冲孔桩施工引起周围地表振动的测试研究

霍卫安

（甘肃省建设监理有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

1 概述

冲孔桩施工时利用冲锤自由落体对地层岩土体进行冲击、切削，从而达到桩基成孔的目的。桩周土在冲锤的冲击作用下被挤密，因此冲孔桩具有更高的承载力，这使得高层建筑和桥梁基础中冲孔桩被广泛采用。然而，冲孔桩施工时冲锤产生的强烈振动对周围建筑物和地下管道造成不同程度的损伤，同时，也带来环境噪音问题。从20 世纪70 年代起，国内外学者就开始关注桩基冲孔作业和打桩作业对环境的振动影响问题，我国也推出相应规范[1-2]，对冲孔作业的振动频率和振动峰值进行限制。但这些规范中对于结构强度和抗震性能较低的农村民房和古建筑未做特别规定，该类建筑广泛分布于道路沿线，如果没有明确的规范限定，则位于道路沿线的农村民房和古建筑将在施工中遭受无法估量的损失。因此，深入研究桩基冲孔作业引起的振动传播规律对环境振动评估和结构隔振设计起到关键作用。

关于冲孔桩施工的环境振动问题，已有学者利用理论模型和现场测试的方法做了很多研究，如文献[3-6]利用连续介质理论对地表作用冲击荷载的稳态和瞬态振动问题做了研究；高彦斌等[7]、吴铁生[8]、许锡昌等[9]利用动态测试系统对冲孔作业时的地表振动进行现场测试并拟合出振幅随距离衰减的预测公式；陈云敏等[10]将数值模拟结果和实测结果做了对比分析，发现冲孔桩作业的振动影响范围为40 m。总结上述文献的研究成果能够发现，现有研究方法中不管是理论研究还是实测研究都以单桩作业工况作为研究对象，未考虑多个桩孔同时作业的振动叠加效应，而在实际施工中往往都是多桩孔同时作业的情况。因此，现有研究成果在实践应用中仍存在局限性。

本研究借鉴已有研究方法，利用动态信号测试系统对冲孔桩作业引起的地表振动进行现场测试，为了考察多桩同时作业的叠加效应，在测试中分别进行1～4 个桩同时作业的工况。通过对振动信号进行振幅和频谱分析，不仅对振幅衰减规律和频率特征做了研究，还对多桩同时作业的振动叠加效应进行了相关分析。

2 测试方案

2.1 工程概况

位于临夏回族自治州境内的拟建双达公路1#特大桥为21 跨预应力简支梁桥（跨径30 m），桩基采用冲孔灌注桩，桩长18 m，桩径0.8 m。施工单位使用南通力威CK 2000 冲孔式打桩机进行桩基成孔作业，冲锤质量6 t，最大落距1 m，冲击频率为40次/分。场地土层自上而下由杂填土、粉土、粉细砂和淤泥质粉质黏土和砂砾胶结层组成，各土层土体参数见表1。

表1 土层参数表

2.2 测试方法及测点布置

本次测试的目的主要为研究冲孔桩作业引起地表振动沿距离的衰减规律和频率特征，同时，考察多桩作业的振动叠加效应。测试中以双达公路1#特大桥的16#、17#墩的4 个桩为测试对象，利用东华测试技术有限公司生产的DH 5922 动态测试仪和D 610拾振器进行振动信号采集，然后进行数据分析，测试仪器及测试流程如图1 所示。为了便于数据分析，沿16#、17# 墩的跨中垂线按等间距布设5 个测点（D1～D5），在每个测点上布置3 个拾振器，分别采集x、y、z 方向的振动速度，其中x 方向为桥梁走向，y方向垂直于桥梁，z 为竖直方向，各桩编号及测点布置如图2 所示。测试时，各桩的冲锤入土深度均为2 m（清除杂填土）。

图1 测试流程图

图2 测点布置图

2.3 工况设计

基于前述测试目的和现场条件，本次测试共设计5 个测试工况，各工况描述见表2。

表2 测试工况表

3 测试结果与分析

图3、图4 给出了测点D1 在工况1 和工况2 的地表振动速度信号，对比两图能够直观地看出，两桩同时作业时的振动峰值明显大于单桩作业的情形。表3 列出了各测点在各工况下的3 方向振动峰值，表中数据进一步说明多桩同时作业时振动叠加效应的存在，数据还表明同一测点处的竖向振动峰值大于水平方向的峰值，而水平面上的两个方向（x，y）振动峰值非常接近。

表3 振动速度峰值统计表 mm/s

图3 测点D1 工况1 振动信号

图4 测点D1 工况2 振动信号

3.1 振幅衰减分析

利用表3 数据绘制出工况1、3、5 的振动衰减曲线如图5 所示，在近场区域竖向振动速度峰值明显大于水平方向的峰值，但当距离大于30 m时，竖向和水平方向的峰值则趋于相等，说明竖向振动在近场的衰减速度大于水平方向。为了研究多桩同时作业的叠加效应，此处定义一个量化参数α 来描述叠加效应，称之为叠加系数，其定义式为：

图5 振动峰值随距离的变化曲线

式中：A0为工况1 对应的振动速度峰值（单桩作业时振动峰值），Ak为多桩同时作业时的振动速度峰值。

图6 给出了各工况下衰减系数随距离的变化曲线，可以看出，竖直和水平方向的叠加系数都随距离的增大而减小，说明离振源越近叠加效应越明显。图6 还反映出，在同种工况下水平方向的叠加系数大于竖直方向，说明水平振动的叠加效应大于竖直振动。此外，对比图6 中工况2 和工况3 的叠加系数变化曲线发现，在同一测点处工况2 的振动叠加系数大于工况3，说明同侧振源的振动叠加效应大于异侧振源。

图6 叠加系数随距离的变化曲线

3.2 频谱分析

对采集的振动速度时程信号做傅里叶变换，即可得到频域信号。图7 为测点D1、D3、D5 在各工况下的频谱曲线，分析图7 可知，冲孔桩施工引起的地表振动频率主要分布在12～51 Hz，随着振源距离增大频率分布区间将逐渐变窄。5 个测点在各工况下的峰值频率几乎相同，都集中在15 Hz 附近。这一现象再次证明：冲击荷载引起的地表振动频率只与荷载激励频率有关，而与荷载大小、振源数量及冲击强度无关[11-12]。

图7 频谱曲线

需要说明的是，本次测试由于受到条件限制，最多只能实现4 桩同时作业，测试数据非常有限，依据现有数据无法拟合出包含叠加系数的振动衰减公式。而且测试中已经发现，振源的空间分布及相对位置对振动叠加效应也存在显著影响（同侧和异侧分布）。因此，关于冲孔桩多点作业的叠加效应研究是个极为复杂的问题，尚需更系统的试验才能得出可靠的预测公式。

4 结语

针对冲孔桩施工引起的地表振动问题进行现场实测研究，通过冲孔式打桩机激振并利用动态信号采集系统对地表振动速度时程信号进行采集，对振动峰值沿距离的衰减曲线和频谱曲线进行对比分析后总结出以下结论：

（1）冲孔桩施工引起的地表竖向振动在近场大于水平振动，而在远场两者趋于相等，竖向振动在近场的衰减速度更快。

（2）多桩同时作业会产生明显的振动叠加效应，随着距离增大，叠加效应逐渐减弱；桩孔的空间分布和相对位置对叠加效应存在显著影响。

（3）冲孔作业引起的地表振动频率分布在12～51 Hz，随着距离增大，频率分布区域逐渐变窄，峰值频率保持在15 Hz 附近，多桩同时作业对峰值频率没有影响。