打樁振動(dòng)對(duì)人體舒適性影響的分析

吳小波

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

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打樁振動(dòng)對(duì)人體舒適性影響的分析

吳小波

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

打樁振動(dòng)對(duì)人體舒適度的影響可通過Z振級(jí)表示，對(duì)打樁振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，獲取相應(yīng)Z振級(jí)數(shù)據(jù)，參照《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》可確定樁基施工振動(dòng)的不受影響區(qū)界限。

打樁；振動(dòng)；舒適性

0 引言

近年來關(guān)于各種振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞問題, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾做過許多研究, 其結(jié)果大多是以最大質(zhì)點(diǎn)速度作為破壞的判別標(biāo)準(zhǔn),不同作者由于其研究背景(振源特性、傳播介質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型等) 不同, 得出的破壞標(biāo)準(zhǔn)也不完全一致[1]。

交通、施工引起的振動(dòng)通過地基傳播到附近的建筑物，許多國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)表明，引起建筑物損傷的振動(dòng)水平一般要遠(yuǎn)高于人體振動(dòng)感知閾值，但只要居住建筑的振動(dòng)稍微超過人的感知水平時(shí)，就會(huì)引起居住者產(chǎn)生不滿[2]。

打樁對(duì)建筑物的振動(dòng)影響隨著與振源距離的增加地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度基本上呈指數(shù)衰減，在距離振源一定距離處，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振速小于某一規(guī)定的容許限值時(shí)，則認(rèn)為建筑物是安全的，但在安全距離外，經(jīng)常出現(xiàn)距振源很遠(yuǎn)處人們?nèi)愿械秸鸶忻黠@，并由此對(duì)房屋安全產(chǎn)生擔(dān)憂。

打樁施工產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)影響涉及鄰近房屋的安全和振動(dòng)污染問題,應(yīng)引起足夠的重視。開展環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)是一種可行的方法。

1 振動(dòng)測(cè)試方法

對(duì)打樁施工引起的振動(dòng)響應(yīng)可以通過各種測(cè)振系統(tǒng)來記錄分析，傳感器可以檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)的位移、速度或加速度的時(shí)間歷程。一套完整的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常由傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集組成。傳感器是將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)在要求的一定范圍內(nèi)正確地轉(zhuǎn)換成電量，根據(jù)所測(cè)的物理量分為位移計(jì)、速度計(jì)和加速度計(jì)。信號(hào)調(diào)理主要作用是將傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、積分微分和濾波后再輸出到信號(hào)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集的核心內(nèi)容是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并加以存儲(chǔ)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)我們選用的測(cè)試系統(tǒng)由速度傳感器、抗混濾波器、A /D 采集儀、振動(dòng)分析軟件等組成。傳感器選用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的891和941型, 它屬于動(dòng)圈往復(fù)式拾振器, 設(shè)有小、中、大速度和加速度4 檔。為了保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠,整套測(cè)振設(shè)備在試驗(yàn)前均要進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

在進(jìn)行打樁振動(dòng)衰減測(cè)試時(shí), 場(chǎng)地上的測(cè)振點(diǎn)不應(yīng)設(shè)在浮土、草地、松軟的地層上, 通常是在每測(cè)點(diǎn)處打1根木樁或鋼樁穿透上表軟弱層, 傳感器固定安裝在樁頂端[3]。根據(jù)測(cè)試需要傳感器的靈敏度主軸方向始終與量測(cè)的振動(dòng)波傳播方向一致，測(cè)線沿振動(dòng)衰減的方向進(jìn)行布置。

2 打樁振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 沖孔樁施工振動(dòng)測(cè)試

福廈鐵路木蘭溪特大橋沖孔樁施工，沖孔樁樁徑1.25m，沖擊土層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。測(cè)試時(shí)施工進(jìn)尺約9m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用1KHz采樣頻率，距離沖孔樁3m的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)波形及頻譜，如圖1所示，各測(cè)點(diǎn)的峰值振速及主頻統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

測(cè)點(diǎn)距離/m峰值振速/(mm/s)主頻/HzVLz/dB1311.6210.5102.6266.0711.598.83102.8212.089.54151.3612.087.75200.7913.881.96300.3613.873.97400.0517.056.98500.0411.856.2

2.2 錘擊樁施工振動(dòng)測(cè)試

某地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目商住樓地上18層，地下一層，基樁采用PHC400、PHC500預(yù)應(yīng)力管樁，開口型樁尖，樁身混凝土為C80，錘擊成樁；工程擬建場(chǎng)地為海陸交互相沉積形成的平原地貌單元，場(chǎng)地內(nèi)巖土層自上而下分為雜填土①中砂②-1、含卵石礫砂②-2、粉質(zhì)粘土③泥巖砂質(zhì)粘土④-1、泥巖殘積礫質(zhì)粘土④-2、全風(fēng)化泥巖⑤-1、強(qiáng)風(fēng)化泥巖⑤-2、全風(fēng)化含燧石灰?guī)r⑥-1、強(qiáng)風(fēng)化含燧石灰?guī)r⑥-2等10個(gè)工程地質(zhì)層。設(shè)計(jì)樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化含燧石灰?guī)r層，有效樁長(zhǎng)約30m～40m。距離錘擊樁45m的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)波形及頻譜如圖2所示，各測(cè)點(diǎn)的峰值振速及主頻統(tǒng)計(jì)見表2所示。

測(cè)點(diǎn)距離/m峰值振速/(mm/s)主頻/HzVLz/dB15.618.2710.9102.7226.05.768.293.6335.02.9410.090.0445.02.7510.991.0550.02.0910.389.6674.71.209.773.7783.50.929.773.18109.10.485.067.4

3 打樁振動(dòng)Z振級(jí)

在打樁施工引起的振動(dòng)作用下，建筑物受到振動(dòng)加速度的作用產(chǎn)生慣性力，可能引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)破壞。打樁引起的地震動(dòng)除了對(duì)建筑物造成影響外還會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不適的影響，人體對(duì)振動(dòng)造成的舒適性降低的感受比房屋振動(dòng)反應(yīng)要敏感的多，BS5228-2:2009 給出了人體振動(dòng)感知與振動(dòng)速度峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

表3 振動(dòng)大小和人的感覺[4]

為評(píng)價(jià)地面振動(dòng)對(duì)人體造成的影響,通常將振動(dòng)強(qiáng)度化為振動(dòng)加速度級(jí)，振動(dòng)加速度級(jí)根據(jù)我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》定義為:

(1)

式中:VAL為振動(dòng)加速度級(jí)(dB)；

a為振動(dòng)加速度有效值(m·s-2) ;

a0為基準(zhǔn)加速度(10-6m·s-2)。

Z振級(jí)是指按ISO2631/1-1985規(guī)定的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí)，記為VLz(單位為dB)，Z振級(jí)反映人體對(duì)環(huán)境振動(dòng)的感受。

目前國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)加速度級(jí)存在單值計(jì)權(quán)評(píng)價(jià)量Z振級(jí)和分頻多值評(píng)價(jià)量VAL的不同指標(biāo)，Z振級(jí)為單值計(jì)權(quán)評(píng)價(jià)量，與分頻多值評(píng)價(jià)量VAL之間可在1/3倍頻程分析的基礎(chǔ)上按下式進(jìn)行換算：

(2)

式中：La,i是第i個(gè)中心頻率上所測(cè)得的振動(dòng)加速度級(jí)(dB)；Wi是該頻率上Z方向的計(jì)權(quán)因子(dB)。

由于環(huán)境振動(dòng)往往呈現(xiàn)不規(guī)則且大幅度變動(dòng)的情況，因此往往需要用統(tǒng)計(jì)的方法，用不同的振級(jí)出現(xiàn)的概率或累計(jì)概率來表示。我國(guó)城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(GB10070)根據(jù)居民的反應(yīng)，環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的可行性，給出了城市區(qū)域室內(nèi)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值列于表4中。

表4 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值(dB)

通過對(duì)2.1及2.2中兩個(gè)工程實(shí)例的沖孔樁施工與錘擊樁施工所測(cè)結(jié)果進(jìn)行1/3倍頻程分析，并計(jì)算了整個(gè)施工過程的最大Z振級(jí)，結(jié)果詳見上文表1、表2。圖1統(tǒng)計(jì)了Z振級(jí)分別對(duì)應(yīng)的峰值振速。圖2給出了沖孔樁施工與錘擊樁施工振動(dòng)Z振級(jí)隨距離的衰減關(guān)系。

由表1、表2及圖3、圖4可以看出：

打樁振動(dòng)實(shí)測(cè)表明,打樁引起的環(huán)境振動(dòng)是瞬時(shí)沖擊振動(dòng), 振動(dòng)頻率主要集中在5Hz～15 Hz, 單擊振動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般不超過1s。

沖孔樁施工在距離3m處產(chǎn)生11.62mm/s的峰值振速，Z振級(jí)102.6dB；錘擊樁施工在距離5.6處產(chǎn)生18.27mm/s的峰值振速，Z振級(jí)102.7dB；峰值振速差異明顯，Z振級(jí)卻相當(dāng)。

沖孔樁施工產(chǎn)生的振動(dòng)在距離振源20m外的Z振級(jí)已衰減至80dB，而錘擊樁施工產(chǎn)生的振動(dòng)在距離振源50m外的Z振級(jí)仍達(dá)到90dB。

4 結(jié)語

由于人體振動(dòng)感知閾值明顯低于建筑物損傷的振動(dòng)水平，打樁振動(dòng)在滿足建筑物振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的情況下也時(shí)常會(huì)引起居住者的投訴。

樁基施工振動(dòng)在地面峰質(zhì)點(diǎn)振速達(dá)到1mm/s時(shí)產(chǎn)生的鉛垂向Z振級(jí)可達(dá)到80dB；地面峰質(zhì)點(diǎn)振速達(dá)到2mm/s時(shí)產(chǎn)生的鉛垂向Z振級(jí)可接近90dB。這一峰值振速可滿足一般建筑的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，但就環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)而言卻是超限的。

錘擊樁施工較沖孔樁施工振動(dòng)衰減慢，影響距離大，在考慮人體舒適性的條件下，參照現(xiàn)有的環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，沖孔樁施工的影響范圍在40m已基本能保證，但對(duì)錘擊樁通常需要考慮到70m。

[1] 林建生,吳淑美,王源毅，等.打樁對(duì)周圍建筑振動(dòng)影響的研究與實(shí)例分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究. 1999,20(4).

[2] 楊宜謙. 人體全身振動(dòng)的感知閾值[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012,12(34).

[3] GB/T 14124-2008 機(jī)械振動(dòng)與沖擊·建筑物的振動(dòng)振動(dòng)測(cè)量及其對(duì)建筑物影響的評(píng)價(jià)指南[S].2008.

[4] BS 5228-2:2009 Code of practice for noise and vibration control on construction and open sites-Part 2 Vibration[S].2009.

[5] GB 10070-88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

Analysis on the influence of piling on human body comfort

WUXiaobo

(Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025)

The influence of piling on human body comfort can be expressed by Z vibration acceleration, corresponding Z vibration acceleration is obtained by calculating and analyzing the results of piling vibration , based on the Standard of environmental vibration in urban area, the unaffected zone boundary of the piling on human body comfort can be determined.

Piling；Vibration; Human body comfort

吳小波(1978.8- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:842238603@qq.com

2016-07-07

TU441+.8

A

1004-6135(2016)10-0067-03