14 000 kN·m高能级强夯置换振动效应研究

卞海丁，魏 进，冯 畅，张 晨，李嘉淇，温 涵

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2. 西安市市政建设(集团)有限公司，陕西 西安 710054)

强夯置换法[1]是20世纪80年代首次由法国Menard技术公司在传统强夯法[2]的基础上改进创新而来的一种软土地基处理工艺，具体实施过程是利用夯锤下落产生的巨大夯击能排开土体，向夯坑内回填块石、碎石、砂或其他颗粒材料继续夯击，最终形成块(碎石)墩，所形成的墩体兼有复合地基和竖向排水通道的作用，是一种经济、可靠的地基处理方法。在强夯法与强夯置换法的应用发展过程中，学者针其加固机理和加固效应、设计、施工参数、方法对地基处理效果的影响[3-9]等众多方面进行了研究，但高能级强夯施工时会产生巨大冲击波，对周围环境产生诸多不利影响，尤其是对既有构筑物的影响一直是人们关注的重点，这也成为了强夯及强夯置换地基处理发展的瓶颈之一。

为此众多学者围绕强夯或强夯置换施工产生的振动效应和传播规律，不同设计施工参数、施工过程、不同土质对其振动传播的影响规律开展了研究。闫东霄等[10]对西北地区湿陷性黄土路基强夯加固的振动衰减规律进行了研究，建立了3 000 kN·m的振动速度衰减公式。黄璇等[11]依托某水库工程坝基强夯施工工程，分析了强夯振动能量衰减规律与减震沟的隔振效果。时伟等[12]同在某深厚粉细砂场地进行的8 000 kN·m强夯试验，分析强夯振动随测点距离的衰减变化规律和随楼层的衰减变化规律,确定了8 000 kN·m能级强夯安全施工距离。李盼盼等[13]通过现场对比监测分析，得出了距夯点相同距离处，强夯振动加速度沿水平地面方向的，径向、垂向的值大于斜坡方向。周洋等[14]通过对振动加速度与夯点距离关系研究厘清了粉土场地振动衰减规律及影响范围；

现有研究多针对于小能级，对高能级强夯置换法施工引起的振动效应研究较少。因此本文结合山西某油库搬迁工程，现场测试了14 000 kN·m高能级强夯置换时地表振动速度、加速度及振动频谱，对比研究了强夯置换前后地表振速的衰减规律，并合理确定了强夯置换施工的安全距离，确保临近铁路悬臂式路肩挡土墙的安全。

1 场地概况

依托工程为山西某油库搬迁工程，拟建工程属丘陵地貌单元。场地的抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.05g。

根据设计要求，高压线下方储油罐区区域采用14 000 kN·m能级强夯置换法进行施工。但根据现场实际情况，场地南侧有两趟高压线穿行而过，夯机无法穿过高压线下方区域，因此对现有高压线进行迁移，但高压线迁移进度对强夯置换施工影响大，为减少后期试验性施工对工期的影响，故在与实际施工场地地质情况相似的原预留乙醇罐区进行14 000 kN·m能级强夯置换试验。

同时，储油罐区紧邻晋煤集团专用铁路，其悬臂式路肩挡土墙与施工场地最近距离约39 m，为保证临近铁路挡墙不受影响，对试夯区14 000 kN·m能级强夯置换产生的振动影响进行监测，提出强夯置换施工产生振动的安全范围和防治措施。试夯区场地分层情况见表1。

表1 试夯区地层示意表

2 试验设计

2.1 试验参数及机械

试夯参数如下：第一遍、第二遍采用夯击能为14 000 kN·m的平锤，以油罐中心为圆心向周围辐射均匀布置夯点，夯击不少于10击后，回填粗骨料填满夯坑，再用14 000 kN·m平锤夯击6击，末两击平均夯沉量不大于25 cm。第三遍采用7 000 kN·m平锤，收锤标准：最后两击平均夯沉量不大于20 cm，且击数不少于10击控制，前三遍夯点布置图见图1所示。第四遍采用2 000 kN·m夯击能满夯一遍，每点夯2击，锤印搭接宽度不小于1/4锤径，满夯搭接示意图如图2所示。试夯处理后浅层地基承载力不小于210 kPa。试夯参数见表2，试夯机械见表3。

图1 试夯区夯点布置图

表2 试夯区施工参数

图2 满夯搭接示意图

表3 试夯区施工机械

2.2 置换材料要求

结合《复合地基技术规范》[15](GB/T 50783—2012)，本场地试夯区强夯置换试验采用粗颗粒填料，控制最大粒径在50 cm(粒径大于30 cm的颗粒含量不超过30%)，且有机物含量不超过5%，并控制回填料的含水率。按《土工试验方法标准》[16](GB/T 50123—2019)规定的试验方法对现场置换石料进行检测，抗压强度及含水率符合规范要求，且不含有明显的植物残体、生活垃圾等杂质，可用于现场置换加固，对于粒径较大的石料，可适当粉碎后使用。

3 振动测试

3.1 测试时机的选择

由于完成第一遍强夯置换的试夯场地与未经强夯置换处理的原始场地相比，土层的密实度更大，因此为振动能量传播提供了更好的通道，影响也更大。而第二遍强夯置换产生的能量远大于第三遍点夯加固与第四遍满夯处理地基表层土体的能量，故选择已完成第一遍强夯置换的试夯场地进行第二遍强夯置换时布设测点测试强夯置换振动的传播规律及特性，在此基础上分析强夯置换振动对周边环境的影响也更具说服力。

3.2 测试仪器与测点布置

本次强夯置换振动测试设备为L20-S型爆破测振仪，如图3所示。采样频率为500 Hz，采集幅值量程为0.001 cm/s～35 cm/s。传感器为TT-3型三向振动速度传感器，形状为正方体，边长64 mm，传感器箭头方向(水平径向x)始终指向振源。

图3 L20-S型爆破测振仪

测线沿振动衰减的方向布设，由西向东分别布置1#、2#、3#、4#、5#、6#及7#，共计7个测点，监测点距夯点中心的距离分别为15 m、35 m、60 m、70 m、80 m、120 m、130 m，测点布设如图4所示，每一个测点同时进行振动速度、振动加速度、振动位移三向(径向、切向、垂向)监测。

图4 测点布置图

4 振动测试结果及分析

4.1 振动速度

以测点3填料前后最后一击(第11击与第16击)采集到的结果作为实测代表波形及对应振动频谱，强夯置换前后典型三向振动速度波形图与频谱见图5、图6，强夯置换前后振动主频随距离的变化规律如图7所示。

由图5、图6分析可知，夯锤作用在原状土与填入夯坑的石料上引发的地表振动持续时间皆较短，基本在1.5 s以内，且皆呈现为脉冲型地面运动。对某任意一个时域内的震荡波，其总振动波形都可由一系列谐波构成，频谱曲线中的峰值点对应的频率即为振动主频，本次试验中，振动主频在6.5 Hz～13.0 Hz之间，高于周边普通建筑房屋结构的自振频率[17]，不会引发共振。由图7可知，对于同一夯点不同距离两种工艺产生的振动主频也不相同，具体表现为距夯点近处高，远处低，这与褚宏宪等[18]分析的规律一致。不考虑现场夯坑填料时间，经计时，现场相邻两次夯击的间隔时间约为3 min，不会引起振动叠加现象及地基稳态振动。

图5 强夯置换前典型振动速度波形图与频谱图

图6 强夯置换后典型振动速度波形图与频谱图

图7 强夯置换前后振动主频随距离的变化

强夯置换前后径向、垂向及切向振动速度随距离衰减规律曲线如图8—图10所示。

图8 强夯置换前后径向振动速度随距离衰减规律曲线

由图8—图10可知：

(1) 强夯置换前后，地表径向、垂向、切向振动速度均随距离的增大而衰减，且衰减规律相似，表现为近处快，远处慢，这主要归结于两点原因：①几何阻尼：强夯振动波越远离振源，其波阵面越大，即引起振动的范围区域越大，使得波阵面上单位能量密度减小，导致振动衰减；②材料阻尼：土中相邻介质或是相邻介质的质点之间发生摩擦，将传递至此的动能转化为热能而被消耗掉，从而导致振动衰减，这与振动频率土质的类型、含水率及温度等因素有关。

图9 强夯置换前后垂向振动速度随距离衰减规律曲线

图10 强夯置换前后切向振动速度随距离衰减规律曲线

具体来说，强夯置换前后三向地表振速在70 m以内衰减迅速，置换前后径向的衰减幅度分别为84.54%，85.59%，垂向的衰减幅度分别为91.62%，88.49%，切向的衰减幅度分别为78.62%，74.67%。当超过70 m后，置换前后三向的振动速度都相对较小且衰减缓慢。

(2) 强夯置换前的三向振速均小于置换后对应的三向振速，且径向差距最大，切向次之，垂向差距最小，但随着距夯点距离的增大这种差距逐渐减小直至消失。

(3) 强夯与强夯置换引起的地表三向振速随距夯点距离的增大按负指数函数的形式衰减，可用式(1)表示[19]：

v=ke-βx

(1)

式中:β为衰减系数;k为当量系数；v为振动速度,mm/s；x为测点距夯点的距离,m。

运用式(1)，图8—图10中分别拟合回归出了强夯置换前后三向振动速度随距离衰减规律的公式，其中拟合优度R2皆接近于1，故拟合效果良好，可用于计算此类型黄土回填场地在14 000 kN·m能级强夯与强夯置换时不同振源距的速度值。对于其他类似场地，虽因填料和土质条件等不同，但规律基本相似。

(4) 结合上述强夯置换前后三向衰减幅度与衰减系数β可以发现，垂向的衰减幅度与衰减系数均大于径向与切向，表明地表振动速度沿垂直方向消耗的能量要大于径向与切向。

4.2 夯击次数与能量耗散

取测点3为研究对象，该测点地表质点径向加速度、单击夯沉量与夯击数关系曲线如图11所示。

图11 单击夯沉量、径向加速度与击数的关系

由图11可知，在强夯阶段的前中期，随着夯击次数的增加，夯坑下土体逐渐硬壳化，屈服点增高，强夯有效夯击能占比较大，在弹性限度内垂直于土体方向的能量衰减率小，因而向外扩散传递的能量较小，夯沉量较大。当达到一定击数时(10击、11击)，这一深度范围内由下落的重锤产生的附加应力小于土体的屈服极限，土中各点应力状态处于屈服面内，土体的屈服面空间位置、大小及形状基本保持不变，有效夯击能占比较小，因而向外扩散传递的能量较大，夯沉量较小。在此基础上若一味的增加夯击次数，不仅达不到加固土体的效果，甚至可能会导致已压实土体被振松，此时就需要填入石料进行夯击以提高地基的加固深度，其规律与强夯阶段相似。

4.3 强夯振动的影响范围及处理措施

截止到目前，国内乃至全世界对强夯振动影响的评价标准尚不完善，由于强夯产生的脉冲波与爆破产生的脉冲波相似，振动峰值都是瞬时达到的，且持续时长都基本在2 s以内，所以国内常采用《爆破安全规程》[20](GB 6722—2014)对强夯产生振动进行评价[21-22]。《爆破安全规程》[20](GB 6722—2014)明确指出，对于非挡水新浇大体积混凝土的安全允许质点振速按表4给出的上限取值，因此选取新浇大体积混凝土(C20)龄期为7 d～28 d且f≤10 Hz的安全允许质点振速8 cm/s作为临近铁路悬臂式路肩挡土墙的控制振速。此控制振速可通过下式计算[23]：

(2)

式中:xmax、ymax、zmax分别为径向、切向、垂向上的最大振动速度。

表4 新浇大体积混凝土(C20)爆破振动安全允许标准

求出各测点的三向合振速，拟合出第16次夯击时三向合振速随距离的衰减规律曲线，如图12所示。因此临近铁路悬臂式路肩挡土墙的安全距离为23.66 m，强夯置换施工对其无影响，但需在施工过程中随时观测墙体是否开裂，以便及时采取处理措施。

图12 第16次夯击三向合振速随距离衰减规律曲线

通过后续跟进，实际施工区储油罐区油灌主体施工基本完成，没有出现地基不均匀沉降或因强夯置换施工振动造成的不利影响。

5 结 论

(1) 强夯法与强夯置换法引发的地表振动持续时间皆较短，且皆呈现为脉冲型地面运动。对于同一夯点不同距离的振动主频表现为近处高，远处低；同一夯点不考虑填料时间，施工不会引起振动叠加现象及地基稳态振动现象。

(2) 强夯置换前后由于几何阻尼与材料阻尼，三向振动速度均随距离的增大呈负指数函数v=ke-βx形式衰减，且沿垂直方向消耗的能量要大于径向与切向。

(3) 强夯置换过程中，单击夯沉量、地表径向加速度随夯击次数的变化呈相反规律。

(4) 该场地强夯置换施工产生的振动对临近铁路悬臂式路肩挡土墙的安全距离为23.66 m，不会造成影响，但需在施工过程中随时观测墙体是否开裂，以便及时采取处理措施。