强夯振动对高铁桥墩造成的地震效应检测

鹿子林, 夏 暖, 张士鹏, 窦连波, 徐文星

（1.山东省地震工程研究院，山东 济南 250021；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006）

强夯振动对高铁桥墩造成的地震效应检测

鹿子林1, 夏 暖1, 张士鹏2, 窦连波2, 徐文星1

（1.山东省地震工程研究院，山东 济南 250021；2.山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006）

为确保高铁设施的安全，针对强夯振动的特点，根据场地的地质条件，选取离桥墩最近的夯点进行检测，在附近三个桥墩处设置三组检测点，每组三个分向（径、切、垂），对强夯造成的地面振动速度进行了检测，结果显示，根据国家标准，该次强夯振动不会对桥墩产生破坏性影响。

强夯；振动；桥墩；检测

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.015

1674-8565（2017）04-0081-06

山东省地震局合同制科研项目“地球物理勘探信息系统建设”（16Y103）

2017-04-12

2017-08-12

鹿子林（1980- ），男，山东省淄博市人，毕业于中国矿业大学（北京），硕士，工程师，现主要从事地球物理勘探、活断层研究等方面的工作。E-mail：lvlin3956@163.com

0 引言

随着城市基础设施建设推进、工矿企业的资源开发加剧，现场施工及各种设施的运行产生的干扰，对人类的影响越来越大，尤其是振动干扰[1-2]，比如强夯、爆破等对周围建（构）筑物特别是涉及到安全运行的设施、有人居住的小区、民房等都会造成一定的影响[3-6]，在一定范围内激化了社会矛盾。为了把振动干扰控制在一定的范围内，就需要对振动进行检测，采取措施确保振动不超标，保证各设施的安全。

某在建商场项目在高铁附近，正在进行强夯施工，某铁路工务段工作人员在对高速铁路基础设施例行安全巡检时,发现该在建商场强夯施工产生的振动波有可能对已运行一年的高铁桥墩产生影响,为了确保高铁基础设施安全,我方对该强夯产生的振动进行了检测。

1 现场概况

1.1 地形地貌

场地所属地貌单元为第四系冲洪积地貌特征，地层为冲洪积成因，地形平坦，地面标高最大值为33.70m，最小值为31.88m，地表相对高差1.82m。地下水属于孔隙潜水，勘探期间地下水埋深1.90～2.70m，平均埋深2.16m；相应标高29.78～31.60m，平均30.76m。

1.2 场地土层结构

场地钻孔揭露深度范围内，上部地层为第四系沉积物，下部基岩为燕山晚期辉长岩。地层从上而下分为10层：（1）杂填土（Q4

ml）；（2）粉质粘土（Q4al+pl）；（3）粉质粘土（Q3

al+pl）；（4）粘土（Q3al+pl）；（5）粉质粘土（Q3

al+pl）；（6）残积土（Q3el）；（7）全风化辉长岩（γ5

3）；（8）强风化辉长岩（γ53）；（9）中风化辉长岩（γ53）。

图1为场地典型工程地质剖面图，从图中可以看出浅部覆盖层主要为第四系粉土及粉质粘土，主要层位基本连续、近水平层状分布，局部有较小起伏和夹层，下伏辉长岩分为全风化、强风化及中风化三层，各孔的风化程度不一致，基岩面略有起伏，但起伏较为平缓。

图1 场地工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological section

1.3 场地稳定性评价

根据场地钻孔工程地质剖面图及地层描述来看，场地地形地貌单一，第四系地层主要为杂填土、粉质粘土、粉土和碎石土，下伏基岩为燕山晚期辉长岩，地层分布较连续，结构较简单，属同一个工程地质单元。无不良地质现象，物理力学性质较均匀，稳定性较好，基岩分布连续，厚度稳定，所揭露的地层没有错动和位移迹象。覆盖层厚度小于30m，场地土的等效剪切波速为211.7m/s，场地土类型为中软土，建筑场地类别为Ⅱ类。

2 强夯振动的特点

2.1 夯击能量的影响

强夯锤体从空中自由坠落时，大部分能量转变成夯击能，使地基得到加固，其中部分能量转变为地震波，以波的形式从夯击点向各个方向传播，引起地面振动，这种波包含压缩波（P 波）、剪切波（S波）和瑞利波（R 波），其中压缩波约占振动能量的7%，剪切波约为 26%，瑞利波所占的比例最大，约为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，是强夯施工对周边环境产生振动影响的主要能量，当振动强度超过一定水平时，就会造成建筑物的破坏。一般的，夯击能量越大，在同一点造成的振动越大，夯击能与振动速度呈二次曲线关系，夯检距较小时，曲线较陡，随着夯检距的增大，曲线变缓，即近夯点时，随着夯击能的增大，振动速度增加的较快；远夯点时，则随着夯击能的增大，振动速度增加的较慢。这表明，近夯击点的振动强度对夯击能量的变化较为敏感，这与夯击振动的衰减规律密切相关。

2.2 夯检距的影响

研究表明，离夯击点越近，地面振动的强度越高，反之，强度就越低。强夯引起的地面振动的振幅值随着夯检距离增大按负幂函数曲线的形式急剧衰减，随着距夯点距离的增大，衰减速度逐渐降低[7]。故强夯振动主要影响夯击点附近较小的区域。国内外许多学者通过大量的研究给出了针对一般建筑物的大致安全距离，但作者认为就个案而言，不同的地质情况、不同的夯击能量，不同的振动频率等多种因素对建筑物的影响是多方面的，不能单独就振动强度来确定安全距离，必须进行现场检测，特别是临近有重要建筑时，不可凭经验武断确定。当夯击施工无法避免的要影响到临近建筑物时，可以采取挖掘防震沟，减小夯击能等措施，降低振动影响。

2.3 夯击次数的影响

理论上,同一夯击点上,随着夯击次数的增多,土层逐渐密实,地面同一点的振动幅值一般是随着击数的增大而增大,最后土层密实到一定程度后，振动幅值趋于定值，夯击次数与振动强度呈二次曲线关系，但受各种因素的影响,锤体触地时的姿态、落点并非与上一次完全一致，所以振动幅值并非像理想中那样逐渐增大,而是随着击数的增大，振动幅值整体趋于二次曲线分布，即呈现逐步增大且增速逐渐变小的趋势，并伴有个别减小的现象。

2.4 夯击振动的方向和频率特征

不同研究者就强夯产生的地面振动极值有不同见解，有学者测的径向最大，有学者测的垂向最大，作者认为：强夯施工的介质一般为土体，而土体为非弹性、非均匀性介质，瑞利波在土体中的传播较在弹性介质中的传播要复杂的多，再加上锤体的形状、落地的姿态，波传播过程中遇到的特殊地质体，隐伏的建构筑物基础等因素，最终导致在地面实测的最大分量可能会不同。

强夯施工激发的主振频率较低，通常主频在2～16Hz内，一般与强夯点的场地条件有关，硬度较大的场地测得的主振频率较高；近夯击点测得的主振频率高频分量大，随着振动传播距离的增大，其高频成分逐渐衰减，振动主频相对变低，强夯施工对周围固有频率较低的建、构筑物造成的影响也不能忽视。

夯击产生的脉冲地震波与爆破产生的地震波具有相似性，都是瞬时达到振动峰值，并且持续时间很短，一般在2s以内，包含不同频率成分，所以其产生的破坏可按《爆破安全规程》相关标准进行判定（表1）。

表1 爆破振动安全允许标准[8]

3 振动检测

3.1 现场工作布置

在建商场位于高铁线以东。最近的夯击点距离高铁桥墩约100m，地势较为平坦，但工地与桥墩之间、沿铁路线方向有不连续土堆。工地北侧为国道车辆密集，南侧为普通道路，车辆较少，东侧为市内交通要道，车辆较多。

图2 现场检测布置图Fig.2 Field detection layout

本次强夯设备为宇通400型，锤重20t，提升高度15m，单击夯击能力3000KN.m，每个夯击点夯击次数基本在9～10次，选取设计强夯区域离桥墩侧最近的点进行夯击检测，在距离夯点较近的三个桥墩处分别放置一组检测点，每组检测点记录三个分向（径、切、垂）的振动，现场检测点布置见图2，全过程记录相邻3个夯击点完整周期的振动。

3.2 现场检测

数据采集仪使用北京东方噪声和振动研究所生产的INV306D型，拾震器使用中国地震局工程力学研究所生产的891-2型。拾震器已经过中国计量科学研究院检定合格。因场地处于闹市区，交通、施工等干扰较多，故选择在凌晨干扰较少的时段进行检测。

对三组夯击振动分别进行连续记录，采样频率1024Hz，总记录时长约2410s。夯击点1夯击次数9，夯击点2夯击次数10，夯击点3夯击次数9。按照规范要求读取各检测点的极大值，具体参数如表2所示。

表2 各测点实测情况

从实测数据看，三个分向的振动速度基本都在一个数量级，差别不大，但总体上水平向的振动幅度较大（表2），图3-5分别是A、B、C三个检测点检测到的最大振动速度时的时程及其对应的频谱，对所有振动时程进行频谱分析后发现，本次振动的主频在6～10Hz之间分布，三个点最大振动速度分别为0.11cm/s、0.10cm/s、0.12cm/s，检测点A距离夯点较近，但检测到的振动速度比C点小，估计是受地表与铁路线平行分布的土堆影响所致，土堆对地震波的传播起到了一定的衰减作用。

图3 测点A最大振动速度时程（左）及其频谱（右）Fig.3 Maximum vibration velocity time course of point A ( left ) and its spectrum ( right )

图4 测点B最大振动速度时程（左）及其频谱（右）Fig.4 Maximum vibration velocity time course of point B ( left ) and its spectrum ( right )

图5 测点C最大振动速度时程（左）及其频谱（右）Fig.5 Maximum vibration velocity time course of point C ( left ) and its spectrum ( right )

根据GB6722-2014《爆破安全规程》中对新浇大体积混凝土（C20）的振动安全允许标准（表1），f≤10Hz时龄期7～28d的振动允许标准是7cm/s, 各测点最大振动速度为0.12cm/s,数值远远小于标准值，故本次强夯施工所产生的地面振动对桥墩不会产生破坏性影响。

3.3 数据特征分析

表3为检测点A的实测数据，由数据可知，垂向和切向的振动峰值都出现在负半轴即波谷的位置，切向振动峰值出现在正半轴即波峰的位置，其余检测点也具有该特征；三个分向的振动绝对幅值差别不大，但水平向的振动绝对幅值要普遍大于垂直向，切向和径向的绝对幅值差别不大，极值出现在切向的波谷位置。

表3 检测点A实测数据

随着夯击次数的增加，三个分向的振动绝对幅值总体呈增大趋势，增大的速度逐渐放缓，增大到一定的数值后，基本保持恒定。图6为同一检测点（A）记录的相邻3个夯击点（夯击点1～3，夯检距相同）的夯击过程（每个夯击点8～9击），由图6可以看出在第一次夯击时，相邻夯击点的地质条件基本相同，产生的振动速度大小是基本一致的，随着夯击次数的增多（以塑性变形为主的阶段内），锤体触地的一致性变差，故幅值不会按理想状态来分布，但是幅值在总体趋于增大的过程中会逐渐趋向一致，即经过足够次数的夯击之后，介质物性指标会变得趋于一致，振动幅值趋于稳定。

图6 夯击次数与振动强度的关系（垂向）Fig.6 The relationship between the number of ramming times and the vibration intensity ( vertical )

4 结论与建议

（1）检测点的振动速度远远小于国家标准规定的数值，强夯对桥墩不会造成破坏性影响。

（2）水平向的振动幅值总体要比垂直向的大，且垂向和切向的峰值出现在负半轴，径向的峰值出现在正半轴。

（3）强夯主振频率较低，对固有频率与强夯主振频率相近的建、构筑物影响不容忽视。

（4）强夯施工离周围建、构筑物太近无法规避时，可以采取挖掘防震沟、降低夯击能等措施降低对其影响。

[1]陆伟东，韩晓健，杨放.强夯施工环境振动影响的评价方法[J].南京工业大学学报，2002，24（5）：65-68.

[2]吴兴野，徐明明，吴琼，等.强夯地基处理振动效应的研究[J].岩土工程技术，2012，26（5）：230-251.

[3]张文学，李建中，苏木标，等.轻型铁路桥墩横向振动问题研究[J].工程力学，2006，23（8）：122-154.

[4]杨冬，姚令侃，蒋良潍，等.土质场地重力式挡土墙地震土压力振动台实验研究[J].防灾减灾学报，2011，27（4）：8-16.

[5]白海峰，刘兴.输电塔风振疲劳可靠性分析[J].防灾减灾学报，2016，36（2）：32-39.

[6]李志毅，高广运，冯世进，等.高速列车运行引起的地表振动分析[J].同济大学学报:自然科学版，2007，35（7）：909-914.

[7]蒋维强，欧阳立胜.强夯地震效应特征研究[J].防灾减灾工程学报，2005，25（1）：45-48.

[8]中国工程爆破协会.爆破安全规程（GB6722-2014）[S].北京:中国标准出版社，2014.

Seismic Effect Detection of High Speed Railway Bridge Piers Caused by Dynamic Compaction

LU Zi-lin1，XIA Nuan1，ZHANG Shi-peng2，DOU Lian-bo2，XU Wen-xing1

（1. Shandong Institute of Earthquake Engineering，Shan dong Jinan 250021，China 2.The 7th Institute of Geology and Mineral Exploration of Shandong Province，Shan dong Linyi 276006，China）

In order to ensure the safety of high-speed railway facilities，the nearest dynamic compaction point is selected to detect the pierbased on the characteristics of dynamic compaction vibration.Three sets of test points are set in the vicinity of the three piers, Each group consists of three parts（ radial,tangential and vertical），and the ground vibration velocity caused by dynamic compaction is tested.According to the national standard, the dynamic compaction vibration will not have a destructive effect on the bridge piers.

dynamic compaction;vibration; bridge piers;detection