

图5 监测点加速度峰值随距离衰减曲线Fig. 5 Attenuation curve of peak acceleration of monitoring points with distance

距强夯点距离为15 m 时，锤击次数由1 次增至5次时，监测点水平东西向、南北向及竖向振动加速度峰值分别由99.9、74.1、139.1 cm/s2增至152.8、119.8、182.5 cm/s2，增幅为50%、61%、31.2%，水平向振动加速度峰值变化幅度总体大于竖向，由此可见，水平向振动加速度对锤击次数更敏感。

由图6 可知，不同锤击次数下，测点竖向速度峰值变化趋势基本相同，呈较稳定且平缓衰减的趋势。

图6 监测点竖向速度峰值随距离衰减曲线Fig. 6 Attenuation curve of peak vertical velocity of monitoring points with distance

3 振动加速度衰减模型与验证

3.1 振动加速度衰减模型建立

使用非线性回归分析获得不同方向加速度衰减公式，式（3）～（5）计算结果均方差分别为0.071，0.326，0.189，相关系数分别为0.945，0.962，0.971，说明拟合的衰减公式精度较高。

3.2 振动加速度衰减模型验证

利用第5 次锤击次数下的加速度峰值对衰减公式进行验证，考虑拟合曲线参数b、c用于控制曲线形态，参数a用于控制曲线截距，由前文可知，锤击次数在一定程度上影响了加速度峰值，故通过固定参数b、c，调整参数a进行拟合，拟合曲线如图7 所示，衰减公式及相关系数如表2 所示，实测值与模型预测结果吻合较好，证明振动加速度衰减模型适用于该场地条件下组合锤法施工振动影响预测。