山区强夯振动规律及对既有建构筑物的影响研究★

刘宪庆 杨 帆 辜文杰 陈金锋 朱建凯 徐艳玲

(1.后勤工程学院，重庆 401311； 2.重庆市设计院，重庆 400015)

山区强夯振动规律及对既有建构筑物的影响研究★

刘宪庆1杨 帆2辜文杰1陈金锋1朱建凯1徐艳玲1

(1.后勤工程学院，重庆 401311； 2.重庆市设计院，重庆 400015)

通过ABAQUS有限元模型，分析了重庆山区典型填土地基的强夯振动规律和对既有建构筑物的影响，结果表明：强夯作用下，水平速度和加速度变化大于垂向速度和加速度，强夯对已有建构筑物的振动影响主要集中在顶层框架，实际应用中，应加强对结构顶层框架数据的测试，保证建筑物的安全。

填土地基，既有建筑物，强夯施工，加速度

随着经济的发展和社会的进步，城市化进程不断加快，土地资源紧张的矛盾日益突出，可用于建设的场地空间也变得越来越狭窄。重庆作为西南地区重要的中心城市，在城市规模化开发的过程中，需要大规模的开山填谷，其建筑的地基主要有两类：第一类为已填筑的地基，多为爆破山体、建筑垃圾、工业矿渣等组合填筑而来，具有填土厚度、颗粒大小不均匀以及填筑成分变化大、填筑时间长短不一等特点；另一类为边填边施工的地基，一般为就近爆破山体而成的岩土体作为填料，具有填土厚度、颗粒粒径大小可控，成分固定以及填筑时间较短的特点[1]。强夯法从问世至今，具有能级高、冲击力大、影响深度大、设备简单、施工方便、节省劳动力、工期短等特点[2]，被广泛应用于工业民用建筑、仓库、道路和铁路路基、飞机跑道以及码头等结构中，特别适合于砂性土、粉土、黄土、回填土、杂填土等的加固[3]。

在强夯的过程中，强夯施工产生的冲击波从夯锤起夯点以波的形式向各个方向传播，使得地面产生颠簸和摇晃，产生类似于地震的影响效应[4]。强夯施工在城市规模化改造的过程中，由于大、中城市建筑物和地下设施密集，其振动对周边环境和建构筑物产生的不良影响日益严重，由此引起的纠纷变得越来越普遍。有鉴于此，笔者采用ABAQUS对重庆地区某填土地基的振动规律以及对位于强夯区域某既有框架结构的振动规律进行研究，为山区强夯施工对环境影响提供参考。

1 分析模型建立

1.1 计算模型

拟建场地地层结构为上覆第四纪人工填土层、坡残积粉土层、下伏侏罗系中统沙溪庙组砂质泥岩、泥岩互层，素填土上部松散、下部稍密，厚度约为0.10 m～15.69 m；粉质粘土无光泽，干强度、韧性中等，厚度约为1.0 m～3.0 m；砂质泥岩由粘土矿物组成，粉砂泥质结构，厚度约为0.20 m～8.95 m；砂岩粗粒结构，钙质胶结[5]。根据强夯的设计技术要求，结合建筑场地的复杂程度以及建筑类型，选取一块代表性的区域进行强夯试验，其平面尺寸为200.0 m×100.0 m，土层厚度选择素填土8.0 m，粉质粘土2.0 m，砂质泥岩层5.0 m，总厚度为15.0 m，为了简化计算且考虑计算机计算能力限制，结构以及施加荷载的对称性，取1/4模型，尺寸为100.0 m×50.0 m，通过ABAQUS建立的强夯计算模型见图1。

为了较好的模拟强夯冲击荷载作用下的应力波在土体中的传播，一阶单元往往比较优于二阶单元，单元类型选用C3D8R，在划分网格时，为了精确的模拟夯锤和土体的作用，夯锤中心两倍夯锤范围内的网格尺寸设定为0.1 m，其余区域的网格尺寸设定为5.0 m，竖向网格尺寸为0.5 m，对于对称边界采用对称约束，远离夯锤的边界固定其水平位移，土层底部固定其竖向位移。

1.2 本构模型的选取

在进行强夯模拟的过程中，夯锤一般是钢筋混凝土结构或钢结构，其在强夯的过程中由于其刚度远大于被夯材料，所以在ABAQUS/Explicit显式动力分析中，将夯锤简化为刚性体模型，其密度为7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011MPa，泊松比为0.3；框架结构采用的钢筋混凝土参数为E=3.0×1010MPa，泊松比为0.2，材料密度2 600 kg/m3；土层参数如表1所示，土体模型采用Dracker-Prager理想弹塑性本构模型，在实际参数输入中将Mohr-Coulomb弹塑性模型的参数转变为Dracker-Prager理想弹塑性本构模型的参数[6]。

表1 土层参数

1.3 强夯冲击荷载选取

一次完整的强夯过程是提升夯锤到一定高度，夯锤自由下落到被夯点，以一定的初速度冲击下部土体，夯锤速度在很短的时间内(大约0.04 s～0.2 s)衰减到0，由动量定理可得，该过程产生的冲击力可达到夯锤重量的几十倍，土体被瞬间压缩，而后土体产生一定的回弹，此时只有夯锤静力荷载作用于土体上，相对于强夯过程产生的冲击荷载，其静力荷载可以忽略不计。已有的研究表明，强夯的冲击过程产生的应力波只有一个尖峰，其瞬时冲击荷载可以简化为半正弦函数或三角形函数的形式，如图2所示，这种方法是通过强夯作用力随时间的变化作为加载条件来模拟冲击荷载；本文采用第二种加载的形式，即根据夯锤的落距，计算出夯锤和土层接触时的初速度，设定夯锤和土的接触类型并加载。

本文模拟夯锤第一次夯击土体，单击夯击能为3 000 kN·m，夯锤重量为25 t，夯锤落距为12 m，计算所得的夯锤接触上层土时的初速度分别为v25=15.34 m/s，设置接触为主从面面接触的形式，为了保证产生的应力波有足够的时间进行传播和消散，将计算时间设定为10 s，时间步长为0.002 s。

2 计算结果分析

2.1 强夯振动规律分析

图3，图4为地表土体速度峰值和加速度随着距离夯锤中心点水平距离不同的变化规律曲线；图5，图6为在距离夯锤中心10 m处距 离地表土体不同深度垂向速度和加速度峰值变化曲线。从图3和图4可以看出，随着距离夯锤中心点距离的增加，其加速度和速度都呈衰减的趋势，随着距离的增加其衰减的速度变缓，在个别距离其幅值存在增大的趋势，原因是由于表层土体的振动频率和振源发生共振现象，出现振动放大区；在不同的水平距离下，垂向速度和加速度的峰值都分别小于水平速度和加速度的峰值，符合已有的研究规律[7,8]。从图5和图6可以看出，随着深度的增加，垂向速度和加速度幅值呈下降的趋势，但是速度在4 m～6 m、加速度在5 m～8 m存在幅值局部增大的现象，原因如上所述，由于该层土体振动频率与振源发生共振造成振动放大。

2.2 强夯对既有建构筑物影响分析

根据GB 6722—2003爆破安全规程中的规定，考虑振动对建构筑物安全的影响时，采用振动速度作为控制量。对于钢筋混凝土框架房屋的安全振动速度为5 cm/s，对比图3的结果，设定安全距离为30 m。考虑在强夯区域距离夯击点30.0 m处6层钢筋混凝土框架结构，框架结构的层高为3.0 m，平面尺寸为[(6+6)×6]m，框架桩基础的截面尺寸为600 mm×600 mm，桩长为10.0 m；框架柱的截面尺寸为400 mm×400 mm，框架主梁的截面尺寸为250 mm×500 mm，次梁截面尺寸为200 mm×350 mm，板厚为100 mm，建立的有限元计算模型见图7。

图8为强夯冲击荷载作用下框架结构的最大垂向速度和水平速度随楼层的变化关系图，图9为框架结构最大垂向加速度和水平振动加速度随楼层的变化曲线图。从图8和图9可以看出，垂向速度和加速度的幅值分别都小于相应的水平速度和加速度的幅值，但是在第6层其垂向加速度大于其水平加速度；从图8可以看出，水平速度随着楼层的增加呈先降低后增加的趋势，且在4层～6层其幅值增加趋势明显；从图9可以看出，水平加速度随着楼层的增加呈下降的趋势，且在1层～2层的变化趋势明显，2层～6层其水平加速度变化平缓。在实际应用中，加强对结构4层～6层的振动测试，保证建筑物的安全。

3 结语

文中通过ABAQUS对山区填土地基强夯冲击荷载作用下的水平和垂向速度、加速度的变化规律进行了研究，并对考虑安全距离外的某多层框架结构在强夯荷载下的加速度和速度随楼层变化规律进行了分析，得到：强夯作用下，水平速度和加速度变化大于垂向速度和加速度，在水平方向的表层土体、竖直方向的土体产生共振造成振动放大区；强夯对已有建构筑物的振动影响主要集中在顶层框架，实际应用中，加强对结构顶层框架数据的测试，保证建筑物的安全。

[1] 陆 新.强夯法处理软土与高填方地基技术研究与工程应用[D].重庆：后勤工程学院，2005.

[2] 刘艳萍，杜克勤，姚洪波.强夯法施工对周围物体产生的振动影响[J].河南水利与南水北调，2009(8)：173.

[3] 赵文贵.强夯法在山区块石抛填地基处理中的应用[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2013,12(1)：52-53.

[4] 李 实，孔福利，徐全军，等.强夯振动与爆破振动的信号特征对比分析[J].爆破器材，2008,37(1):31-34.

[5] 阮 维.强夯法在山区块石填方工程中的应用[D].重庆：重庆大学，2007.

[6] 郑颖人,孔 亮.岩土塑性力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[7] 姚道平，张艺峰，叶友权.强夯施工振动效应分析[J].山西建筑，2008，34(25)：112-113.

[8] 施有志.强夯引起的振动规律及环境效应分析[J].岩土工程技术，2007，21(3)：144-148.

Research on mountain dynamic compaction vibration law and its influence to existing buildings★

Liu Xianqing1Yang Fan2Gu Wenjie1Chen Jinfeng1Zhu Jiankai1Xu Yanling1

(1.LogisticsEngineeringSchool,Chongqing401311,China; 2.ChongqingDesignInstitute,Chongqing400015,China)

Through the ABAQUS finite element model, this paper mainly analyzed the dynamic compaction vibration law of typical filled foundation in Chongqing area and its influence to existing building, the results showed that under dynamic compaction, the velocity and acceleration changes greater than vertical velocity and acceleration, the vibration effects mainly concentrated in the top framework of dynamic compaction to existing buildings, in practice application that should strengthen the top-level structure framework data testing, ensured the safety of building.

filled foundation, existing building, dynamic compaction construction, acceleration

1009-6825(2017)03-0040-03

2016-11-19 ★：重庆市建设科技计划项目(城科字2014年09-2号)；后勤工程学院青年基金(YQ16-420502)

刘宪庆(1986- ),男，博士，讲师

TU472.31

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