袁鴻鵠，劉愛友，姜 晶，李云鵬

(1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100048;2.中國石油大學(xué) 機械與儲運工程學(xué)院 安全工程系，北京 102249)

0 引言

強夯法作為一種有效的地基加固技術(shù)而被廣泛應(yīng)用，因夯擊時對地基瞬時傳遞較大能量，一方面可使夯擊點及其一定范圍內(nèi)的土體壓密、孔隙比減小、地基承載力增高，達到加固地基的目的;而另一方面因強夯沖擊會產(chǎn)生大的噪音和較強烈的振動波，對周圍地質(zhì)環(huán)境、工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定產(chǎn)生很大影響和危害。對此土木工程界就此開展了大量的研究工作，并在理論、監(jiān)測及工程實踐方面取得了諸多重要研究成果。如對碎石場地強夯施工過程中實施地面振動加速度實時監(jiān)測，得到碎石土地基在強夯施工時的加速度衰減規(guī)律［1］;通過強夯振動機理的分析對強夯施工環(huán)境振動影響的測試儀器的組成和測試的方法，并對鄰近建筑物受強夯振動影響進行了評價研究［2］;對強夯法加固地基機理的數(shù)值分析中存在的幾何非線性情況，采用非線性動力有限法對強夯動態(tài)響應(yīng)進行了分析［3］;對在碎石土回填地基上采用高能級強夯進行了試驗研究［4］;根據(jù)強夯處理高填方時土體存在局部大變形的特點，導(dǎo)出彈塑性大變形有限元動力平衡方程，并對高填方時土體強夯處理進行了數(shù)值模擬，得到夯坑形狀、土體應(yīng)力變化及塑性區(qū)演化等結(jié)果［5］;采用動力接觸有限元法分析了強夯對地基土的沖擊碰撞過程，并對模擬中存在的問題進行了探討研究［6］;另外，還有大量的研究成果［7，8］，在此不再贅述。盡管如此，由于強夯加固效果及其對環(huán)境的影響不但與強夯加固技術(shù)有關(guān)，而且與加固區(qū)域地層環(huán)境條件有很大關(guān)系。本文依托北京園博園水質(zhì)凈化工程，就其松散雜填土地基的強夯加固效應(yīng)及其對周圍地質(zhì)環(huán)境影響規(guī)律實施現(xiàn)場動態(tài)測試試驗研究，對點夯夯擊效應(yīng)和遍夯夯擊疊加效應(yīng)進行系統(tǒng)分析，探討研究松散雜填土地基的強夯加固效應(yīng)及對周圍環(huán)境的影響范圍，為周圍構(gòu)筑物及環(huán)境保護措施設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 園博園濕地環(huán)境概況

園博園濕地水質(zhì)凈化工程位于永定河蓮石路下游右岸老灘地上擬建園博園南端，占地面積約40 萬m2。園內(nèi)濕地總體地勢西北高東南低，地面高程最低處63.09 m，最高處72.06 m。歷史上曾大量開采砂卵石作為建筑用砂礫料，并在該地留有許多砂卵石坑，后期這些砂卵石坑多被回填，回填土厚度4.6～16.3 m 不等，填土成份以建筑垃圾、生活垃圾、篩分砂礫料的棄料(即級配不好的卵礫石)等為主，表層和層間還有上游電廠沖下的粉煤灰等，成份復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)不均一，分布范圍及深度具有隨機性和不確定性，且該雜填土結(jié)構(gòu)相對松散，局部有架空現(xiàn)象，在遇水或震動作用下會產(chǎn)生沉陷或震陷，產(chǎn)生地基的不均勻沉降，從而可能造成濕地防滲體結(jié)構(gòu)破壞。

試驗場地位于濕地西側(cè)，依據(jù)前期勘察報告以及實地測斜鉆孔的數(shù)據(jù)，試驗區(qū)域地層巖性自上而下具體為:雜填土，稍濕，松散—稍密，成份以粉土和砂土為主，約占40%～50%，房渣土約占30%～40%，含少量生活垃圾，厚度4.60～5.20 m，天然含水率較低，約為13.6%，現(xiàn)場注水試驗測得滲透系數(shù)為2.24×10－3～37.20×10－3cm/s，屬于中等—強透水地層;粉土層，褐黃色，稍濕，稍密，層厚約0.50 m;細(xì)砂層，褐黃色，稍濕，中密，層厚約3.00 m。卵礫石層之下為第三系始新統(tǒng)長辛店(E2c)組泥巖和礫巖。

場地地下水位埋深16.00～19.10 m，近年地下水年降幅為0.5～1.0 m/年。現(xiàn)場在深度為地面以下約0.5～2.0 m 內(nèi)進行注水試驗，獲得雜填土層滲透系數(shù)約為2.24×10－3～37.20×10－3cm/s，為中等—強透水地層。

2 強夯振動波現(xiàn)場測試方案設(shè)計

2.1 測試研究內(nèi)容

強夯施工對地層的影響，最為明顯的標(biāo)志就是位移變化和振動，位移包括沉降和水平位移，振動則包含縱波和橫波的參數(shù)變化，在盡量不影響夯擊區(qū)域地層特性的情況下進行強夯過程中的位移和振動實時測試。本文的重點是關(guān)于松散雜填土地基的強夯加固效應(yīng)，振動波傳遞規(guī)律，對周圍環(huán)境影響范圍，以及振動影響安全距離等方面的探討研究，關(guān)于強夯夯沉量、地表沉降、深層水平位移等研究將有另文報道。

2.2 測試點布置

測試場地臨近公路，且存有大量堆積填土，如圖1所示。

圖1 實測區(qū)域及測點位置示意Fig.1 Map showing the measuring area and locations of measuring points

為了盡量保證夯擊以及測試結(jié)果的可靠性，夯擊區(qū)域選擇了沒有堆土的空地。強夯機錘重21 t，錘直徑2.4 m，落距15 m，夯擊能量約為3 000 kN·m，在夯擊點一側(cè)按一定間距布置1 條振動實測線，各測點及強夯點位置如圖1 所示，其中夯擊點的編號代表夯擊次序，實測點傳感器安放如圖2 所示。

圖2 振動測量平臺及儀器安放Fig.2 Vibration measuring platform and instrument placed

2.3 測試日程及頻次

強夯振動測試試驗時間由2012年4月10 日起至4月28 日止，共19 天。具體實測安排見表1 所示。

3 強夯振動波測試結(jié)果與分析

3.1 測試數(shù)據(jù)處理方法

強夯實驗的振動信號采用DASP 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集振動信號，DASP(Data Acquisition and signal processing)軟件虛擬儀器庫是大容量數(shù)據(jù)采集與信號處理軟件系統(tǒng)。其與INV303/306 系列智能信號自動采集處理分析儀配套，可方便快捷獲取強夯振動信息。

強夯引起的地面振動屬于低頻(0～50 Hz)振動，為保證振動信號的保真度，測量時的采樣頻率為512 Hz，即約為原始信號最高頻率的10 倍，滿足采樣定理。振動采樣探頭采用速度傳感器，利用電磁感應(yīng)原理測量附著物體的振動速度。在時域分析過程中可通過對時間的一次微分和一次積分分別獲得振動加速度和振動位移。振動波的傳播速度可通過測量各質(zhì)點起振時間差(距離已知)來獲得，典型突發(fā)型信號波形如圖3 所示。

表1 測試日程安排及測試頻次Table 1 Test schedule and test frequency

圖3 典型突發(fā)型信號特征Fig.3 Characteristics of typical sudden signal

離散時域的傅里葉變換(DFT)是信號處理中的重要方法，然而，由于DFT 算法的運算次數(shù)過多，通常不宜直接應(yīng)用在點數(shù)過多的信號分析中。為此，采用通過對時域中的振動位移信號做快速傅里葉變換(FFT)，可得到信號的頻譜圖。強夯振動信號的頻譜較為集中，頻譜峰值所對應(yīng)的頻率即為該振動的主要頻率，阻尼比的計算采用半功率帶寬法。對于單自由度系統(tǒng)，阻尼比ζ 等于主頻兩側(cè)半功率點頻率差Δω 的一半和主頻ω0的比值，即ζ=0.5·Δω/ω0。

3.2 強夯振動測試結(jié)果分析

3.2.1 強夯振動測試結(jié)果

按第3 節(jié)中的測試方案，在點夯和遍夯試驗中，獲得了每擊各測試點振動速度、加速度在地層中的傳播規(guī)律曲線，由測試曲線分析可見，各測試點振動波相關(guān)信息由近及遠(yuǎn)逐漸衰減，其衰減規(guī)律基本上呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)或負(fù)冪函數(shù)的降低形式。圖4-圖5 給出了8 個夯點7 次夯擊時各測點振動速度和加速度沿X 向的衰減曲線，圖中圖標(biāo)i-j，i 表示夯點，j 表示夯擊數(shù)。

圖4 X 向振動速度峰值圖Fig.4 The peaks of vibration velocities in X direction

圖5 X 向振動加速度峰值圖Fig.5 The peaks of vibration accelerations in X direction

由圖4-圖5 分析可見，強夯振動能量在填土層中傳播呈一逐漸耗散過程，振動波能流密度與傳播距離呈反比關(guān)系。隨著夯擊次數(shù)增加，夯點下方土體不斷被擊實、壓密，夯擊能向外(遠(yuǎn)處)傳遞量增強。隨著夯擊次數(shù)的增加，同一測點測到的速度和加速度也在逐漸加大。而且振動速度和加速度沿水平X 向均大于其它兩個方向，但此規(guī)律隨夯擊點不同有一定差異。

關(guān)于強夯振動影響范圍的確定，可參考《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2011)［9］，并借助爆破相關(guān)理論及薩道夫斯基公式，利用測試信息數(shù)據(jù)擬合給出夯擊時強夯振動速度V 與傳播距離R 之間的關(guān)系，即:

同理可得其它夯擊下的強夯振動速度與傳播距離之間的關(guān)系。

由上式分析可見，若已知強夯區(qū)域建筑結(jié)構(gòu)的允許安全振動速度，可方便地給出在現(xiàn)有夯擊能條件下，強夯加固區(qū)強夯振動的安全距離。如某結(jié)構(gòu)的允許安全振動速度應(yīng)＜10 mm/s，該強夯區(qū)強夯振動的安全距離應(yīng)約為50 m，則在此區(qū)域內(nèi)的建筑物應(yīng)實施保護加固措施。

4 結(jié)論

(1)地基土強夯振動幅值、速度、加速度的變化規(guī)律與距離夯點的遠(yuǎn)近有關(guān)，對于較近點(4.7～5.68 m以內(nèi))的振動，三者均隨時間迅速衰減，對于較遠(yuǎn)點(7.7 m 以外)來說，它們的變化規(guī)律為先增大后減小，且振動持續(xù)時間較長。

(2)振動位移峰值、速度峰值、加速度峰值隨著振動波的傳播距離而逐漸衰減，這種衰減大致呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)形式。

(3)信號在傳播過程中，高頻成分衰減更快，因此主頻將逐漸減小，這一點與外圍實測數(shù)據(jù)規(guī)律一致，離夯點近的測點，其主頻數(shù)據(jù)有差異。

(4)對于本場地房渣土，在50 m 處的振動速度、振動加速度量值均較小，分別為5～10 mm/s，1 m/s2，對普通建筑結(jié)構(gòu)不會損傷破壞，該區(qū)的強夯振動影響范圍應(yīng)在50 m 左右。

［1］何立軍，水偉厚，劉波.強夯施工引起的環(huán)境振動監(jiān)測分析［J］.巖土工程界，2006，9(7):87－90.

［2］陸偉東，韓曉健，楊放.強夯施工環(huán)境振動影響的評價方法［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24(5):65－68.

［3］謝能剛，宋修廣.基于幾何非線性的強夯加固機理分析［J］.巖土工程學(xué)報，2003，25(4):472－474.

［4］水偉厚，王鐵宏，朱建鋒.高能級強夯作用下地面變形試驗研究［J］.港工技術(shù)，2006(2):50－52.

［5］周世良，王多垠，吳友仁.強夯處理高填方的大變形有限元數(shù)值模擬［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2008，25(1):89－93.

［6］蔣鵬，李榮強，孔德坊.強夯大變形沖擊碰撞數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22(2):222－226.

［7］言志信，王永和，江平，王后裕.爆破地震測試及建筑結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(11):1 907－1 911.

［8］褚宏憲，史慧杰.強夯施工振動影響評價［J］.地基基礎(chǔ)工程，2004，7(11):78－80.

［9］GB6722—2011，爆破安全規(guī)程［S］.