城市軟土地基組合錘法強(qiáng)夯施工振動(dòng)效應(yīng)研究1

劉 超 梁海安 程新俊 聶佩江 李俊豪 呂 毅

（東華理工大學(xué)，土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013）

引言

組合錘法是針對(duì)軟土地基加固的新型地基處理技術(shù)，分別采用柱錘、中錘和扁錘對(duì)施工場(chǎng)地深層、中層和表層地基土進(jìn)行不斷夯擊，對(duì)土體中原有固相顆粒進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，使其緊密排列，分層擠密壓實(shí)，進(jìn)而形成上大下小的楔形墩體。通過組合錘法對(duì)欠固結(jié)、高壓縮性土及深厚回填土等軟土地基進(jìn)行夯實(shí)擠密，形成低壓縮性的墩體，使墩體與墩周土共同組成復(fù)合地基，施工簡(jiǎn)便，在不使用鋼筋和混凝土等建筑材料的情況下可較好地提高地基承載力，處理效果顯著，具有廣泛應(yīng)用空間。采用組合錘法對(duì)地基進(jìn)行夯實(shí)處理時(shí)，除部分能量被強(qiáng)夯點(diǎn)吸收外，大部分能量從強(qiáng)夯點(diǎn)向四周波動(dòng)擴(kuò)散，引起土體振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)超過一定限值時(shí)，可能給周邊環(huán)境帶來一定影響（李俊如等，2002）。

吳綿拔等（1992）研究了砂土中強(qiáng)夯振動(dòng)速度衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)夯過程中，砂土振動(dòng)速度小于黏土振動(dòng)速度時(shí)，不易引起建筑物破壞；夏瑞良等（2001）通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)地動(dòng)位移衰減趨勢(shì)規(guī)律性較強(qiáng)；Pan等（2002）進(jìn)行了松散土中動(dòng)荷載強(qiáng)夯響應(yīng)研究；尚軍雷等（2006）和楊明等（2011）分析了不同振源對(duì)建筑物的影響機(jī)理，研究強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周邊廠房及住宅的影響，提出了相應(yīng)減振措施；譚捍華等（2001）和韓俊艷等（2020）通過負(fù)冪函數(shù)擬合垂直振動(dòng)速度及振動(dòng)加速度的衰減趨勢(shì)，擬合結(jié)果較理想，但未對(duì)地層條件、錘型、夯擊能量及測(cè)距等因素進(jìn)行分類討論；周洋等（2018）、張力聞（2017）和王鵬程等（2015）依托實(shí)際工程，研究強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并分析不同因素對(duì)安全距離的影響，提出相應(yīng)的安全距離；張露露等（2016）和張宏博等（2015）根據(jù)工程實(shí)測(cè)，研究不同夯擊能量及夯擊次數(shù)對(duì)速度及振動(dòng)頻譜的影響，發(fā)現(xiàn)夯擊能量越大、夯擊次數(shù)越多，對(duì)場(chǎng)地的影響越大；林偉斌等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夯擊能量較小時(shí)，速度衰減較快，監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度隨著錘擊次數(shù)的增加先增大后減??；王斯海等（2016）提出了2 種場(chǎng)地條件下振動(dòng)速度衰減公式及不同夯擊能量下的安全距離，但該研究中的2 種地區(qū)土層條件較復(fù)雜，場(chǎng)地強(qiáng)夯振動(dòng)響應(yīng)可能與土層綜合性質(zhì)及土層間的共同作用有關(guān)，僅定性分為“上硬下軟”地基和“上軟下硬”地基可能不準(zhǔn)確；時(shí)偉等（2019）通過在粉細(xì)砂場(chǎng)地進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，研究強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)建筑物不同樓層振動(dòng)的影響，得到不同樓層處環(huán)向振動(dòng)速度最大的結(jié)論。

組合錘法是綜合改進(jìn)普通強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換法和柱錘沖擴(kuò)樁法的新型施工工法，雖在工藝、施工效果及經(jīng)濟(jì)性上具有顯著工程價(jià)值，但其施工引起的土體振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響尚不明晰，因此，研究組合錘法振動(dòng)成因、影響范圍、影響因素對(duì)其推廣應(yīng)用具有重要意義。為此，本文選取南昌市某軟土工程場(chǎng)地作為試夯區(qū)域，沿試夯點(diǎn)東西測(cè)線方向布置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)水平向及豎向加速度峰值，根據(jù)速度、加速度峰值變化趨勢(shì)、頻譜分布特征，確定組合錘法施工影響范圍。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 測(cè)試場(chǎng)地概況與振動(dòng)影響評(píng)判依據(jù)

本文對(duì)組合錘法振動(dòng)效果進(jìn)行3 次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，地質(zhì)勘察報(bào)告揭示的工程場(chǎng)地地層自上而下分別為：①素填土：層厚1.60～6.00 m；②粉質(zhì)黏土：可塑，中等壓縮性，層厚5.1～7.2 m；③淤泥質(zhì)土：層厚0.60～3.30 m；④細(xì)砂：飽和，松散～稍密，層厚0.80～10.10 m；⑤中砂：飽和，稍密～中密，層厚1.50～5.00 m，以下巖土層略。試驗(yàn)場(chǎng)地地下水位為0.80～3.00 m。

目前，對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)動(dòng)力特性測(cè)試并無統(tǒng)一規(guī)定，由于場(chǎng)地屬于半無限域地質(zhì)體，與地基等結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性有所區(qū)別。強(qiáng)夯法引起的地面振動(dòng)頻率一般在20 Hz 以內(nèi)（Hwang 等，2006），與爆破引起的振動(dòng)頻率、建（構(gòu)）筑物和施工機(jī)械設(shè)備的固有頻率接近，故選用《爆破安全規(guī)程》（GB 6722?2014）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2015）規(guī)定的爆破振動(dòng)安全允許距離進(jìn)行安全標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判及允許距離控制。

1.2 試驗(yàn)儀器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)采用扁錘進(jìn)行強(qiáng)夯，錘重10 t，錘高1 m，落距為30 m?，F(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要采用891 型振動(dòng)測(cè)量傳感器、891 型信號(hào)放大器和數(shù)據(jù)采集器等儀器，其中，891 型振動(dòng)測(cè)量傳感器加速度測(cè)量范圍為±1.0g，加速度靈敏度為1 000 mV/g，采樣頻率為0.5～80 Hz；891 型信號(hào)放大器用于配合測(cè)取場(chǎng)地振動(dòng)加速度信號(hào)，使用頻率為0.15～100 Hz，滿足本次試驗(yàn)測(cè)試要求。

分別在距強(qiáng)夯點(diǎn)15、30、50、100 m 處各布置3 個(gè)891 型振動(dòng)測(cè)量傳感器，水平東西向、水平南北向和豎向各布置1 個(gè)（圖1）。在距組合錘法設(shè)備15、30、50、100 m 處測(cè)量水平東西向振動(dòng)加速度時(shí)程、水平南北向振動(dòng)加速度時(shí)程及豎向振動(dòng)速度時(shí)程，分別研究單點(diǎn)單次加速度變化規(guī)律及錘擊次數(shù)對(duì)加速度與場(chǎng)地振動(dòng)的影響。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig. 1 Layout of vibration monitoring points in the test site

2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

施工工況為組合錘法設(shè)備無配重正常施工，偏心距30 cm，通過振動(dòng)測(cè)試儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)處場(chǎng)地地表振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。

2.1 單點(diǎn)單次加速度與頻譜分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線和頻譜曲線如圖2～4 所示，圖中15 m HWE 表示15 m 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水平東西向，以此類推。對(duì)加速度進(jìn)行時(shí)域積分獲得速度，加速度與速度峰值如表1 所示。

由圖2～4 及表1 可知：

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平東西向加速度時(shí)程曲線與頻譜曲線Fig. 2 Time history analysis curve and spectrum curve of horizontal east-west acceleration at different distances

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平南北向加速度時(shí)程曲線與頻譜曲線Fig. 3 Acceleration time history analysis curves of horizontal north-south direction at different distances

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向加速度時(shí)程曲線與頻譜曲線Fig. 4 Acceleration time-history analysis curves and spectrum curves of vertical direction at different distances

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值與速度峰值Table 1 Peak acceleration and peak velocity at monitoring points

（1）組合錘法施工引起的地面豎向振感明顯高于水平東西向、南北向，距強(qiáng)夯點(diǎn)15 m 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，豎向加速度峰值為139.1 cm/s2，水平東西向、南北向加速度峰值分別為99.9、74.1 cm/s2，可知采用組合錘法施工時(shí)豎向振動(dòng)加速度和速度應(yīng)為主要監(jiān)控量。

（2）距強(qiáng)夯點(diǎn)較近的2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，豎向加速度峰值分別為139.1、99.9 cm/s2，均大于水平向加速度，但距強(qiáng)夯點(diǎn)100 m 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值均衰減至6 cm/s2以內(nèi)，可知組合錘法施工會(huì)引起周邊土層及監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)，且在強(qiáng)夯過程中持續(xù)造成影響。

（3）距強(qiáng)夯點(diǎn)15、30、50 m 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向加速度時(shí)程曲線基本一致，距強(qiáng)夯點(diǎn)100 m 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)各向加速度時(shí)程曲線呈低幅值的近似白噪聲曲線，速度峰值呈緩慢減小的趨勢(shì)，至100 m 處均降至0.3 m/s 以下。隨距強(qiáng)夯點(diǎn)距離的增大，水平向、豎向加速度總體呈衰減趨勢(shì)，僅在距強(qiáng)夯點(diǎn)100 m 處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平東西向加速度峰值在尾部出現(xiàn)異常，產(chǎn)生異常的原因主要是在錘擊完成收錘階段產(chǎn)生了明顯的收錘動(dòng)能，達(dá)到80 cm/s2左右，可在加速度時(shí)程曲線上明顯看出。

（4）由頻譜曲線可知，距強(qiáng)夯點(diǎn)15、30 m 處基頻約為50 Hz，整體基頻段較穩(wěn)定，距強(qiáng)夯點(diǎn)50 m 處基頻為100 Hz 左右，距強(qiáng)夯點(diǎn)100 m 處基頻為70 Hz 左右，高頻分量所占比重越來越大，由此可見，采用高頻組合錘法可降低對(duì)周邊環(huán)境的影響，此外，可通過增設(shè)隔振溝（填充阻尼材料）減少施工振動(dòng)的影響。

（5）借助matlab 軟件對(duì)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行積分求解，獲得速度時(shí)程曲線。分析速度峰值可知，距強(qiáng)夯點(diǎn)50 m 處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度衰減至2 cm/s 以下，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722?2014）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2015）規(guī)定，當(dāng)f≤10 Hz，對(duì)于土坯房，毛石房屋允許振動(dòng)速度為0.15～0.45 cm/s，一般民用建筑物允許振動(dòng)速度為1.5～2.0 cm/s，故認(rèn)為組合錘法施工可能對(duì)距強(qiáng)夯點(diǎn)50 m 范圍內(nèi)的建筑物造成一定影響，應(yīng)避免此范圍內(nèi)出現(xiàn)建筑物和人員密集的公共區(qū)域。

2.2 錘擊次數(shù)對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)的影響

為研究錘擊次數(shù)對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)的影響，對(duì)連續(xù)錘擊6 次的場(chǎng)地振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并記錄。限于篇幅，本文取1、3、5 錘的振動(dòng)加速度峰值進(jìn)行分析（圖5）?？紤]強(qiáng)夯法引起的地面振動(dòng)頻率一般＜20 Hz（Hwang 等，2006），與爆破引起的振動(dòng)頻率、建（構(gòu)）筑物和施工機(jī)械設(shè)備的固有頻率相近，強(qiáng)夯法具有沖擊型點(diǎn)振源，土層以垂直振動(dòng)為主，主要引起縱波（沿深度發(fā)展的壓縮波）和橫波（與質(zhì)點(diǎn)前進(jìn)方向垂直），土體受到的垂直振動(dòng)往往大于水平振動(dòng)，本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也證實(shí)了此特點(diǎn)（表1），故單獨(dú)繪制豎向速度峰值在不同錘擊次數(shù)下隨距離衰減曲線，如圖6 所示。

由圖5 可知，不同錘擊次數(shù)下，振動(dòng)加速度衰減趨勢(shì)較相似。場(chǎng)地振動(dòng)加速度峰值隨著錘擊次數(shù)的增加而增大，且增幅在距強(qiáng)夯點(diǎn)15～50 m 處較明顯，至距強(qiáng)夯點(diǎn)100 m 處時(shí)增幅已較小，衰減曲線從50 m 處的陡降逐漸變緩，這主要是因?yàn)樵趶?qiáng)夯過程中土體產(chǎn)生了壓縮變形，隨著錘擊次數(shù)的增加，土體逐漸密實(shí)，振動(dòng)能量波擴(kuò)散傳遞速度提高，但被加固的土層幾乎集中在強(qiáng)夯點(diǎn)周圍15 m 范圍內(nèi)，因此距強(qiáng)夯點(diǎn)越遠(yuǎn)，增幅越小。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值隨距離衰減曲線Fig. 5 Attenuation curve of peak acceleration of monitoring points with distance

距強(qiáng)夯點(diǎn)距離為15 m 時(shí)，錘擊次數(shù)由1 次增至5次時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平東西向、南北向及豎向振動(dòng)加速度峰值分別由99.9、74.1、139.1 cm/s2增至152.8、119.8、182.5 cm/s2，增幅為50%、61%、31.2%，水平向振動(dòng)加速度峰值變化幅度總體大于豎向，由此可見，水平向振動(dòng)加速度對(duì)錘擊次數(shù)更敏感。

由圖6 可知，不同錘擊次數(shù)下，測(cè)點(diǎn)豎向速度峰值變化趨勢(shì)基本相同，呈較穩(wěn)定且平緩衰減的趨勢(shì)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向速度峰值隨距離衰減曲線Fig. 6 Attenuation curve of peak vertical velocity of monitoring points with distance

3 振動(dòng)加速度衰減模型與驗(yàn)證

3.1 振動(dòng)加速度衰減模型建立

使用非線性回歸分析獲得不同方向加速度衰減公式，式（3）～（5）計(jì)算結(jié)果均方差分別為0.071，0.326，0.189，相關(guān)系數(shù)分別為0.945，0.962，0.971，說明擬合的衰減公式精度較高。

3.2 振動(dòng)加速度衰減模型驗(yàn)證

利用第5 次錘擊次數(shù)下的加速度峰值對(duì)衰減公式進(jìn)行驗(yàn)證，考慮擬合曲線參數(shù)b、c用于控制曲線形態(tài)，參數(shù)a用于控制曲線截距，由前文可知，錘擊次數(shù)在一定程度上影響了加速度峰值，故通過固定參數(shù)b、c，調(diào)整參數(shù)a進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖7 所示，衰減公式及相關(guān)系數(shù)如表2 所示，實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好，證明振動(dòng)加速度衰減模型適用于該場(chǎng)地條件下組合錘法施工振動(dòng)影響預(yù)測(cè)。

表2 衰減曲線回歸分析結(jié)果Table 2 Results of regression analysis of attenuation curveResults of regression analysis of attenuation curve

圖7 加速度峰值擬合曲線Fig. 7 Peak acceleration fitting curve

4 結(jié)論

本文通過對(duì)南昌市某軟土地基各測(cè)線方向加速度峰值變化趨勢(shì)及頻譜分布特征進(jìn)行分析，獲得加速度峰值衰減規(guī)律、組合錘法施工影響范圍及錘擊次數(shù)對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)的影響，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上建立了振動(dòng)加速度衰減分析模型，并進(jìn)行了算例驗(yàn)證，主要得出以下結(jié)論：

（1）采用組合錘法進(jìn)行地基強(qiáng)夯施工時(shí)，場(chǎng)地豎向振動(dòng)是需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度（速度）隨與強(qiáng)夯點(diǎn)距離的增大而減小，進(jìn)行單點(diǎn)單次夯錘時(shí)，距強(qiáng)夯點(diǎn)50 m 處地面振動(dòng)速度衰減至0.2 cm/s 以下，故在此范圍內(nèi)進(jìn)行組合錘法施工時(shí)，可能對(duì)周邊環(huán)境造成一定影響。

（2）根據(jù)地表加速度頻譜分析可知，可通過改變組合錘法及場(chǎng)地土固有頻率減小強(qiáng)夯對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)的影響。

（3）土體受持續(xù)夯擊而壓實(shí)擠密，其密實(shí)程度與錘擊次數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，因此，隨著振動(dòng)能量波擴(kuò)散傳遞速度提高，在其影響范圍內(nèi)加速度峰值增加趨勢(shì)明顯，最大可產(chǎn)生61.0%的增幅。此外，水平向加速度對(duì)錘擊次數(shù)的敏感性略高于豎向加速度，豎向速度衰減趨勢(shì)受錘擊次數(shù)的影響較小。

（4）基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及面波振動(dòng)函數(shù)，將地面豎向振動(dòng)加速度項(xiàng)、振源傳給地面的波動(dòng)隨距離衰減項(xiàng)、振動(dòng)修正因子作為主控因素，通過非線性回歸分析構(gòu)建不同方向振動(dòng)加速度衰減模型，并通過算例驗(yàn)證了其合理性，可為同類場(chǎng)地采用組合錘法強(qiáng)夯施工提供參考。