填土地基強(qiáng)夯施工地面振動(dòng)監(jiān)測

王志楠，何小飛，沈錦儒

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210036)

1 概述

AQ500 kV變電站站區(qū)地質(zhì)條件尚好，但部分地段水塘面積達(dá)3400 m2，填土厚度較大。對(duì)填土場地必須進(jìn)行地基處理。

經(jīng)方案比較和專家評(píng)審決定采用分層碾壓和強(qiáng)夯相結(jié)合的方案。在工程實(shí)施前選擇了220 kV配電裝置區(qū)的一角場地進(jìn)行試夯。以獲取必要的設(shè)計(jì)、施工參數(shù)，同時(shí)對(duì)強(qiáng)夯沖擊波引起不同距離的地面振幅、速度和加速度等重要參數(shù)進(jìn)行必要的監(jiān)測和研究，評(píng)估其對(duì)環(huán)境的影響。

2 巖土工程條件與試夯工程

2.1 強(qiáng)夯區(qū)巖土工程條件

(1)場地設(shè)計(jì)高程為25.85 m，強(qiáng)夯區(qū)填土厚度為4～6.5 m。

(2)強(qiáng)夯區(qū)原狀土為③層粉質(zhì)粘土、④層粉質(zhì)粘土、⑤1層細(xì)砂巖、⑥1層泥巖。

(3)強(qiáng)夯區(qū)填土前將表層耕土和塘底軟土清除干凈后，分層填土。當(dāng)填土達(dá)到標(biāo)高后，用壓路機(jī)對(duì)土體表層進(jìn)行碾壓，以使表層密實(shí)，防止雨水下滲。填土面標(biāo)高需形成排水坡度，在強(qiáng)夯區(qū)南、北兩側(cè)各挖一條排水溝，將地表水引流至西側(cè)低洼的水塘內(nèi)。填土的土源盡量選擇透水性好的土，如表層開挖的全風(fēng)化細(xì)砂巖及泥巖或爆破的石料(粒徑控制在300 mm以內(nèi))，摻合挖方區(qū)的粉質(zhì)粘土或粉煤灰，粉粒以下的含量宜小于10%。

2.2 試夯工程

2.2.1 試夯區(qū)的選擇

AQ500 kV變電站的強(qiáng)夯區(qū)位于站區(qū)的西南角(圖1)，強(qiáng)夯區(qū)內(nèi)的水塘，為強(qiáng)夯處理厚度最大處，試夯區(qū)就選在該水塘處。強(qiáng)夯場地鄰近的建筑物為居民民房，主要為2層樓房，少量為土坯房，強(qiáng)夯區(qū)邊界距最近的民房約130 m。

圖1 強(qiáng)夯區(qū)、試夯區(qū)的平面位置圖

2.2.2 試夯設(shè)計(jì)與施工

強(qiáng)夯需處理的土層厚度≤6.5 m，根據(jù)DL/T5024－2005式(8.1.4)估算，當(dāng)影響系數(shù)α=0.6時(shí)，需要的夯擊能量為1174 kJ，設(shè)計(jì)采用的強(qiáng)夯參數(shù)見表1。

表1 強(qiáng)夯參數(shù)

3 地面振動(dòng)監(jiān)測

3.1 振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備及方法

(1)儀器設(shè)備

主要的儀器設(shè)備見表2。傳感器有2類分別為垂直向、水平向(徑向和環(huán)向)。整套測振設(shè)備在試驗(yàn)前均要進(jìn)行標(biāo)定，并以標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

表2 主要監(jiān)測設(shè)備

(2)測點(diǎn)的安置與測試方法

測振點(diǎn)不應(yīng)設(shè)在松軟的地層上，每測點(diǎn)處打一根長50 cm、 截面為10 cm×10 cm的木樁，拾振器就固定安裝在木樁頂端。拾振器放置方向應(yīng)根據(jù)需要而定，測鉛垂向的振動(dòng)就垂直放置，測水平向振動(dòng)的就水平放置。當(dāng)夯錘提起后，儀器進(jìn)入采集狀態(tài)，采集時(shí)間設(shè)置為15 s。強(qiáng)夯振動(dòng)全過程可以被記錄下來。每夯擊一次作為一個(gè)文件儲(chǔ)存。

強(qiáng)夯試驗(yàn)時(shí)對(duì)地面振動(dòng)的監(jiān)測應(yīng)遵循的國家規(guī)范是：國家標(biāo)準(zhǔn)GB10071－88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)的布置與分組

本次強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測的重點(diǎn)是變電站周邊房屋所在地的振動(dòng)。同時(shí)也對(duì)夯擊點(diǎn)附近的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)共計(jì)布置了6處(圖2)。夯點(diǎn)1～3在強(qiáng)夯試驗(yàn)場地內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)A在1～3號(hào)夯點(diǎn)附近，監(jiān)測點(diǎn)4在變電站北墻外的2層房屋南墻外0.5 m處，監(jiān)測點(diǎn)5在變電站圍墻西側(cè)的1層臨建南墻外0.5 m處。

圖2 試夯時(shí)測點(diǎn)布置圖

夯點(diǎn)1～3與測點(diǎn)A配合為3組監(jiān)測項(xiàng)目，列為第1～3組。夯點(diǎn)1～3與監(jiān)測點(diǎn)4、5配合共計(jì)完成6組監(jiān)測項(xiàng)目。由于測點(diǎn)4、5與夯點(diǎn)1～3的距離相差不大，故按夯點(diǎn)1～3的平均距離考慮，列為第4組、第5組分析。各組測點(diǎn)與強(qiáng)夯點(diǎn)的距離按坐標(biāo)值計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各組監(jiān)測點(diǎn)與夯點(diǎn)間的距離

3.3 強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測的成果

強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測的成果見表4、表5。

表4 鉛垂向振動(dòng)成果

表5 水平向振動(dòng)成果

由表4、5中可以看出，振動(dòng)加速度a在夯擊點(diǎn)的附近是鉛垂向?yàn)樽畲螅綇较虼沃?，水平環(huán)向最小；在離夯擊點(diǎn)24 m以外時(shí)，經(jīng)過衰減后，則以水平徑向?yàn)樽畲?，鉛垂向次之，水平環(huán)向依然最小；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)在200 m以外的遠(yuǎn)處，強(qiáng)夯引起的地面振動(dòng)已衰減得十分微弱。

圖3表示100 m內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)方向的地面振動(dòng)加速度a隨距離r變化的曲線圖。從圖中可見3條曲線互有交叉，顯示了它們的數(shù)值大小發(fā)生多次變化的情況。

圖3 三個(gè)方向地面振動(dòng)加速度a隨距離r變化曲線圖

圖4 三個(gè)方向地面振動(dòng)位移d隨距離r變化曲線圖

圖4表示100 m內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)方向的地面振動(dòng)位移d隨距離r變化的曲線圖。圖中水平環(huán)向的位移曲線始終在上面，鉛垂向的位移曲線在最下方。顯示了水平環(huán)向的地面振動(dòng)位移總是大于另外兩個(gè)方向，而鉛垂向的地面振動(dòng)位移始終是最小的。

4 振動(dòng)監(jiān)測成果的環(huán)境安全評(píng)估

4.1 強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測成果的整理

現(xiàn)將水平向合成的振動(dòng)加速度a、三向合成的振動(dòng)速度v、三向合成的振動(dòng)位移d及鉛垂向的振動(dòng)加速度級(jí)VAL見表6。

表6 整理后的振動(dòng)監(jiān)測成果

4.2 安全評(píng)估

4.2.1 對(duì)振動(dòng)速度的安全評(píng)估

將實(shí)測各組振動(dòng)速度三向合成的數(shù)據(jù)及其擬合曲線示于圖5。由擬合曲線可見振源近處衰減很快，遠(yuǎn)處衰減很慢。圖中擬合曲線的方程式為：

圖5 三向合成的地面振動(dòng)速度v與離夯點(diǎn)距離r關(guān)系曲線圖

由式(1)可知，地面振動(dòng)速度v由兩部分組成，一部分以r－2.16的形式傳播，直至遠(yuǎn)處，另一部分以e－0.2r的形式傳播，傳到60 m處已趨消失。由計(jì)算數(shù)據(jù)可知振源附近15 m范圍以前，式(1)中兩部分的比例約為10∶6，以遠(yuǎn)則前者的比例逐漸增大，直至60 m處變?yōu)?0∶ 0.01。

將實(shí)測值與方程(1)的計(jì)算值見表7，可見兩者較接近。

表7 各組三向合成的速度v及擬合曲線的計(jì)算值

一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物安全允許振動(dòng)速度v(cm/s)如下：

“＜10 Hz，2.0～2.5；10～50 Hz，2.3～2.8，50～ 100 Hz，2.7～3.0”。

從表7可見r=24.52 m處的地面振動(dòng)速度已經(jīng)在安全允許標(biāo)準(zhǔn)以下了。

4.2.2 對(duì)鉛垂向Z振級(jí)的安全評(píng)估

對(duì)照國家標(biāo)準(zhǔn)GB10070－88規(guī)定的城市各類區(qū)域鉛垂向的Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。本工程屬于居民、文教區(qū)，其鉛垂向的Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值為：晝間70 dB，夜間67 dB。

距離夯擊點(diǎn)24.5 m處監(jiān)測到的鉛垂向的Z振級(jí)VAL為95.2 dB，高于安全允許標(biāo)準(zhǔn)值70 dB。距離夯擊點(diǎn)213.28 m監(jiān)測到鉛垂向的Z振級(jí)VAL為59.7 dB，低于安全允許標(biāo)準(zhǔn)值。從24.5 ～213.28 m，究竟距離r為何值時(shí)才能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)呢？

將各組實(shí)測的鉛錘向Z振級(jí)VAL數(shù)據(jù)與擬合曲線繪于圖6。圖6中擬合曲線的方程式為：

圖6 鉛錘向Z振級(jí)VAL與離夯點(diǎn)距離r關(guān)系曲線圖

擬合曲線是以對(duì)數(shù)曲線的形式衰減，近處衰減略快，遠(yuǎn)處衰減略慢。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)呈直線狀。將實(shí)測值與方程(2)的計(jì)算值列于表8，兩者比較接近。

表8 鉛錘向Z振級(jí)VAL實(shí)測值及擬合曲線的計(jì)算值

上表顯示：當(dāng)距夯擊點(diǎn)125.0 m時(shí)，VAL=66.4 dB，低于國家規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，而居民點(diǎn)離強(qiáng)夯施工區(qū)的邊緣在125 m以上，可見本工程強(qiáng)夯施工時(shí)振動(dòng)加速度鉛錘向Z振級(jí)都能控制在國家規(guī)定的允許值以下。

4.2.3 對(duì)地面振動(dòng)加速度a的安全評(píng)估

“當(dāng)有自由場地強(qiáng)震動(dòng)記錄時(shí)，水平向地震動(dòng)峰值加速度可作為綜合評(píng)定地震烈度的參考指標(biāo)”。

從表6中的數(shù)據(jù)可以看出，距離振源24.52 m處，水平地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度a為0.58 m/s2，相當(dāng)于0.06 g，對(duì)應(yīng)于《中國地震烈度表》中的烈度為Ⅵ度。根據(jù)圖3推算，距離振源125 m處的地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度a約為0.07 m/s2，表6顯示的地面振動(dòng)速度v =0.037 cm/s，所以當(dāng)r =125 m時(shí)，強(qiáng)夯所引起的水平地面運(yùn)動(dòng)微弱。

4.2.4 對(duì)地面振動(dòng)位移d的安全評(píng)估

從圖4中可見，3個(gè)方向的地面振動(dòng)位移d隨離夯點(diǎn)的距離r的增大均急劇地衰減，當(dāng)r達(dá)到50 m時(shí)，3條曲線幾乎都與橫坐標(biāo)接近了。表6中的三向合成的位移值，當(dāng)r =24.52 m和213.28 m時(shí)，位移值d分別為0.60 mm和0.004 mm。經(jīng)推算，當(dāng)r =125 m時(shí)，d＜0.1 mm，此振幅值除對(duì)精密儀器設(shè)備有一定影響外，對(duì)一般建筑物不會(huì)造成損壞。可見本工程強(qiáng)夯施工引起的地面振動(dòng)，不會(huì)造成周邊民居和臨建發(fā)生損壞。

4.3 振動(dòng)影響場地的分區(qū)

根據(jù)本次實(shí)測數(shù)據(jù)和擬合曲線，參考有關(guān)國內(nèi)外資料，以振動(dòng)加速度作為判據(jù)，按建(構(gòu))筑物破壞標(biāo)準(zhǔn)或人體對(duì)振動(dòng)的允許標(biāo)準(zhǔn)，可將振動(dòng)影響場地劃分為4區(qū)。

(1)振動(dòng)破壞區(qū)：離夯點(diǎn)小于15 m。該區(qū)域內(nèi)土體振動(dòng)加速度大于4.0 m/s2，速度大于5 cm/s，振幅大于1.0 mm，鉛錘向振動(dòng)加速度Z振級(jí)值大于100 dB。振動(dòng)將對(duì)該區(qū)域內(nèi)一般建筑物造成破壞。

(2)振動(dòng)損壞區(qū)：離夯點(diǎn)15～30 m。該區(qū)域內(nèi)土體振動(dòng)加速度為0.2～4.0 m/s2，速度為1～5 cm/s，振幅0.4～2.6 mm，鉛錘向振動(dòng)加速度Z振級(jí)值為90～100 dB。振動(dòng)將對(duì)該區(qū)域內(nèi)一般建筑物造成一定程度損壞。

(3)相對(duì)安全區(qū)：離夯點(diǎn)30～125 m。該區(qū)域內(nèi)土體振動(dòng)加速度小于0.2 m/s2，速度小于1 cm/s，振幅小于0.4 mm，鉛錘向振動(dòng)加速度Z振級(jí)值大于67 dB，未達(dá)標(biāo)。振動(dòng)對(duì)該區(qū)域內(nèi)除精密儀器設(shè)備有一定影響和使部分居民感到煩躁外，對(duì)一般建筑物不會(huì)造成損壞。

(4) 安全區(qū)：離夯點(diǎn)125 m以外。r=125 m處的振動(dòng)加速度已小于0.1 m/s2，振動(dòng)速度小于0.11 cm/s，振幅小于0.1 mm，鉛錘向振動(dòng)加速度Z振級(jí)值為66.4 dB，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，振動(dòng)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的一切都沒有不安全的影響。

5 結(jié)語

(1)距夯擊點(diǎn)24.52 m處監(jiān)測到的地面振動(dòng)速度僅13.8 mm/s，已小于國家規(guī)定的允許值，距夯擊點(diǎn)125 m處的地面振動(dòng)速度的推算值為0.37 mm/s，遠(yuǎn)小于國家規(guī)定的允許值。

(2)距夯擊點(diǎn)24.52 m處的地面水平加速度值為0.58 m/s2，相當(dāng)于我國地震烈度表中的Ⅵ度，距離夯擊點(diǎn)125 m處的地面水平加速度值為0.07 m/s2，強(qiáng)夯引起的水平地面運(yùn)動(dòng)微弱。

(3)距夯擊點(diǎn)125 m處的振動(dòng)加速度Z振級(jí)值為66.4 dB，其余評(píng)估指標(biāo)均小于國家規(guī)定的允許值。

(4)本工程強(qiáng)夯施工期間，距離夯點(diǎn)15 m以內(nèi)屬振動(dòng)破壞區(qū)；15～30 m間的區(qū)域是振動(dòng)損壞區(qū)；30～125 m間為相對(duì)安全區(qū)；125 m以遠(yuǎn)為安全區(qū)。變電站圍墻外的房屋均在安全區(qū)內(nèi)，強(qiáng)夯施工對(duì)它們不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

[1]地基處理手冊(cè)編寫委員會(huì)．地基處理手冊(cè)(第二版)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000．

[2]DL/T5024－2005，電力工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]監(jiān)測組．AQ500kV變電站強(qiáng)夯振動(dòng)環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告[R]．南京：南京安正軟件工程有限責(zé)任公司，2009．

[4]GB10070－88，城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[5]GB10071－88，城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法[S]．

[6]GB6722－2003，爆破安全規(guī)程[S]．

[7]GB/T17742－2008，中國地震烈度表[S]．

[8]胡鈞，李昊．強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測與分析[J]．工程勘察，2000，(6)．