强夯振动对人工岛海堤影响及处理措施

解林博，刘洋

0　引言

强夯法于1978年开始引入国内，经过这么多年的发展，由于其工艺简单，施工迅速，效果显著，在地基加固方面得到了广泛的应用。然而，强夯振动会对周边环境产生很大的影响，其对施工现场周边环境的影响是个不容忽视的问题，强夯不仅产生巨大噪音，影响人们的正常生活，产生的振动严重时甚至会影响周边既有建（构）筑物的使用安全。

多年来，国内外学者对此进行了相关研究。如MENG Qing-juan等[1]做了强夯振动对周边环境影响的模型试验；Pan J L等[2]研究模拟动力荷载作用下松散土壤的强夯效果；Hwang JH等[3]分析隔离沟槽随距离远近对强夯振动的衰减幅度的影响；尚军雷等[4]研究振动对邻近建筑物的危害，并提出相应的减振措施；雷学文等[5]研究强夯引起的振动规律、施工安全距离，并提出减振措施；吴小波[6]研究强夯振动衰减规律和周边环境影响评价；杭的平[7]研究隔振沟的减振效果；张涛等[8]通过某高速公路工程高填路基强夯处理作业振动进行的试验监测，就强夯振动对周边环境的影响问题进行了研究，得出强夯振动地面速度、加速度随距离衰减的公式；高志义等[9]进行了沉箱码头后方强夯试验研究；王晓昱[10]等研究强夯置换法在码头前沿区地基处理中的应用。

虽然在强夯振动对周边影响问题上已经取得了一些成果，但是由于土力学性质的复杂性，强夯振动对周边的影响无法全部靠理论预测，对于工程周边存在重要建（构）筑物的情况，往往需要对强夯振动进行实地监测，确定影响大小，并采取相应隔振措施。本项目强夯区边界距离海堤最近处仅有14 m，强夯产生的振动很可能影响海堤的结构安全，因而非常有必要对强夯振动的影响及对应措施进行研究，确保工程的安全进行。

1　工程概况

本项目为人工岛填筑，位于海南儋州，距离海岸大于600 m，总跨度6.8 km。人工岛建设首先在海中修建围堰，然后吹填淤泥+陆推素填土而形成陆域，由于是回填形成的场地，满足不了以后建筑物对地基承载力和变形的要求，拟对回填的素填土采用强夯法进行地基处理。强夯前选择2个具有代表性的区域（均为30 m×30 m）进行试夯，2个区域距离海堤最近距离为14 m。试验1区夯击能为1 500 kN·m，试验2区夯击能为3 000 kN·m。

试验区表层主要为堆填形成的素填土，堆填厚度为3.6～7.0 m。素填土下为回填之前的原状土，上部为珊瑚碎屑层，灰色，稍密，主要由珊瑚碎块，砾石、砂粒、贝壳等组成，再往下为粉质黏土。

试验采用两遍点夯、一遍满夯的方案。点夯夯点采用正方形布置，夯点间距5 m。最后1遍为全场满夯，夯击时点与点之间搭接1/4锤径。强夯施工工艺参数见表1。

表1　强夯施工工艺参数Table 1　Dynamic compaction construction process parameters

2　仪器及布置

测定强夯振动的仪器采用CSA24地震仪。夯点不同距离处布置测点，监测强夯过程中土中的振动速度。

海堤处设计振动速度为5 cm/s，大于5 cm/s需报设计单位并采取相应措施。

试验1区测点布置见图1，图中编号①～⑦代表强夯夯击点，编号1～5号代表测点，测点处埋设拾振器。

图1　试验1区测点布置图（cm）Fig.1　Layout of measuring pointsin the first test area（cm）

拾振器间隔2 m，5号拾振器距海堤控制线仅有3 m。初次夯击时，夯点距最近的拾振器33 m，然后夯点以每次5 m的间隔向拾振器靠近，最后1次夯击时夯点距离最近的拾振器仅有3 m，距海堤控制线仅有14 m。试验1区共测得7组振动速度数据。

3　试验1区试验结果

夯击时，地震仪测得波形图，经过处理之后，可以得到测点处振动速度。将每一个传感器测点测量到的不同夯击点振动引起的水平向振动速度绘制成曲线，得到图2。

图2　试验1区水平速度与距夯点距离关系曲线Fig.2　Curve about horizontal velocity and distance of tamping points in the first test area

图2为试验1区5个测量点测得的最大水平振动速度与距夯点距离关系曲线。不同次数的夯击时，测点距夯点距离存在重叠，由图可以看出，不同测量次数时，距离重叠部分的振动速度基本相同，说明测量结果较为准确。

从图2中曲线的整体走向来看，随着与夯点距离的增大，振动速度越来越小，最终趋近于零。当与夯点距离较小时，振动速度与距夯点距离近似呈线性关系，随着与夯点距离的增大，曲线斜率越来越小，说明振动速度减小的越来越慢。

试验1区域测得当最大水平速度为257.7 mm/s时，距离夯点3 m。随着间距的增大，测得的水平速度逐渐降低，测得当最小水平速度为18.4 mm/s时，距离夯点41 m。由图2可以得出，当距离夯点间距大于22 m时，水平方向上的振动速度小于50 mm/s。

施工场地海堤控制线离夯点的最小距离为14 m，而由图2可以看出距夯点14 m处振动速度约13 cm/s，远大于设计要求的5 cm/s的限值，说明采用1 500 kN·m夯击能时，如不采取措施，则夯击产生的振动不能满足设计限值要求，可能对海堤造成破坏。

4　隔振沟布置和试验结果

试验2区夯击能为3 000 kN·m。通过试验1区的结果发现，无隔振措施时海堤处振动速度超过设计限值，因而在试验2区将采用隔振措施。对于强夯工程，最常用的隔振措施是开挖隔振沟，隔振沟工艺简单，成本低廉，试验2区即在海堤和强夯区之间开挖1条隔振沟。试验2区夯点和拾振器的布置方式与试验1区基本一致，但是在拾振器2号和3号之间设置了1条隔振沟，因而拾振器之间的间隔有所调整，见图3所示。隔振沟宽1 m，深2 m。

图3　试验2区测点布置图（cm）Fig.3　Layout of measuring pointsin the second test area（cm）

试验2区振动速度测试结果见图4～图5。

图4　试验2区隔振沟外水平速度与距夯点距离关系曲线Fig.4　Curve about horizontal velocity and distance of tamping points outside of vibration isolation ditch in thesecond test area

图5　试验2区隔振沟内水平速度与距夯点距离关系曲线Fig.5　Curveabout horizontal velocity and distance of tamping points inside of vibration isolation ditch in the second test area

图4和图5为试验2区5个测量点测得的最大水平振动速度与距夯点距离关系曲线。5条曲线上都包含7个夯击点的数据，其中前1号，2号点与夯点处于隔振沟的同一侧，3号、4号、5号测点与夯点由隔振沟隔开。

试验2区测得隔振沟外最大水平速度为53.8 mm/s，距离夯点8 m。随着间距的增大，测得水平速度逐渐降低，测得最小水平速度为1.2 mm/s，此时距离夯点42 m。由图4可以得出，当距离夯点间距大于10 m时，水平方向上的振动速度小于50 mm/s。

试验2区测得隔振沟内最大水平速度225.0 mm/s，距离夯点3.5 m。随着间距的增大，测得的水平速度逐渐降低，测得最小水平速度为4.8 mm/s，此时距离夯点35.5 m。由图5可以得出，当距离夯点间距大于23.5 m时，水平方向上的振动速度小于50 mm/s。

由此可见，隔着隔振沟两侧的测点之间有较大的速度差异，50 mm/s的控制距离由23.5 m缩减到了10 m。说明开挖隔振沟之后，极大地削弱了强夯振动对海堤的不利影响，满足了距离14 m的要求。

5　不同强夯能级下振动速度的对比分析

为了分析强夯能级对振动速度的影响，选取试验 1区（1 500 kN·m）和试验 2区（3 000 kN·m）的测点2，两个区的测点2都和7个夯点处于隔振沟的同一侧，而且离海堤的距离相近，具有可比较性。两个区测点2的振动速度与距夯点距离关系曲线如图6所示。

图6　不同夯击能对振动速度的影响Fig.6　Influence of different tamping energy on vibration velocity

由图6可以看出，1 500 kN·m和3 000 kN·m两种夯击能下振动速度都随着距夯点距离的增大而减小，而且随着距离的增大，速度减小的幅度变缓。然而，仔细观察会发现一个很有意思的情况，图中显示1 500 kN·m夯击能产生的振动速度反而大于3 000 kN·m夯击能产生的振动速度，这与一般认知不符，探察其原因，可能是由于两个试验区土层差异造成的。图7为两个试验区夯前标贯击数随深度变化曲线，由图可以看出，试验1区土层的标贯击数在整体范围内明显大于试验2区标贯击数，说明试验1区土层要比试验2区土层硬，从而导致虽然试验1区强夯能级小，产生的振动反而比试验2区大，这符合能量传递规律。同时也说明回填土场地的离散性较大，需要在施工前详细探摸，进行试验确定合适的施工参数，保证地基处理效果。

图7　试验1区和试验2区的标贯击数Fig.7　The SPT blow count in the first and second test area

6　结语

本文对人工岛强夯加固地基产生的振动和隔振措施进行了研究，通过对两个现场试验区的监测，得到了以下结论：

1）随着与夯点距离的增大，振动速度越来越小，最终趋近于0。当与夯点距离较小时，振动速度与距夯点距离近似呈线性关系，随着与夯点距离的增大，曲线斜率越来越小，说明振动速度减小的越来越慢。

2）试验1区采用1 500 kN·m的强夯，且夯点与海堤之间未设置隔振措施，海堤距夯点最小距离为14 m，此时海堤处的振动速度为13 cm/s，远大于设计要求的5 cm/s的限制，可能对海堤造成破坏。

3）隔振沟对振动的削弱作用显著，试验2区强夯振动经隔振沟削弱后海堤处振动速度皆小于5 cm/s，满足了设计要求。

4）除夯击能之外，土层性质对振动速度有较大影响。

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