强夯振动对周边环境影响的监测试验

朱荣彬，黄亦斌，徐通，陈昌振，温振统

(1.广州电力设计院，广州市，510610;2.广东省建筑科学研究院，广州市，510500)

0 引言

强夯法是20世纪60年代末由法国Menard技术公司首先创用，并在世界各地得到了广泛应用。我国于1975年开始介绍和引进强夯技术，经过了30多年的发展，己经在工业与民用建筑、仓库、油罐、贮仓、水利、港航、公路、铁路、飞机场跑道及码头的地基处理中得到了广泛应用［1］。

强夯施工时，施工机械把夯锤提升到一定高度然后自然落下，夯锤在接触地面的瞬间，其势能基本都转化为动能。重锤夯击地面时，动能的一部分以声波形式向四周传播，一部分由于夯锤和土的摩擦而变成热能，其余的大部分动能将使土体产生振动。这种振动以压缩波(P波)、剪切波(S波)和瑞利波(R波)联合来传递，其中压缩波占振动能量的7%，剪切波为26%，瑞利波所占的比例最大为67%。瑞利波是一种表面波，由于瑞利波积聚的能量较大，且沿自由表面传播，其传播的距离也较大，是强夯施工对周边建筑物产生振动影响的主要能量［2］。

强夯产生的振动当超过一定限度时，就对周围环境产生不利影响，特别是在大、中城市等建筑物和地下设施密集地区进行施工时，强烈的地面振动不但会影响临近精密仪器、仪表和对振动有特殊要求的产品精加工工艺过程，干扰周围居民和有关人员的正常工作和生活，严重时还会危及周围建筑物以及地下设施(管线)的稳定和安全。强夯法施工振动引起的环境公害问题己经引起工程界和有关部门的关注和重视，在建筑结构和地下设施密集的城市城区进行强夯施工活动时，施工振动对周围环境的影响已成为该项目能否获得有关部门批准和施工过程能否顺利进行的关键因素，同时也时常发生强夯施工干扰附近居民正常生活的民事纠纷［3-4］。

对强夯施工振动的研究主要有现场监测试验、理论分析以及数值分析等几种方法，其中现场监测试验研究是界定强夯施工振动安全距离的最直接手段。当前，在强夯施工振动对环境影响的试验研究方面，往往针对某一特定的施工场地测定强夯振动影响的安全距离，试验过程中没有分别考虑锤重、落距、隔振沟设置情况、土层性质、施工工况等因素的影响，所得到的结果不具有普遍性，仅能反映某种地层结构和工程状况对强夯振动的响应，适用于单个强夯施工场地安全距离的界定［5-13］。

针对以上情况，本文将对广州花都空港变电站强夯施工场地开展强夯振动对周边环境影响的监测试验研究，综合考虑施工工况、锤型、锤重、落距、夯击次数等对强夯振动传播的影响，并对隔振沟的隔振效果进行测试分析，最后通过现场测试数据来界定强夯施工振动对周边环境影响的安全距离。本试验的研究成果可为今后的强夯设计和施工方案的确定提供参考，具有现实意义。

1 现场试验

1.1 试验场地概况

试验场地为花都空港变电站建设用地，处于山间盆地，表层为厚度约6 m的粉质粘土，根据设计要求对该场地进行强夯施工，采用2遍点夯加1遍满夯的施工方案。经过现场踏勘和讨论后选择上层阶梯的一块相对平坦且尚未进行强夯施工的场地，进行强夯对周边建筑物影响的试验研究。

1.2 试验仪器设备及布置

主要试验仪器和设备如表1所示。

表1 试验仪器与设备Tab.1 Testing apparatus and instruments

试验点和仪器的具体布置如图1所示，图中长度单位为m。各测点分别布置1个三向速度传感器，传感器将测到的振动加速度信号输出到放大器进行放大，然后通过信号采集仪采集后传送到笔记本电脑中进行存储，本次试验采用的DH5922动态信号测试分析系统可同时连接16个测试通道，系统内包括动态信号测试系统所需的信号调理器(应变、振动等调理器)、直流电压放大器、低通滤波器、抗混滤波器以及采样控制和计算机通信的全部硬件。

夯点布置在强夯加固区范围内，为了对3种落距及2种锤型的试验结果进行对比，选择3个夯击点进行试验，3个夯击点间距较小，可近似认为到各个传感器的距离是相同的。传感器布设在3个夯击点连线的中垂线上，由于试验场地宽度约为150 m，因此本次试验共布置11个传感器，测试最远距离为150 m。考虑到夯击振动的非线性衰减规律，在50 m范围内强夯振动速度幅值衰减迅速，因此在试验中采用近密远疏的布点方式以更准确地测量强夯振动速度幅值，传感器与夯击点连线的中点距离分别为5、5、5、5、10、10、10、25、25、25、25 m。

1.3 试验内容

试验主要探讨强夯施工振动的传播和衰减规律，主要包含以下几个方面的研究内容:

(1)强夯施工振动随距离的衰减规律。

(2)不同夯锤锤型和落距对强夯振动传播的影响。

(3)隔振沟对强夯振动传播的影响。

1.4 试验步骤

1.4.1 试验前的准备工作

(1)在试验进行之前必须排除现场的干扰因素，以避免对测试结果产生影响，在试验场地周边200 m范围内大型施工机械应停止施工，大小车辆禁止入场。

(2)按照传感器的设计点位设置传感器安装平台用以安装传感器，将传感器放置在平板上，用透明胶带缠紧，保证传感器和竖直板的紧密接触。接通电源、连接好电缆，为了消除传感器误差，在传感器与采集仪连接好之后对传感器的参数进行标定。

(3)对信号采集处理分析仪进行试验前的调试，使其处于最佳工作状态。

图1 试验点及检测仪器现场布置Fig.1 Site layout of apparatus and monitoring points

本部分试验内容在第1遍点夯结束7天后进行，此时可认为强夯引起的超静孔压已经消散，步骤如下:

(1)强夯机进场，强夯机脱钩装置换18 m钢丝绳，设置重锤落距为18 m，采用12.9 t重锤，在夯击点1测试3组数据。

(2)将重锤换成17.8 t，测试3组数据。

(3)强夯机移位到夯击点2，强夯机脱钩装置换12 m钢丝绳，设置重锤落距为12 m，采用12.9 t重锤，在夯击点2测试3组数据。

(4)将重锤换成17.8 t，其他参数不变，测试3组数据。

(5)强夯机移位到夯击点3，强夯机脱钩装置换6 m钢丝绳，设置重锤落距为12 m，采用12.9 t重锤，在夯击点3测试3组数据。

(6)将重锤换成17.8 t，其他参数不变，测试3组数据。

(7)开挖隔振沟，隔振沟设置在第1个传感器和第2个传感器之间，宽度1 m、深1.5 m、长15 m，具体位置见图1。

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(8)重复步骤(1)～(7)。

1.4.3 满夯阶段施工振动观测

本部分试验内容在满夯阶段结束后7天进行，试验步骤和点夯施工振动观测步骤一致。

1.4.4 常规土工试验

在强夯施工前、点夯施工结束后、满夯施工结束后各取样1次，每次沿测线方向，在3个点进行取样，每个点取样深度分别为1、5、9 m，共9个土样。将土样送土试验室做常规土工试验，以获得土样相关参数。

2 试验结果分析

2.1 不同工况下强夯振动随距离衰减规律

为了反映不同工况下强夯振动随距离衰减规律，选取点夯阶段试验数据和满夯阶段试验数据进行对比分析，共对比了3组数据，如图2所示。从图中可以看出，满夯阶段相同测试点质点振动速度在50 m范围之内明显要大于点夯阶段质点振动速度，但随着距离的增加，在50 m范围之外质点振动速度趋于一致。这是由于满夯阶段土体的密实度要大于点夯阶段，在夯击过程中冲击能量转化为土体变形能的部分减少，更有利于强夯施工所引起的施工振动的传播。但在50 m范围之外，由于质点振动速度已经相当微小，传感器测试精度的限制导致误差掩盖了真实数据，因此2条曲线看起来是趋于一致的。

图2 点夯与满夯阶段强夯振动传播Fig.2 Vibration propagation of dynamic compaction for single tamping and full tamping stages

2.2 不同夯击次数对强夯振动传播的影响

选取相同工况和隔振沟设置，相同锤重、落距的测试数据以进行不同夯击次数对强夯振动传播影响的分析，如图3所示。

从图3可以看出，在其他因素相同的情况下，随着夯击次数的增加，相同点的质点振动速度逐渐增加。其中第2击振速相对于第1击增加幅度较为明显，但第3击与第2击的振速已经相当接近，这说明了随着夯击次数的增加，夯击点土体被加固，夯锤夯击土体的过程中消耗在土体塑性变形上的能量也减小，有更多的能量通过振动的形式传播出去。但是在一定的夯击次数之后，土体已经达到该能级强夯下的最佳加固效果，随夯击次数的增加，质点振速增长很小。

图3 夯击次数对强夯振动传播的影响Fig.3 Effects of tamping frequency on vibration propagation

2.3 不同夯锤落距对强夯振动传播的影响

以下考虑不同的夯锤落距对强夯施工振动传播的影响，对18、12、6 m三种落距的情况进行对比分析，如图4所示。从图中可以看出，夯锤对强夯振动传播的影响非常大，随着夯锤质量的增加，夯击能量加大，土体所吸收的能量也越多，在相同条件下质点的振动速度也增大。

图4 夯锤落距对强夯振动传播的影响Fig.4 Effects of drop height on vibration propagation

2.4 不同夯锤质量对强夯振动传播的影响

在强夯施工中，通过锤重和落距来控制夯击能量，因此锤重也是影响强夯振动传播的重要因素，在本次试验中选取了质量为12.9和17.8 t的夯锤进行对比试验。2种情况下改变夯锤质量的测试结果如图5所示。从图中可以看出，随着夯锤质量的增加，强夯引起质点的振动速度增大。

2.5 隔振沟的设置对强夯振动传播的影响

分别对没有设置隔振沟和设置隔振沟的测试数据进行分析对比，隔振沟设置在第1个测试点和第2个测试点之间，结果如图6所示。从图中可以看出隔振沟对强夯振动的影响可以分为2个区域，在夯击点和隔振沟之间的区域，质点的振动速度激增。这是因为在地表应力波传播至隔振沟位置时，隔振沟可以看成是1个自由端，沟壁内侧应力为0，速度加倍。在无隔振沟的情况下，强夯振动衰减平滑，在隔振沟之后的范围内，地表振速均要小于没有设置隔振沟的情况，这是因为隔振沟起到了阻碍强夯振动传播的作用。

从分析中还可得知，在实际强夯施工中，应对场地范围内的沟渠分布进行调查，以分析沟渠对强夯振动传播的增强和衰减作用。

图5 夯锤质量对强夯振动传播的影响Fig.5 Effects of hammer weight on vibration propagation

图6 隔振沟对强夯振动传播的影响Fig.6 Effects of isolation trench on vibration propagation

2.6 强夯振动对周边建筑物影响安全距离的界定

当前对于强夯安全距离的准确界定尚没有相关规范可遵循，一般的做法是参照《爆破安全规程》。一般建筑物和构筑物的爆破地震安全性应满足安全震动速度的要求，主要类型的建(构)筑物地面质点的安全震动速度规定如下:

(1)土窑洞、土坯房、毛石房屋1.0 cm/s。

(2)一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物2～3 cm/s。

本文选择安全振动速度为1.0 cm/s作为判据，根据实测数据可确定该强夯施工场地在最不利情况下强夯施工振动的安全距离为27.5 m。

3 结论

(1)满夯阶段土体的密实度要大于点夯阶段，更有利于强夯施工所引起的施工振动的传播。

(2)在其他因素相同的情况下，随着夯击次数的增加，相同点的质点振动速度逐渐增加，但是在一定的夯击次数之后土体已经达到该能级强夯下的最佳加固效果，随夯击次数的增加质点振速增长很小。

(3)随着夯锤质量和落距的增加，夯击能量加大，土体所吸收的能量也越多，在相同条件下质点的振动速度也增大。

(4)隔振沟对强夯振动的影响可以分为2个区域，在夯击点和隔振沟之间的区域质点的振动速度激增，这是因为在地表应力波传播至隔振沟位置时，隔振沟可以看成是1个自由端，沟壁内侧应力为0、速度加倍。在无隔振沟的情况下，强夯振动衰减平滑，在隔振沟之后的范围内，地表振速均要小于没有设置隔振沟的情况，这是因为隔振沟起到了阻碍强夯振动传播的作用。

(5)参照《爆破安全规程》，选择安全振动速度为1.0 cm/s作为判据，根据实测数据可确定该强夯施工场地在最不利情况下强夯施工振动的安全距离为27.5 m。

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