雙減振溝強夯減振實驗研究*

郭 宏，王 璇，董彥莉，趙 棟

(中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

強夯法為常見的地基處理技術(shù)，自從20世紀70年代引入我國以來，以其原位處理的明顯技術(shù)優(yōu)勢得以迅速發(fā)展和推廣，當(dāng)前強夯的夯擊能量最大可達15 000 kN·m(錘重達300 t，落錘高度達50 m). 強夯法是通過夯錘自由落下的沖擊能量對地基土體進行夯實[1]，普通的強夯施工錘重一般為8～30 t，落距一般為8～25 m，與土體接觸后產(chǎn)生2 000～6 000 kN·m的沖擊能. 本文的實驗場地屬于濕陷性黃土，采用的是動力固結(jié)法[2-3]. 采用強夯法處理后，地基土土層均勻性和強度都有提高，土體的壓縮性和差異沉降都有所降低. 強夯法處理地基工程成本低、工期短，但強夯產(chǎn)生的面波會引起土體表層的松弛變形，對周圍建筑物安全造成威脅[4]，強夯多用在郊外及建筑物、地下管線稀少的地方，在城鎮(zhèn)地區(qū)難以廣泛應(yīng)用. 在保證強夯質(zhì)量的前提下減少強夯振動影響可擴大強夯的使用范圍. 減少強夯對周圍的影響主要是削減瑞利波的傳播，根據(jù)強夯振動衰減規(guī)律[5]和減振形式[6]，在施工場地受到限制時常采用錐形置換錘法[7]和設(shè)置減振溝的措施減少強夯振動影響. 減振溝可有效削弱、過濾瑞利波，減小強夯振動速度對建筑物、構(gòu)筑物的影響，達到減振目的. 我國對強夯安全允許振速的研究主要參照《爆破安全規(guī)程》[8]相關(guān)規(guī)定. 錐形置換錘[9]效率低、夯擊能小，使用范圍受限； 減振溝[10]措施因成本低、工期短、效果好而廣泛應(yīng)用，但當(dāng)建筑物與強夯施工區(qū)距離較近，單減振溝不能滿足減振要求.

減振溝的減振效果與其深度有關(guān)，一般地，開挖深度越大其效果也越好[11]. 工程中考慮到施工能力、成本投入及后期溝渠恢復(fù)的難度等因素，溝渠深度一般不超過6 m，而溝渠寬度對減振效果基本不影響[12]. 工程實踐中通常使用一條減振溝減振，在建筑物與強夯施工區(qū)距離較近，一條減振溝減振不能滿足減振要求時，往往放棄強夯改用其他地基處理方式，不僅成本高而且延誤工期.

本文研究在一條減振溝不能滿足要求的情況下，在其旁平行開挖第二條溝渠時，兩條減振溝的減振情況. 通過檢測不同情況下強夯引起的地面振動速度及頻率，驗證了強夯振動特征及衰減規(guī)律，對比分析無減振溝、單減振溝、雙減振溝三種情況振動速度的衰減規(guī)律，探討單減振溝、多減振溝對減少強夯振動影響的效果.

1 減振溝減振實驗

1.1 實驗場地概況

檢測場地位于大學(xué)城相鄰位置，大學(xué)城地處晉中北山山前傾斜平原，場地的密實度為稍密-中密，場地濕陷性程度為輕微-中等. 場地表層土為后期填土，土體均勻性不一致； 第2層為黃土狀粉土，中等壓縮性，3.5 m厚； 第3層為粗砂粒，中密，局部夾雜； 第4層為粉土，中等壓縮性，5 m厚； 第5層為粉質(zhì)粘土，中等壓縮性，厚度不確定. 根據(jù)場地土情況決定采用強夯法處理整個場地.

1.2 振動測試方案

分兩次實驗，第一次實驗測試與地面水平和垂直方向上的振動速度，記錄了3 000 kN·m, 4 000 kN·m, 5 000 kN·m的夯擊能及2.5 m和1.2 m錘徑等不同情況下的夯擊振動數(shù)據(jù). 第二次實驗由于場地附近施工條件限制，只測試記錄了2.5 m錘徑與3 000 kN·m夯擊能情況下的水平振動速度和振動頻率等數(shù)據(jù).圖 1 是夯擊點強夯作業(yè).

1.2.1 檢測儀器

第一次檢測實驗的主要儀器是DH-5956型16通道動態(tài)信號采集儀和DH610速度傳感器； 第二次檢測實驗的主要儀器是RSM-PRT型基樁動測儀和891-2型拾振器，測試了場地周圍夯點和測點的振動速度和頻率. 數(shù)據(jù)處理軟件為DHDAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集和基本統(tǒng)計分析功能.圖 2 為振動測試系統(tǒng)組成.

圖 2 振動測試系統(tǒng)組成Fig.2 Vibration testing system

1.2.2 測點及減振溝布置

圖 3 與圖 4 為兩次實驗時減振溝位置設(shè)置和夯點、測點位置布置圖，兩道溝渠均為深度6.0 m，寬度1.0 m，長度51.2 m, 每個強夯點均夯擊4次, 夯擊能級為3 000 kN·m. 夯點的絕對高程是828 m，而測點的絕對高程是826 m處.圖 3 為設(shè)置單減振溝時夯點與測點的布置圖，其中1′號測點在減振溝1′左側(cè)0.5 m處，2′號測點在減振溝1′右側(cè)0.5 m處. 為了對比研究單、雙減振溝減振效果，進行第二次試驗，圖 4 為設(shè)置雙減振溝時夯點與測點的布置圖，開挖兩條相同的減振溝，1號和2號測點拾振器分別安裝在減振溝1前后各0.5 m處，3號和4號測點拾振器分別安裝在減振溝2前后各0.5 m處，5號測點的拾振器設(shè)在4號測點右側(cè)5 m處.圖 5 為現(xiàn)場開挖的減振溝.

圖 3 單減振溝時夯點和測點布置圖Fig.3 Layout of tamping points and detection points in the single vibration reduction trench

圖 4 雙減振溝時夯點和測點布置圖Fig.4 Layout of tamping points and detection points in the double vibration reduction trench

圖 5 現(xiàn)場減振溝Fig.5 Vibration reduction trench in the field

1.3 監(jiān)測結(jié)果

第二次實驗由于條件所限采集了5個測試點的振動數(shù)據(jù)，為了便于分析比較，第一次試驗只采用了錘徑2.5 m，3 000 kN·m夯擊能的數(shù)據(jù). 兩次實驗對1′號夯點、1號夯點、2號夯點都進行了4次夯擊，從4組數(shù)據(jù)中選取了質(zhì)量較好的第2組數(shù)據(jù)進行研究. 第一次實驗的結(jié)果如圖 6 和表 1 所示，第二次實驗的結(jié)果如圖 7～圖 9 所示，圖 10～13 為第二次實驗第2組強夯振動速度典型時域曲線圖. 設(shè)置單減振溝和雙減振溝的對比結(jié)果如表 2 所示.

圖 6 1′號夯點振動速度隨距離變化的曲線Fig.6 The curve of vibration velocity and distance for 1′ tamping point表 1 不設(shè)減振溝和設(shè)單減振溝的檢測結(jié)果Tab.1 Test results of no and single vibration reduction trench

測試組別測點距離l/m振動速度v/(cm·s-1)不設(shè)減振溝設(shè)單減振溝1'號夯點1'號1447.5245.872'號1643.5514.443'號3018.898.964'號4014.786.265'號5011.294.396'號6010.063.817'號709.562.10

圖 7 1號、2號夯點設(shè)單減振溝時振動速度隨距離變化的曲線Fig.7 The curve of vibration velocity and distance in single vibration reduction trench for 1 and 2 tamping point

圖 8 1號、2號夯點設(shè)雙減振溝時振動速度隨距離變化的曲線Fig.8 The curve of vibration velocity and distance in double bibrationn reduction trench for 1 and 2 tamping point

圖 9 2號夯點設(shè)置單、雙減振溝時振動速度隨距離變化的曲線Fig.9 The curve of vibration velocity and distance in single and double vibration reduction trench for 2 tamping point

圖 10 1號夯點在1號測點的振動速度典型時域曲線圖Fig.10 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 1 detection point

圖 11 1號夯點在2號測點的振動速度典型時域曲線圖Fig.11 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 2 detection point

圖 12 1號夯點在3號測點的振動速度典型時域曲線圖Fig.12 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 3 detection point

圖 13 1號夯點在4號測點的振動速度典型時域曲線圖Fig.13 The 1 tamping point’s typical time-domain curve of the vibration velocity at the 4 detection point表 2 單減振溝和雙減振溝的檢測對比結(jié)果Tab.2 The test results in single and double vibration reduction trench

測試組別測點距離l/m振動速度v/(cm·s-1)不設(shè)減振溝設(shè)單減振溝測試組別測點距離l/m振動速度v/(cm·s-1)不設(shè)減振溝設(shè)單減振溝1號夯點1號602.6002.6052號620.8320.8573號830.4160.4074號850.4050.2425號900.3960.2312號夯點1號307.9717.9732號321.9001.9033號531.1191.1144號551.1130.2865號601.1060.265

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不設(shè)置減振溝特征分析

第一次實驗結(jié)合圖6和表1中的數(shù)據(jù)，在不設(shè)置減振溝情況下，從1′號測點到7′號測點距夯點越遠振動速度越小，在7′號測點測得振動速度是9.56 cm·s-1，仍超過了安全允許振速.

強夯振動產(chǎn)生破壞性能量，這些能量主要通過瑞利波攜帶并向四周傳播[13]. 在不設(shè)減振溝，沒有任何隔振措施的情況下，瑞利波的傳播衰減緩慢，是一個自然衰減過程. 在這種情況下強夯引起的振動速度只是由于水平距離增加而產(chǎn)生自然衰減，衰減幅度較小，越靠近夯擊點衰減幅度越大，與夯擊點距離越遠衰減越趨平緩.

2.2 設(shè)置單減振溝特征分析

第一次實驗結(jié)合圖6和表1中的數(shù)據(jù)，設(shè)置單減振溝時，1′號測點是經(jīng)過減振溝前的測點，測得振動速度是45.87 cm·s-1，2′號測點為經(jīng)減振溝衰減后的測點，振動速度是14.44 cm·s-1. 振動速度經(jīng)過單減振溝削弱后，比不設(shè)減振溝時衰減了近69%. 2′號測點在不設(shè)置減振溝和設(shè)置減振溝時的振動速度分別為43.55和14.44 cm·s-1，由兩組數(shù)據(jù)對比分析得設(shè)置單減振溝對振動速度的削減作用比不設(shè)置減振溝提高了67%.

而第二次實驗圖7和表2中數(shù)據(jù)，1號夯點的振動速度在單減振溝前是2.605 cm·s-1，在單減振溝后是0.857 cm·s-1，單減振溝在距夯點60m處的減振效果為67%； 2號夯點在經(jīng)過單減振溝前振動速度為7.973 cm·s-1，經(jīng)過單減振溝后振動速度為1.903 cm·s-1，單減振溝在距夯點30 m處的減振效果為76%. 由實驗數(shù)據(jù)得出，單減振溝設(shè)置距夯點越近，減振效果越好.

減少強夯振動對周圍影響主要是削減瑞利波的傳播，在夯擊點與監(jiān)測點間開挖溝渠可以起到削弱、過濾瑞利波的作用[14]. 開挖減振溝后，溝渠形成了局部孔隙并在其范圍內(nèi)阻斷了瑞利波的傳播，瑞利波的最強部分被其正面的溝渠阻斷，但在溝渠的兩端和下部土壤中瑞利波會繼續(xù)傳播、擴散[15]. 所以開挖減振溝后，強夯引起的振動速度會被大幅削弱，能夠起到較好的減振的作用.

2.3 設(shè)置雙減振溝特征分析

在夯擊點與監(jiān)測點間開挖溝渠，在溝渠的縱斷面范圍內(nèi)瑞利波的傳播可被有效阻斷，但瑞利波通過溝渠的兩端和下部土壤繼續(xù)傳播、擴散，已經(jīng)被大幅削弱的瑞利波在傳播過程中遇到第二條溝渠，會被再次削弱. 強夯振動速度通過兩道減振溝后，被更大幅度削弱. 在第一條減振溝的平行方向設(shè)置第二條甚至多條減振溝會有更好的減振效果.

第二次實驗中，設(shè)置雙減振溝時，1號夯點的強夯振動在1號測點位置振動速度為2.605 cm·s-1，而在4號測點位置振動速度為0.242 cm·s-1. 設(shè)置單減振溝時，1號夯點的強夯振動在4號測點位置振動速度為0.405 cm·s-1，在距夯點85 m處由于周圍設(shè)置雙減振溝比設(shè)置單減振溝對振動速度的削弱作用提高了40.2%. 在85 m處的測點檢測時由于周圍正在進行混凝土施工，其測試數(shù)據(jù)受干擾較大，檢測結(jié)果成因復(fù)雜，棄用該組數(shù)據(jù). 而設(shè)置雙減振溝時，2號夯點的強夯振動在1號測點測得振動速度為7.973 cm·s-1，在4號測點振動速度為0.286 cm·s-1，設(shè)置單減振溝時，2號夯點在4號測點測得的振動速度為1.113 cm·s-1，在距夯點約55 m處設(shè)置雙減振溝比設(shè)置單減振溝對振動速度的削弱作用提高了74.3%. 由1號、2號夯點的數(shù)據(jù)分析可知，雙減振溝的減振效果比單減振溝提高很多，且距夯點越近越好.

2號夯點的減振溝位置比1號夯點近，無論是單減振溝還是雙減振溝對振動速度的削減作用，2號夯點都比1號夯點明顯. 雙減振溝的設(shè)置和單減振溝一樣，都是距夯點越近振動速度衰減越快. 2號夯點的減振效果明顯，選取2號夯點的振動數(shù)據(jù)進行對比分析如圖 9 所示.圖 9 中設(shè)置單減振溝的曲線僅在31 m處有一次衰減幅度為76.8%的突變，設(shè)雙減振溝的曲線在31 m處和54 m處有兩次突變，衰減幅度分別為76.1%和74.3%，其余時刻曲線平緩下降較小，振動速度僅在設(shè)置減振溝前后大幅下降. 設(shè)置單減振溝對振動速度的削減作用不如雙減振溝. 由于場地條件限制，測點數(shù)據(jù)較少，有關(guān)研究還需進一步實驗證實. 在工程中，當(dāng)建筑物與強夯區(qū)距離較近或減振要求較高需要更大幅度減小振動速度時，可以開挖雙減振溝.

3 結(jié) 論

本文根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析了強夯振動特征及衰減規(guī)律，探討了單減振溝、雙減振溝對減少強夯振動影響的效果.

1) 一般地，在相同的距離、地質(zhì)條件下，振動速度與強夯能級呈正相關(guān)，能級越大，振動速度也越大. 不設(shè)置減振溝時，振動速度衰減較慢，僅因距夯點水平距離的增加而減小. 強夯產(chǎn)生的破壞性能量主要由瑞利波攜帶并擴散，減振溝可以阻斷、過濾瑞利波. 在夯擊點與檢測點間每設(shè)置一條溝渠，就可以在自由面減少一次透射. 單條溝渠可衰減近67%的瑞利波，已經(jīng)被大幅削弱的瑞利波在傳播過程中遇到第二條溝渠，再減少一次透射，又衰減了將近74%的瑞利波. 經(jīng)過多道減振溝的削減，強夯振動速度被多次大幅度削弱.

2) 強夯振動速度僅在設(shè)置減振溝前后大幅下降，平行設(shè)置雙減振溝比單減振溝能更有效削弱振動速度. 第一道減振溝設(shè)置在距夯點30 m處，對振動速度的削弱作用比不設(shè)置減振溝能提高76.8%； 第二道減振溝設(shè)置在距夯點50 m處，對振動速度的削弱作用比設(shè)置第一條減振溝提高了74.3%.

3) 設(shè)置兩道甚至多道減振溝會有更好的減振效果，其中雙減振溝可以在單減振溝削弱振動速度的基礎(chǔ)上再次削弱70%以上，且距離夯點越近效果越好. 在建筑物距強夯點較近、施工場地受限時，需要更大幅度削弱振動速度時可采用雙減振溝甚至多減振溝措施.

4) 減振溝減振成本低、工期短、質(zhì)量可靠，但設(shè)置減振溝時除了考慮減振效果、現(xiàn)場條件、施工能力等因素外，還應(yīng)該考慮減振溝的后期恢復(fù)及可能產(chǎn)生的回填不密實、沉陷不均勻等二次 “污染”，所以減振溝的位置、深度、數(shù)量最好結(jié)合未來的永久設(shè)施如地下管廊、管道溝等的位置、深度確定.