冲击碾压补强土石混填路基的振动影响试验研究

陈忠清 江海鸿 吕 越 朱文韬 吴天宇

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000)

0 引言

冲击碾压技术于20世纪80年代前后发展成形，主要利用非圆形冲击轮对压实对象进行滚动冲击作用，达到压实目的，是一种效率高、造价低的浅层地基加固技术[1-2].冲击轮的滚动冲击通常会引起地面振动，因此冲击碾压施工的振动影响是工程实践中必须关注的问题.

目前关于强夯引起的地面振动已有不少研究报道[3-6].针对冲击碾压施工引起的地面振动衰减规律及振动影响范围，也已有相关学者开展了相关研究.胡昌斌和阙云[7]基于三维动力有限元分析方法研究了冲击碾压破碎旧水泥混凝土路面施工引起的振动，得出同一测点中竖向加速度量值最大，且随着测点距振源越远，不同方向的振动加速度差距逐步减小.卢辉等[8]和吴源青等[9]通过旧水泥砼路面冲击碾压现场振动测试，得出了冲压作用在道路两侧传播的衰减规律以及振动影响的安全距离.Xu等[10]对冲击碾压加固软土地基引起的地面振动进行了监测.Avalle[11]分析了澳大利亚25个场地(包括黏土、砂土、填土及垃圾土等)的冲击碾压振动监测数据，得出了四边形冲击压路机振动影响范围的经验公式.苏卫国等[12]通过有限元模拟，分析了冲击碾压施工对路面附近不同埋深的光缆产生的振动影响.但是，三边形冲击压路机在土石混填场地冲击碾压施工引起的地面振动衰减规律及振动影响范围尚不明确.

本文通过某公路土石混填路基冲击碾压补强过程中的振动监测，对垂直于冲击轮滚动方向上土石混填路基的振动衰减规律及振动影响范围开展研究.

1 试验场地

试验场地为分层填筑的3～3.5 m高土石混填路基.原位路基以下3.0～6.5 m深度内为饱和软黏土，采用旋喷注浆法进行地基处理后.路基填料采用沿线山体开挖后的土石混合料，填料一般按粒径大于37.5 mm且含量小于总质量30%控制.

2 振动监测仪器及方案

2.1 监测仪器

振动信号量测采用CA-YD-187C型压电式加速度计，测量范围为±50 g(g为重力加速度)，灵敏度为100 mV/g±5%，频率响应为1～5 000 Hz；振动信号采集系统采用YE6231型动态数据采集仪(见图1).

图1 监测仪器实物图

2.2 唐小东监测方案

冲碾设备采用3YCT32型三边形冲击式压路机(见图2)，冲击轮质量为16.5 t.加速度传感器按一定的间距，沿垂直于冲击轮运动方向(即横向)布置，如图3所示.

图2 3YCT32冲击压路机

图3 加速度传感器平面布置示意图(单位:m)

试验过程中分别对8 km/h、10 km/h及12 km/h三种牵引速度下，冲碾补强土石混填路基引起的地面振动进行监测.

3 振动监测结果分析与讨论

3.1 监测结果分析

冲击式压路机分别采用8 km/h、10 km/h、12 km/h三种不同牵引速度对土石混合物填土路基进行冲击碾压时，在垂直冲击轮运动方向(即横向)引起的地面加速度随距离的变化情况如图4所示.

从图4中可以看出：(1)冲击轮以8 km/h速度运动时，横向距离1.5 m以内，地表加速度值在19 m/s2～28 m/s2，4 m～6 m之间加速度下降值在1 m/s2左右，至横向距离10 m左右时加速度值约为0.2 m/s2；(2)冲击轮以10 km/h速度运动时，横向距离1.5 m内加速度值有所增长，最高至31 m/s2，4 m～6 m之间加速度变化值仍在1 m/s2左右，至横向距离10 m左右时加速度值约为0.25 m/s2；(3)冲击轮以12 km/h速度运动时，横向距离1.5 m内加速度值明显增大，最高速度可达64 m/s2，接近10 m加速度值为0.45 m/s2；(4)不同牵引速度下，冲碾施工引起的地表加速度均以负幂函数形式发生衰减.

a.牵引速度为8 km/h

由以上分析可得：(1)冲碾施工引起的地面振动与牵引速度密切相关，冲碾施工在垂直冲击轮运动方向(即横向)产生的地表加速度值随冲击轮牵引速度增大而增大；(2)冲碾施工引起的振动表现为负幂函数形式的衰减，并在横向4 m距离以内衰减最为迅速，在4 m～6 m范围内衰减速率明显减缓，在10 m左右基本趋于平稳.

3.2 冲碾施工振动影响安全距离确定

目前衡量施工振动对周围建筑物影响的标准主要有：

(1)《建筑抗震设计规范》[GB 50011—2010(2016版)]：水平向加速度值小于0.10 g，或者竖向加速度值小于0.20 g[13]；

(2)《爆破安全规程》(GB 6722—2014)：地面振动速度小于1.0 cm/s[14]；

(3)《建筑振动工程手册》(第二版)：地面振动速度小于1.0 cm/s[15].

抗震设防烈度和基本地震加速度值的对应关系如表1所示.将竖向加速度衰减到0.20 g时所处位置以外的范围定义为建筑物安全范围，得到不同牵引速度下冲碾振动的建筑物最小安全距离，如表2所示.

表1 抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系[13]

表2 不同牵引速度对应的建筑物最小安全距离

3.3 讨论

土石混填路基冲碾施工引起的地面振动规律与Xu等[10-11]中的振动监测结果相似，同时靠近振源(即冲击轮)一定范围内竖向振动加速度大小与牵引速度明显相关，也与卢辉等[8]研究的振动监测结果基本一致.但是最小安全距离表现出一定的差异，这与冲碾对象的材料性质不同相关.

现有的研究表明强夯引起的地面振动以负幂函数形式衰减，建筑物最小安全距离为14 m～30 m[3-5].可见，冲碾振动与强夯振动具有相似的衰减形式，但冲碾振动的强度及最小安全距离明显小于强夯.

4 结论

(1)冲击碾压施工引起的地面振动在垂直冲击轮运动方向(横向)上以负幂函数形式逐渐衰减，距离振源2.5 m范围内产生的地面振动最为强烈，同时随着横向距离增加，振动急剧衰减，振动衰减规律与强夯相似，但振动强度明显小于强夯.

(2)冲击碾压引起的地面振动及其衰减与牵引速度及冲碾对象的材料性质等因素相关，冲击压路机以8.0 km/h速度工作时，最小安全距离为8.2 m，以10 km/h速度工作时的最小安全距离为8.6 m，以12 km/h速度工作时的最小安全距离为14.6 m.