袁方龍，陳明，喻志發(fā)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；3.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222；4.神華天津煤炭碼頭有限責(zé)任公司，天津300452）

0 引言

國(guó)家“十三五”發(fā)展規(guī)劃的實(shí)施以及網(wǎng)絡(luò)智能化水平的提高促使港口行業(yè)快速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張期，碼頭智能化、專(zhuān)業(yè)化程度逐步提升，加強(qiáng)對(duì)老舊堆場(chǎng)的改造，以及推進(jìn)智慧碼頭建設(shè)，是港口企業(yè)今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。受施工工藝和場(chǎng)地歷史用途的影響，碼頭堆場(chǎng)表層存在不同厚度的硬殼層，且下臥軟弱土層的不均勻性和區(qū)域性較明顯，因此，避免場(chǎng)地使用期產(chǎn)生不均勻沉降是港口碼頭建設(shè)[1-2]的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

強(qiáng)夯法[3-5]是提高土體物理力學(xué)特性，降低地基壓縮性最直接有效的方法，而強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周?chē)ǎ?gòu)）筑物的正常使用和安全性會(huì)產(chǎn)生一定影響，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地基受強(qiáng)夯振動(dòng)的規(guī)律性展開(kāi)深入研究，解林博等[6]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了人工島海堤受強(qiáng)夯振動(dòng)的規(guī)律，對(duì)影響地基振動(dòng)速度的因素進(jìn)行了總結(jié)；鹿子林等[7]針對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的特點(diǎn)，研究了夯擊能量、夯擊數(shù)等參數(shù)對(duì)距離夯點(diǎn)最近橋墩的振動(dòng)影響規(guī)律，并給出最小安全距離，從而保證了建筑物的安全；丁文湘等[8]采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，分析了強(qiáng)夯加固地基土振動(dòng)傳播特性及隔振孔的隔振效果，研究成果對(duì)于強(qiáng)夯施工周邊環(huán)境振動(dòng)控制具有重要參考價(jià)值。

目前強(qiáng)夯法在加固表層存在雜填土和連鎖塊等硬殼層的飽和軟土地基[9]的應(yīng)用較少，地基受強(qiáng)夯振動(dòng)的規(guī)律性尚不清楚，進(jìn)行深入研究對(duì)于指導(dǎo)硬殼層地基強(qiáng)夯施工，保障周邊環(huán)境安全具有重要意義。本文以天津港某集裝箱碼頭工程為依托，實(shí)地監(jiān)測(cè)并分析了不同硬殼層厚度，不同強(qiáng)夯施工參數(shù)（夯錘半徑、夯擊次數(shù)，夯擊遍數(shù)）等條件下地基的振動(dòng)規(guī)律，為類(lèi)似場(chǎng)地強(qiáng)夯安全施工提供有效參考和借鑒。

1 工程概況

本工程陸域道路堆場(chǎng)區(qū)占地面積74.69萬(wàn)m2（距碼頭前沿線約70 m，靜止水位埋深0.1~2.9 m），場(chǎng)地受歷史原因曾多次使用，堆填經(jīng)歷多次維修、翻新，整平，但未經(jīng)正式的地基處理，道路及堆場(chǎng)布置自由、零散。

場(chǎng)地表層分布2.0~7.0 m厚雜填土結(jié)構(gòu)層，主要由磚塊、大塊混凝土、碎石及廢土組成，鉆探時(shí)局部巖芯呈柱狀或碎塊狀，局部含鋼筋，疑似混凝土建筑垃圾；雜填土以下為層厚2.0~6.5 m的黏土層，呈流塑—軟塑狀態(tài)，屬高壓縮性土，土質(zhì)不均，夾淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土透鏡體。

場(chǎng)區(qū)表層土層分布不均勻，水平向淺層土體強(qiáng)度及厚度分布規(guī)律性較差，為保證場(chǎng)地沉降滿足后期使用要求，選擇強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理，根據(jù)雜填土厚度不同，夯擊能選擇范圍為1 800~2 600 kN·m，采取柱錘點(diǎn)夯4遍后，用平錘滿夯6遍，柱錘每遍夯擊次數(shù)為3~7擊（平均5擊），平錘每遍夯擊次數(shù)為6~8擊（平均7擊），每遍夯擊結(jié)束后，場(chǎng)區(qū)進(jìn)行整平碾壓。

2 監(jiān)測(cè)儀器及布置要求

2.1 監(jiān)測(cè)儀器

強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用L20-N型測(cè)振儀，數(shù)據(jù)采集包括三向振幅值和主振頻率，大量數(shù)據(jù)表明，地基強(qiáng)夯振動(dòng)速度峰值最大值出現(xiàn)在與地基表面垂直的方向（Z向），故取Z向振速峰值進(jìn)行分析。

2.2 儀器布置要求

為保證振動(dòng)曲線特征更真實(shí)地反映強(qiáng)夯地基的振動(dòng)規(guī)律，監(jiān)測(cè)儀器布置應(yīng)滿足以下要求：

1）儀器布置選取土層分布相對(duì)均勻且具有代表性的場(chǎng)地。

2）儀器埋設(shè)方式應(yīng)符合要求，包括傳感器安裝要盡量做到牢固、接觸面密實(shí)；為了把因與地面結(jié)合導(dǎo)致的失真減少到最小，埋深深度至少應(yīng)為傳感器主要尺寸的3倍，且回填料應(yīng)優(yōu)先選用原土質(zhì)。

3）傳感器箭頭方向（水平徑向X）指向震源，且水平放置。

3 研究?jī)?nèi)容及方法

本次研究?jī)?nèi)容包括：

1）硬殼層厚度對(duì)地基振動(dòng)的影響。取硬殼層厚度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的場(chǎng)區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，各區(qū)距離夯點(diǎn)20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m布置測(cè)振儀，采集同一夯擊數(shù)下各點(diǎn)的振速峰值。

2）夯錘半徑對(duì)地基振動(dòng)的影響。在表層存在5 m厚硬殼層的試驗(yàn)區(qū)，用不同半徑（1.0 m、1.2 m、1.5 m）的夯錘進(jìn)行夯擊，取同一夯擊數(shù)下地基的振速峰值。

3）夯擊次數(shù)對(duì)地基振動(dòng)的影響。在各試驗(yàn)區(qū)距夯點(diǎn)20 m處埋設(shè)振動(dòng)傳感器，采集各試驗(yàn)區(qū)地基土在夯擊過(guò)程中的振速峰值，并分析振速峰值變化規(guī)律。

4）夯擊遍數(shù)對(duì)地基振動(dòng)的影響規(guī)律。柱錘夯破硬殼層后，在每遍平錘滿夯結(jié)束時(shí)，在各試驗(yàn)區(qū)距離夯點(diǎn)30 m處埋設(shè)振動(dòng)傳感器，在同一夯擊次數(shù)下，觀測(cè)并分析振動(dòng)峰值變化規(guī)律。

結(jié)合項(xiàng)目周邊環(huán)境及爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)[10]，研究結(jié)果按表1進(jìn)行判斷。

表1 振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Allowable standard of vibration safety

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 硬殼層厚度影響結(jié)果分析

圖1給出了柱錘破除硬殼層階段，在2 000 kN·m夯擊能作用下，各試驗(yàn)區(qū)地基的振速峰值分布規(guī)律。由圖可知，試驗(yàn)區(qū)硬殼層越厚，振速峰值越大，且振速峰值隨著夯點(diǎn)距離的增加呈衰減的變化規(guī)律，硬殼層越厚，振速峰值衰減幅度越明顯；當(dāng)距離夯點(diǎn)70 m時(shí)，各試驗(yàn)區(qū)振動(dòng)峰值衰減至0，若強(qiáng)夯振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)表1中振速最小控制值（1.5 cm/s）考慮，則試驗(yàn)區(qū)最小安全距離范圍為37~58 m（硬殼層厚2~6 m）。因此，為了保障周?chē)そǎ?gòu)）筑物的安全，在安全距離范圍內(nèi)應(yīng)采取相應(yīng)的隔振措施。

圖1 不同硬殼層厚度條件下的夯點(diǎn)距離-振速峰值分布曲線Fig.1 Distribution curve of tamping point distancevibration velocity peak value under different crust thickness

4.2 夯錘半徑影響結(jié)果分析

圖2給出了表層存在5 m厚硬殼層地基，在2 000 kN·m夯擊能作用下，夯錘半徑分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m時(shí)，地基的振速峰值分布曲線。

圖2 不同夯錘半徑條件下的夯點(diǎn)距離-振速峰值分布曲線Fig.2 Distribution curve of tamping point distance-vibration velocity peak value under different rammer radius

由圖2可知，在相同夯擊能下，錘徑越小，地基振動(dòng)越劇烈，所對(duì)應(yīng)的最小安全距離越大，且隨著夯點(diǎn)距離的增加振速峰值衰減越明顯。因此，在強(qiáng)夯施工過(guò)程中，在滿足地基加固效果的前提下，為了減小強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周?chē)ǎ?gòu)）筑物的影響，應(yīng)優(yōu)先考慮采用錘徑較大的夯錘。

4.3 夯擊次數(shù)影響結(jié)果分析

圖3給出了柱錘破除硬殼層階段，在2 000 kN·m夯擊能作用下，各試驗(yàn)區(qū)地基的振速峰值變化規(guī)律。由圖可知，硬殼層越厚，振速峰值越大，且各試驗(yàn)區(qū)地基振速峰值隨夯擊數(shù)的增加而逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定擊數(shù)時(shí)，振速峰值出現(xiàn)陡降，這是由于隨著單點(diǎn)夯擊數(shù)的增加，硬殼層的結(jié)構(gòu)性和整體性逐漸被破壞，致使振速峰值逐漸減小，當(dāng)夯擊到一定程度，硬殼層發(fā)生貫通破壞，夯錘穿過(guò)硬殼層到達(dá)下臥軟土層，致使夯擊能被黏土層大幅度吸收消散，振速峰值出現(xiàn)陡降，且硬殼層越厚，發(fā)生貫通破壞所需的夯擊次數(shù)越多，因此，在柱夯破除硬殼層時(shí)可參考地基振速變化規(guī)律，及時(shí)終錘，避免因夯錘穿過(guò)硬殼層而破壞軟弱黏土層的結(jié)構(gòu)性，以及避免沒(méi)錘、丟錘情況的發(fā)生。

圖3 夯擊數(shù)-振速峰值變化曲線Fig.3 Variation curve of tamping number-vibration velocity peak value

4.4 夯擊遍數(shù)影響結(jié)果分析

圖4給出了平錘夯擊階段，各試驗(yàn)區(qū)在每遍平錘夯擊結(jié)束后，首次夯擊時(shí)地基的振動(dòng)峰值變化曲線。由圖可知，每遍平夯結(jié)束后，各試驗(yàn)區(qū)地基的振動(dòng)峰值均得到不同程度的增長(zhǎng)，且硬殼層越厚，振速峰值增幅越大；各試驗(yàn)區(qū)振速峰值最大增幅對(duì)應(yīng)的夯擊遍數(shù)不同，如6 m厚硬殼層增幅最大值出現(xiàn)在第4遍夯擊，2 m厚硬殼層增幅最大值出現(xiàn)在第2遍夯擊，之后隨著夯擊遍數(shù)增加，振速峰值增幅逐漸減小，直至穩(wěn)定，分析原因?yàn)槠瞥矚拥牡鼗谄藉N作用下逐漸被夯實(shí)，密實(shí)度、結(jié)構(gòu)性逐漸增加，在特定夯擊能作用下，地基土密實(shí)度逐漸達(dá)到峰值后不再增長(zhǎng)，致使振速峰值前期增長(zhǎng)較快，最終趨于穩(wěn)定。因此，在強(qiáng)夯加固過(guò)程中，進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠有效評(píng)價(jià)地基土的加固效果，為強(qiáng)夯設(shè)計(jì)和施工提供夯擊遍數(shù)最佳優(yōu)化方案，同時(shí)，根據(jù)振速峰值變化規(guī)律，可及時(shí)為保障周?chē)ǎ?gòu)）筑物的安全提供合理化建議。

圖4 夯擊遍數(shù)-振速峰值變化曲線Fig.4 Variation curve of tamping times-vibration velocity peak value

5 結(jié)論及建議

通過(guò)分析在不同硬殼層厚度、不同強(qiáng)夯施工參數(shù)（夯錘半徑、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)）等條件下地基受強(qiáng)夯振動(dòng)的規(guī)律性，得出：

1）在柱錘破除硬殼層階段，試驗(yàn)區(qū)硬殼層越厚，強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)地基土的影響程度越劇烈；振速峰值隨著夯點(diǎn)距離的增加呈衰減的趨勢(shì)，且硬殼層越厚，振速峰值衰減幅度越明顯。

2）試驗(yàn)區(qū)最小安全距離范圍為37~58 m（對(duì)應(yīng)硬殼層厚度為2~6 m），為了保障周?chē)そǎ?gòu)）筑物的安全，在安全距離范圍內(nèi)應(yīng)采取相應(yīng)的隔振措施。

3）在相同夯擊能下，錘徑越小，地基振動(dòng)越劇烈，所對(duì)應(yīng)的最小安全距離越大，且隨著夯點(diǎn)距離的增加振速峰值衰減越明顯，在滿足地基加固效果的前提下，為減小強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)周?chē)ǎ?gòu)）筑物的影響，應(yīng)優(yōu)先考慮采用錘徑較大的夯錘。

4）在柱錘破除硬殼層階段，各試驗(yàn)區(qū)地基振速峰值隨夯擊數(shù)增加而逐漸減小，當(dāng)夯擊到一定程度，硬殼層發(fā)生貫通破壞，夯擊能被下臥軟土層吸收、消散，振速峰值出現(xiàn)陡降，因此，在柱夯破除硬殼層時(shí)應(yīng)參考地基振速變化規(guī)律，及時(shí)終錘，避免因夯錘穿過(guò)硬殼層而破壞下臥軟土層的結(jié)構(gòu)性，以及避免沒(méi)錘、丟錘情況的發(fā)生。

5）在平錘夯實(shí)階段，各試驗(yàn)區(qū)地基的振速峰值在每遍平夯施工后，均得到不同程度的增長(zhǎng)，硬殼層越厚，振速峰值增幅越大；各試驗(yàn)區(qū)振速峰值最大增幅所對(duì)應(yīng)夯擊遍數(shù)不同，隨著夯擊遍數(shù)增加，振速峰值增幅逐漸減小，直至穩(wěn)定。因此，在強(qiáng)夯加固過(guò)程中進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠有效評(píng)價(jià)地基土的加固效果，為強(qiáng)夯設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化最佳夯擊遍數(shù)等方案，同時(shí)，根據(jù)振速峰值變化規(guī)律，及時(shí)為保障周?chē)ǎ?gòu)）筑物的安全提供合理化建議。