强夯加固回填土对周边建筑的振动影响分析

广西建工集团第一建筑工程有限责任公司 南宁 530001

0 前言

对于不均匀的堆填场地，如何使之地基在变形、强度、稳定性等各方面都能满足建设要求的问题，己是地基处理中一项迫切需要解决的课题[1]。强夯法与采用分层碾压、桩基等地基处理方法相比，对回填土地基的处理具有其他方法不可比拟的技术优势，是我国目前常用且经济的一种地基处理方法[2]。

1 工程概况

三江世纪城项目位于广西壮族自治区三江侗族自治县河东新区中心位置，该工程地貌形态为V形天然冲沟，整个场地地势起伏较大，土层分布大致为5 层，其中第①、②层为杂填土，回填时间2～5年；第③层为原状土层；第④层为强风化岩层；第⑤层为轻、中风化岩层。①、②层杂填土的土层厚度为1.80～39.80 m，该土层结构主要由强-全风化砂质泥岩、黏性土组成，松散-稍密状，属中压缩性土，力学强度较低，密实程度不均匀，遇水易松软，对基础施工过程中基坑坑壁的稳定性有不利影响。场地内有2 层地下水，第1层地下水为上层滞水，初见水位1.20～25.00 m，主要赋存于填土层中，由地表水及大气降水渗入补给。第2层地下水主要赋存于砂质泥岩裂隙中，属裂隙水，受周边河水影响。局部富水性较大，对深基础施工有一定的影响。

经方案对比后，确定采用强夯法对回填土进行处理，要求处理后的地基土承载力标准值不小于150 kPa，变形模量不小于12 MPa。

2 施工方案

本工程采用由17.6 t钢板组合成的夯锤，夯锤底面为圆形，锤底Φ2.0 m。夯锤中设2 个Φ250 mm左右贯通的排气孔，以减少锤底与土面间形成真空产生的强吸附力和夯锤下落时的空气阻力。通过自动脱钩装置来起落夯锤，起重设备采用350 kN的履带式起重机。

根据现场回填土的实质情况，本次夯击初定2 遍点夯、1 遍满夯。每遍10～14 击，按设计图纸顺序号夯击（顺序号中注明插夯点），当把插夯点在内的夯点夯完后，间歇7～10 d，让加固土层中的孔隙水压力消散后再续夯第2遍，最后满夯第3遍[3]。点夯时夯锤提升高度为17 m，在邻近场地周边建筑物或高边坡5 m范围时采取降低夯击能来进行强夯施工，此时选择提升高度为8 m。满夯时选择提升高度为6 m。

点夯采用正方形布设，第1遍夯点为5 m×5 m，第2遍夯点位于第1遍夯点正方形的形心，强夯区第1、2遍夯点平面布置如图1所示。满夯的夯锤搭接部分不应小于面积的1/4。

3 强夯地震效应测试

3.1 振动测试设备

本次采用日本的INV602U型动态信号采集系统、S326型滤波放大器、891-Ⅱ型速度传感器。每个测点布置竖向、水平的891-Ⅱ速度传感器以测得振动加速度时域信号[4]。

3.2 测试方案[5-8]

图1 强夯区第1、2遍夯点平面布置

根据现场实际情况及测试目的，在回填土场地内布置3 个工况进行强夯地震效应测试工作，各工况的基本情况如下：

工况1的强夯能级为2 992 kN·m，共布置7 个强夯振动测点，各个夯击点与振动测点自东向西连成一条直线。夯击点距第一个测点17 m，测点1至测点6每个测点间距15 m，其中测点6位于基坑放坡的坡脚，测点7位于坡顶。工况1的测点布置如图2所示。

图2 工况1强夯试验区夯点及振动测试点布置平面示意

工况2的强夯能级为2 992 kN·m，共布置6 个测点，测点8距夯击点17 m，测点8与夯击点位于同一水平面，测点9位于第一级放坡的坡顶，测点10位于第一级放坡的坡脚，测点11、12、13位于支护桩桩顶，夯击点与各个振动测点自南向北连成一条直线。具体的测点布置如图3所示。

图3 工况2强夯试验区夯点及振动测试点布置平面示意

工况3的强夯能级为2 992 kN·m，其中测点14位于基坑放坡坡脚，测点15位于坡顶，测点16位于坡顶与建筑物间一位置，测点17位于建筑室内地面，测点18位于建筑3 层地面，测点19位于建筑物楼顶。具体的测点布置见图4。

3.3 测试结果与分析

3.3.1 振动速度

根据振动方向特征，主要考虑强夯地震效应中的水平径向和垂直向的振动强度，每夯点共夯击3 次，每个测点取3 次数据平均值作为测试结果。各工况下测试结果如表1～表3所示。

图4 工况3强夯试验区夯点及振动测试点布置平面示意

表1 工况1各测点振动速度试验结果（单位：mm/s）

表2 工况2各测点振动速度实验结果（单位：mm/s）

表3 工况3各测点振动速度试验结果（单位：mm/s）

3.3.2 衰减规律

根据所测数据，用准牛顿法（BFGS）进行非线性回归分析得到回填土振动速度衰减公式：

式中：v——测点振动速度（mm/s）；

R——测点距夯击点水平距离（m）；

Q——夯击能（kN·m）。

按上述公式计算得到振动速度与距离的衰减关系如表4所示，测试点1的振动速度与夯击能衰减关系如表5所示。

表4 振动速度与距离的衰减关系

表5 测点1振动速度与夯击能衰减关系

由以上结果可知：夯击能越大，距离越长衰减越明显；在振动波的传播路径上遇到上升斜坡时，竖向振动速度增大，水平径向速度减小。

3.3.3 振动频率

一般来说，强夯振动的主振频率主要与强夯点的场地条件有关[3]。工况1各测点测得的竖向主振频率在6～8 Hz之间，水平径向振动频率在5～10 Hz之间，无论竖向还是水平径向，在坡脚位置振动频率最大，阻尼比均大于5%，振动不明显。支护桩主振频率在12～16 Hz之间，相对于周边土体，振动频率增加较为明显，但各桩之间所测得的振动频率相差不大。周边建筑物对强夯振动的响应，其主振频率在8～14 Hz之间。

图5 工况1下部分实测的振动波形记录及其对应的频谱分析

3.3.4 振动对边坡和支护结构的影响

支护桩的振动速度随距离增加而减小，从测试数据可以看出，由于支护桩的作用，测点11较测点10有急剧下降，竖向速度下降较水平径向下降快，而在各支护桩的测点，减振作用效果不明显，表明靠近边坡第1根支护桩所起作用较大，它是保证边坡稳定的关键所在。

根据文献[4]可知，当振动速度小于2.0 cm/s的时候，强夯不会对回填土所形成的高边坡造成损害；根据文献[5]，如果振动速度小于2.0 cm/s时，强夯不会对混凝土结构的安全造成影响。因此，根据上述衰减关系，本次在靠近边坡和支护桩处采用减小夯击能的强夯加固，其安全不会受到影响。

3.3.5 振动对周边结构的影响

强夯下房屋测点最大振动速度测试结果如图6所示。强夯对建筑的振动速度为建筑顶层最大，最大竖向振动速度1.55 mm/s，最大水平径向振动速度1.58 mm/s。在强夯试验中，最大振动速度均远小于文献[4]规定的地震速度30 mm/s的建筑物破坏速度标准，本次强夯试验结果对应的地震烈度在Ⅳ度或Ⅳ度以下，不会导致建筑裂缝的产生和建筑物的破坏。

图6 强夯下房屋顶层测点最大振动速度测试结果

4 结语

通过对本工程采用强夯法处理回填土地基的施工、振动测试，得出以下结论：

（a）夯击能越大，距离越长衰减越明显；在振动波的传播路径上遇到上升斜坡时，竖向振动速度增大，水平径向速度减小。

（b）边坡和支护桩的振动速度随距离增加而减小，在各支护桩的测点，减振作用效果不明显，表明靠近边坡第1根支护桩所起作用较大，它是保证边坡稳定的关键所在。

（c）强夯时充分考虑振动对边坡、支护桩及周边建筑物的影响。在近建筑物处采取较低夯击能进行夯击，能起到对建（构）筑物的保护作用。