闫東霄 鄧小龍
中國公路工程咨詢集團有限公司
摘 要：強夯法作為常見的地基處理方式，在公路特殊路基進行中發揮着重要的作用。依托西北地區某高速公路工程執行個體，對濕陷性黃土路基強夯加強振動的衰減規律及其對臨近構築物的影響進行分析。實測資料顯示，強夯引起的地面振動以豎向振動為主，振動速度随着振源距離的增加而減小。通過修正的薩道夫斯基公式引入，建立了3 000 kN·m能級夯擊下振動速度指數衰減公式。參考目前規範中關于工程振動對建(構)築物影響的評價方法，結合實測振動速度資料及振動頻率資料，确定了構築物的最小安全距離。該分析方法及評價過程可為類似條件下路基設計與施工提供借鑒。
關鍵詞：強夯振動;現場測試;衰減規律;構築物損傷;修正薩道夫斯基公式;
大陸陝西、甘肅、甯夏、青海等地廣泛分布着新近填土、軟土、濕陷性黃土等特殊性岩土，這類場地具有地基承載力低、壓縮性高、變形持續時間長的特點。随着“一帶一路”、“西部大開發”、“縱橫通道”等重大交通基礎工程項目的持續推進，工程實踐中往往需要對上述自然場地進行強夯地基處理以滿足建設需求。
強夯法作為常見的一種地基處理方法，又稱為動力固結法或動力壓密法，系指将重錘提升一定高度後自由下落，如此往複來對地基加以沖擊振動，迫使土體孔隙壓縮固結、土顆粒重新排列來提高地基強度、增強穩定性[1]。該方法由法國梅納技術公司于1969年首創，1975年引入大陸以後以其裝置簡單、施工便捷、效果顯著等優點得到廣泛推廣和應用，尤其在濕陷性黃土地基的加強中應用最早也最多[2]。然而，随着生态環保意識的加強，強夯施工帶來的振動問題愈來愈引起關注。由于強夯引起地面振動的頻率集中在2～20 Hz, 與爆破振動建(構)築物等的固有頻率接近[3]。是以，強夯振動波動衰減在研究方法上可與爆破波進行比拟[4]。周洋等[5]通過對振動加速度與夯點距離關系研究厘清了粉土場地振動衰減規律及影響範圍；盧途等[6]通過對實測振動速度與夯點距離研究得出兩者之間的負指數函數關系；張忠和[4]基于LS-DYNA數值仿真研究了強夯施工減振溝的減振效果。目前，境内對強夯施工的安全距離尚未有明确的規定。參考建築物的抗震研究，同時考慮強夯沖擊荷載與爆破沖擊荷載作用的相似性，參考《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[7]以振動速度門檻值作為安全界限；《建築工程容許振動标準》(GB 50868-2013)亦是采用在時域範圍内的振動速度峰值作為評價标準[8]。境内外工程實踐也表明：地面質點的振動速度與建(構)築物的破壞程度呈現良好的相關性[9],實際工程中多以受振物體的豎向振動速度門檻值來作為強夯振動安全評價的标準。雖然諸多學者對強夯振動衰減規律進行了大量的研究，但相當一部分局限于特定工程場地，其研究應用受限，難以形成完善的理論計算方法[10]。近年來，境内學者基于薩道夫斯基公式對爆破振動傳播規律做了一些分析與研究[11],然而在與爆破機理相似的強夯振動領域，卻鮮有應用。
基于此，本文依托西北黃土地區某高速公路強夯加強濕陷性黃土項目，對項目所在區域的濕陷性黃土路基進行強夯振動現場測試，重點研究強夯引起地面振動的速度峰值，通過引入修正薩道夫斯基公式，建立了濕陷性黃土場地強夯振動衰減計算公式，并基于振動監測資料對臨近構築物的安全性進行評價，确定了強夯施工區構築物最小安全距離。研究成果可為濕陷性黃土地區的路基強夯設計提供參考，并有助于科學評價施工作業區構築物的安全性。
1 工程概況
夯擊振動場地位于甯夏吳忠市同心縣下馬關鄉，銀昆高速公路LJ04标段K67+300～K68+650填方路基段。工程地質勘察成果揭露，該填方段表層為厚10～12 m Ⅳ級濕陷性黃土，設計采用了強夯處理措施。夯錘品質20.6 t,落距14.5 m,夯點采用1.6 m×1.6 m方形布置，強夯單擊夯擊能為3 000 kN·m。
K67+600左側160 m存在一既有鋼混蓄水池構築物，平面尺寸300 m×300 m,最大蓄水量8×105m3,主要為灌區灌溉及人飲供水。此外，在路線與蓄水池之間存在一條寬20 m、深15 m的黃土沖溝，見圖1。考慮近距離強夯施工振動可能對蓄水池産生不利影響，在強夯施工過程中對蓄水池進行了振動監測。
圖1 強夯場地平面示意
2振動監測方案
2.1測線布置
為研究強夯作業引起地表振動的衰減規律及對蓄水池構築物的影響，監測針對4處夯擊點，分别布置4條測線進行監測，見圖2。其中，L1測線長360 m,測點13個；L2測線長160 m,測點10個；L3測線長224 m,測點9個；L4測線長360 m,測點12個。每個測點均布設水準及豎向速度傳感器。
圖2 強夯振動監測平面位置分布示意
2.2測試儀器及傳感器布置
振動監測儀采用上海某公司研制的YL-VMI高性能振動監測儀，見圖3。在現場可通過儀器本身的功能讀出特征值，并預覽采集到的信号波形。傳感器采用三分量速度傳感器，其水準徑向方向與各測線方向一緻。采樣頻率為1～64 k,采用分辨率為16位AD。
圖3 場地強夯作業監測現場
3 監測資料分析
對爆破引起地表振動峰值速度的預測，《強夯地基處理技術規程》(CECS 279:2010)建議采用《爆破安全規程》(GB 6722-2014)的相關規定，該規程采用薩道夫斯基公式計算爆破振動衰減，見式(1):
v=K(Q−−√3/R)1α (1)v=Κ(Q3/R)1α (1)
式中：v為爆破振動波的峰值速度；K為與場地工程地質條件有關的系數；Q為炸藥量；R為距夯擊點的距離；α為速度衰減系數。
在研究建築物拆除爆破後塌落引起的地表振動時，周家漢[12]12]将塌落物體品質M(t)、塌落高度H(m)、場地媒體破壞強度σ(一般取10 MPa)引入薩道夫斯基公式進行修正，得出考慮物體塌落方式與場地媒體條件的修正薩道夫斯基公式，見式(2):
v=K[R(MgH/σ)13]β (2)v=Κ[R(ΜgΗ/σ)13]β (2)
式中：β為塌落振動速度的衰減指數，差別于炸藥爆破産生的爆破振動式(1)中衰減指數α。
對式(2)兩邊分别取對數，見式(3):
lnv=[lnK−β3ln(MgHσ)]+βlnR (3)lnv=[lnΚ-β3ln(ΜgΗσ)]+βlnR (3)
令y=lnv,b=[lnK−β3ln(MgHσ)],a=β,x=lnRy=lnv,b=[lnΚ-β3ln(ΜgΗσ)],a=β,x=lnR。可得一進制線性回歸方程式見式(4):
y=b+ax (4)
以式(4)作為監測資料處理的一進制線性回歸方程。
強夯作業時各測線測點監測振動速度見表1。
表1 強夯振動監測資料
| 測線 | 測距m測距m | 振動速度cm⋅s−1振動速度cm⋅s-1 | 測線 | 測距m測距m | 振動速度cm⋅s−1振動速度cm⋅s-1 |
| L1* | 30 | 2.069 | L2* | 20 | 2.654 |
| 60 | 0.947 | 30 | 1.774 | ||
| 90 | 0.589 | 40 | 1.359 | ||
| 120 | 0.517 | 50 | 1.158 | ||
| 133 | 0.625 | 60 | 0.839 | ||
| - | - | 75 | 0.839 | ||
| L3 | 20 | 2.585 | L4 | 30 | 2.526 |
| 30 | 1.687 | 60 | 1.060 | ||
| 40 | 1.323 | 90 | 0.678 | ||
| 60 | 1.035 | 120 | 0.543 | ||
| 90 | 0.545 | 150 | 0.467 | ||
| 120 | 0.466 | 180 | 0.308 | ||
| 150 | 0.357 | 210 | 0.304 | ||
| 180 | 0.339 | 240 | 0.277 | ||
| 224 | 0.232 | 270 | 0.222 | ||
| - | - | 300 | 0.212 | ||
| - | - | 330 | 0.142 | ||
| - | - | 360 | 0.088 |
注：*由于L1、L2測線跨深溝布設，表中所列資料僅截取夯擊點與深溝之間的監測結果。
對監測資料按式(4)進行拟合，拟合結果見圖4。拟合可得一進制線性回歸方程為式(5):
圖4 強夯振動引起地面峰值速度線性拟合
y=4.941 1-1.223 6x (5)
式中：b=4.941 1,a=-1.223 6。根據強夯設計參數中，夯錘品質m=20.6 t, 落距h=14.5 m, g=9.81 m/s2,σ=10 MPa, 可得K=13.795 1,β=-1.223 6。進而建立30 000 kN·m強夯能級下濕陷性黃土場地強夯振動衰減的修正薩道夫斯基公式見式(6):
v=13.7951×[R(MgH/σ)13]−1.2236 (6)v=13.7951×[R(ΜgΗ/σ)13]-1.2236 (6)
通過以上監測資料得到的修正薩道夫斯基公式主要針對本項目地質條件進行強夯加強所得到，該經驗公式主要适用于強夯加強引起的地表振動、場地岩土體類型為濕陷性黃土的條件。
4 強夯振動對構築物的影響評價
(1)在确定建(構)築物的允許振動時，常用的參考名額有地面峰值加速度、最大速度、反應譜和質點速度等。目前境内對強夯振動對建(構)築物的影響評價尚未有統一的規定，在工程實踐中常常采用受振建(構)築物振動速度門檻值作為評價依據。
《建築工程容許振動标準》(GB 50868-2013)中規定當采用強夯處理地基時，強夯施工對建築結構影響在時域範圍内的容許振動值，可按表2規定确定。
(2)圖5給出了4條測線測點監測的峰值速度，其中，L1、L2測線橫切天然深溝。由圖5可以看出，随着監測點與夯點之間距離的增大，振動速度大緻呈指數衰減。L1測線上位于蓄水池北側，長360 m, 天然深溝在測線133～164 m位置。從監測資料分析可知，在距離夯點0～133 m範圍，振動能量衰減較快，速度從2.069 cm/s衰減至0.625 cm/s; 距離夯點164～360 m, 振動能量衰減較慢，速度從0.625 cm/s衰減至0.057 cm/s, 從L2測線上的監測資料分析可得到同樣的規律。
表2 強夯施工對建築結構物在時域範圍内的容許振動值 mm/s
| 建築物類型 | 頂層樓面處容許 振動速度峰值 | 基礎處容許振動 速度峰值 | |
| 1 Hz～50 Hz | 1 Hz～10 Hz | 50 Hz | |
| 工業建築、公共建築 | 24.0 | 12.0 | 24.0 |
| 居住建築 | 12.0 | 5.0 | 12.0 |
| 對振動敏感、具有保護 價值、不能劃歸上述 兩類的建築 | 6.0 | 3.0 | 6.0 |
對比橫切深溝L1、L2的測線與未跨越深溝的L3、L4測線，從監測資料分析可知在跨越深溝後的速度衰減明顯大于自然地形條件下(未跨越深溝)的正常衰減，說明天然深溝起到了一定的減振作用。
圖5 振源距離與最大振動速度衰減曲線
(3)為進一步分析強夯施工引起蓄水池基礎處振動頻率，對L2測線160 m(L2測線與蓄水池基礎交點)處的振動頻率進行監測，豎向振動響應頻譜見圖6。由圖6可以看出，L2測線對應蓄水池相應基礎處頻譜峰值點為(9.2,17.946)。是以，可确定強夯施工引起蓄水池基礎處振動響應對應的振動主頻為9.2 Hz。
圖6 L2測線160 m處(蓄水池相應基礎處)豎直方向振動速度時程曲線
根據表2,在1～10 Hz的時域範圍内，工業建築、公共建築基礎處的容許振動值為12 mm/s。是以，以該值作為本項目蓄水池構築物振動速度安全限值。将該值代入式(6),可得到在強夯振動速度峰值為12 mm/s時的振源距R=31 m。亦即在本項目的地形地質、強夯設計參數條件下，蓄水池構築物受振作用下的最小安全距離為31 m。而蓄水池構築物距離強夯作業場地的最小距離為224 m(L2測線，蓄水池左上角點與夯點2的距離),遠大于最小安全距離(31 m)。是以強夯施工作業引起的地面振動不會對該蓄水池造成破壞性影響。
5 結語
通過對濕陷性黃土場地路基強夯引起地面振動響應開展現場試驗研究，分析了振動衰減規律，并對臨近構築物受振安全性進行了評價，得到如下結論。
(1)強夯引起地面振動的峰值速度随夯檢距的增大逐漸衰減，并呈近處快、遠處慢的規律。
(2)強夯振動速度衰減規律可通過引入修正薩道夫斯基修正公式，由v=K(R)β指數形式表達。此外，天然深溝能夠有效降低強夯引起地面振動的響應。
(3)距離夯擊作業點超過31 m時，夯擊産生地面振動速度峰值在12 mm/s以下，低于規範規定相應時域範圍内最小容許振動值，不會對構築物産生破壞性影響。是以可将構築物受振最小安全距離确定為31 m。
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