強(qiáng)夯施工對(duì)塑性混凝土防滲墻的振動(dòng)測(cè)試分析

陸凡東，方 向，董 文，丁 凱，李 棟

(解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，南京 210095)

強(qiáng)夯施工時(shí)，夯錘從高處自由落下對(duì)地基形成沖擊和振動(dòng)，除一部分轉(zhuǎn)化為夯錘和土摩擦產(chǎn)生的熱能外，其余大部分動(dòng)能以縱波、橫波和瑞利波的形式向外傳播，其中瑞利波攜帶能量大、衰減慢，是構(gòu)成強(qiáng)夯振動(dòng)波對(duì)周邊環(huán)境影響的主要原因。文獻(xiàn)［1－2］認(rèn)為瑞利波的有效穿透深度約為一個(gè)波長(zhǎng)。文獻(xiàn)［3］認(rèn)為強(qiáng)夯振動(dòng)引起的瑞利波波長(zhǎng)在8 m～12 m之間，隨著傳播深度的增加，徑向振動(dòng)大幅衰減，對(duì)地基構(gòu)筑物影響最大的是豎向振動(dòng)。目前強(qiáng)夯振動(dòng)波測(cè)試與控制的保護(hù)對(duì)象主要為地表及地表以上的構(gòu)筑物，如民房、廠房、辦公樓等［4－5］;文獻(xiàn)［6］對(duì)減振溝的強(qiáng)夯降振效果進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出理論近似公式。

塑性混凝土防滲墻具有低強(qiáng)度、低彈性模量和大應(yīng)變等特征，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞模式與土料相似，抗?jié)B抗震效果良好［7］。目前，關(guān)于強(qiáng)夯施工對(duì)塑性混凝土防滲墻的振動(dòng)測(cè)試研究在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到報(bào)道。本文提出塑性防滲墻的強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試方案，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transform)方法給出振動(dòng)測(cè)試成果。

1 工程概況

某核電站1－2號(hào)機(jī)組BOP區(qū)域分別由海域和海岸回填10 m～17 m和3 m～10 m而成，地基參數(shù)如表1所示。機(jī)組基坑負(fù)挖到地面10 m以下，為保持干施工的需要，主廠區(qū)內(nèi)設(shè)有防滲墻，墻頂標(biāo)高 +3.5 mPRD，場(chǎng)平標(biāo)高+8.5 mPRD，主墻體平均高度21 m，墻厚0.8 m。在距防滲墻足夠遠(yuǎn)的區(qū)域強(qiáng)夯能級(jí)初取8 000 kN·m，在保護(hù)范圍內(nèi)改用1 000 kN·m點(diǎn)夯，600 kN·m滿夯，其中點(diǎn)夯兩遍，滿夯一遍，夯點(diǎn)呈等邊三角形布置，夯點(diǎn)間距5 m。

表1 BOP區(qū)域地基分層參數(shù)Tab.1 Layered parameters of foundation in BOP area

在防滲墻附近進(jìn)行試夯、正常強(qiáng)夯施工時(shí)，對(duì)防滲墻進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)試夯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定可行保護(hù)距離，確保防滲墻安全。

2 振動(dòng)測(cè)試方案

2.1 監(jiān)測(cè)儀器與控制標(biāo)準(zhǔn)

采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的G01通用數(shù)據(jù)采集儀和JBT型井下波速測(cè)試儀。防滲墻墻體各測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)(加)速度峰值不超過(guò)5 cm/s和0.1 g。

2.2 試夯振動(dòng)監(jiān)測(cè)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)比較防滲墻不同深度的強(qiáng)夯振動(dòng)數(shù)據(jù)，確定有效控制位置。

(2)比較速度和加速度控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)根據(jù)不同夯擊能級(jí)確定防滲墻的有效保護(hù)范圍，為正常強(qiáng)夯測(cè)振任務(wù)提供依據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)方法

(1)監(jiān)測(cè)斷面選擇

在95 m長(zhǎng)的防滲墻上選擇墻體較深的兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面:(a)A=6 768.452，B=3 171.848;(b)A=6 723.529，B=3 174.482。

(2)測(cè)點(diǎn)布置

由于在內(nèi)徑60 mm的測(cè)斜管內(nèi)同時(shí)設(shè)置多個(gè)拾振器測(cè)試難度大、測(cè)試效果不佳，因此在第一個(gè)測(cè)斜孔兩邊0.5 m處各打一個(gè)鉛直孔(孔徑110 mm，孔深為8 m和12 m)?？组g距比夯檢距小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，三孔可以近似為同一平面點(diǎn)坐標(biāo)。獲取振動(dòng)規(guī)律后，在另一測(cè)斜孔位置旁打一個(gè)鉛直孔，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

在第一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上選取某一標(biāo)高同時(shí)測(cè)試速度和加速度，其他標(biāo)高設(shè)置速度測(cè)點(diǎn)。如圖1所示:以墻頂為±0 m標(biāo)高，在－1 m標(biāo)高設(shè)置1#加速度和2#速度測(cè)點(diǎn)，在－3 m、－5 m和－7 m標(biāo)高設(shè)置3#、4#和5#速度測(cè)點(diǎn);根據(jù)測(cè)試結(jié)果，以2 m升降步長(zhǎng)調(diào)整測(cè)點(diǎn)位置。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置空間示意圖Fig.1 Space distribution of monitor points

(3)夯點(diǎn)布置

初選夯擊能級(jí)8 000 kN·m，夯檢距50 m。夯檢距由遠(yuǎn)至近;兩遍點(diǎn)夯分別對(duì)待;當(dāng)防滲墻測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)接近嚴(yán)格指標(biāo)時(shí)，確定安全距離。圖2為試驗(yàn)夯點(diǎn)布置圖。

圖2 試驗(yàn)夯點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of test tamping points

(4)拾振器固定

膠囊充氣后使三向拾振器與孔壁或孔底緊密接觸，振動(dòng)信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜線接至地面信號(hào)采集分析儀，如圖3所示。

2.3 正常強(qiáng)夯振動(dòng)監(jiān)測(cè)

采用無(wú)人值守模式:現(xiàn)場(chǎng)布置監(jiān)測(cè)儀器和電腦主機(jī)，通過(guò)開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行軟件啟動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警值時(shí)，由無(wú)線收發(fā)硬件GPRS和手機(jī)卡向用戶端報(bào)警。用戶端同時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告。

圖3 拾振器固定示意圖Fig.3 Fix of vibration pick-up

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 試夯結(jié)論

由表2可知:

(1)強(qiáng)夯施工引起塑性混凝土防滲墻的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度最大峰值集中在墻體上端，并隨著測(cè)點(diǎn)標(biāo)高的降低呈衰減趨勢(shì)。

(2)加速度指標(biāo)0.1 g比速度指標(biāo)5 cm/s更嚴(yán)格。

表2 1#監(jiān)測(cè)斷面不同能級(jí)對(duì)應(yīng)最大振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Vibration monitor results of 1#profile at different energy levels of dynamic co MPaction

(3)8 000 kN·m、3 000 kN·m、2 000 kN·m、1 500 kN·m、1 000 kN·m對(duì)應(yīng)第一、二遍夯擊的安全距離分別為 45 m、30 m、25 m、20 m、15 m 和 50 m、35 m、30 m、25 m、20 m。

3.2 不同夯擊次數(shù)引起的振幅變化規(guī)律

圖4(a)、圖4(b)分別表示8 000 kN·m能級(jí)對(duì)應(yīng)夯檢距50 m以及1 000 kN·m能級(jí)對(duì)應(yīng)夯檢距20 m時(shí)，不同標(biāo)高測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)同一夯點(diǎn)不同夯擊次數(shù)的振動(dòng)強(qiáng)度峰值變化規(guī)律，前8次夯擊屬于第一遍點(diǎn)夯，后8次夯擊屬于第二遍點(diǎn)夯。隨著夯擊次數(shù)的增加，振動(dòng)強(qiáng)度不斷提高，回填土后，在第9次夯擊時(shí)有所回落，繼續(xù)夯擊時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度逐漸增加，曲線趨于水平。

3.3 不同夯擊能級(jí)的主頻統(tǒng)計(jì)

強(qiáng)夯振動(dòng)波由多種不同頻率、相位和振幅的簡(jiǎn)諧振動(dòng)疊加而成。主頻指振幅最大的諧波分量對(duì)應(yīng)的頻率。表3列出不同夯擊能級(jí)引起塑性混凝土防滲墻墻體振動(dòng)的主頻范圍。

表3 不同夯擊能級(jí)的主頻統(tǒng)計(jì)Tab.3 Dominant frequency statistics under different damping energy

由表3可知:強(qiáng)夯施工不同能級(jí)引起塑性混凝土防滲墻的振動(dòng)主頻較低，均小于20 Hz;5個(gè)夯擊能級(jí)的主頻分布有差異，表現(xiàn)為小能級(jí)集中、大能級(jí)分散;加速度信號(hào)的主頻分布比速度相對(duì)集中。

圖4 不同夯擊次數(shù)的振動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.4 Change law of vibration amplitude under different damping times

當(dāng)強(qiáng)夯振動(dòng)主振頻率接近防滲墻的自振頻率時(shí)，可能引起共振破壞。文獻(xiàn)［7］給出塑性混凝土防滲墻墻土系統(tǒng)的初始自振頻率在1.81 Hz～4.85 Hz之間，認(rèn)為其抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變隨著圍壓的增加近似呈直線增大，導(dǎo)致自振頻率隨著應(yīng)變變化呈下降趨勢(shì)，除非地震強(qiáng)烈到使墻土系統(tǒng)各單元的動(dòng)模量降到最低，否則不易發(fā)生共振。

3.4 同一夯擊不同標(biāo)高測(cè)點(diǎn)的能量分布

以規(guī)律性較好的振動(dòng)速度為研究物理量，選取8 000 kN·m能級(jí)、夯檢距50 m、第一遍第五次夯擊作為研究對(duì)象，通過(guò)Hilbert－Huang Transform信號(hào)方法獲得－1 m、－3 m、－5 m和－7 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)速度信號(hào)對(duì)應(yīng)三個(gè)振動(dòng)方向的Hilbert能量譜和瞬時(shí)能量譜，如圖5、圖6所示，三列信號(hào)的振動(dòng)方向由左向右依次為水平垂直于防滲墻墻體(V向)、豎直平行于防滲墻墻體(R向)和水平平行于防滲墻墻體(T向)。

由圖5和圖6可知:

(1)對(duì)于防滲墻墻體的振動(dòng)輸入能量，平行于墻體的方向顯著高于垂直于墻體的方向。對(duì)于墻體振動(dòng)的時(shí)間先后次序，V向和R向在－1 m標(biāo)高率先振動(dòng)，T向在－3 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)和－1 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)先后發(fā)生振動(dòng)。說(shuō)明強(qiáng)夯施工對(duì)該防滲墻的振動(dòng)作用主要來(lái)自于地表淺層傳播下來(lái)的瑞利波。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)各振動(dòng)方向的Hilbert能量譜Fig.5 Hilbert energy spectrum of monitor points at different vibration directions

圖6 不同測(cè)點(diǎn)各振動(dòng)方向的瞬時(shí)能量譜Fig.6 Instantaneous energy spectrum of monitor points at different vibration directions

(2)在V向，各標(biāo)高測(cè)點(diǎn)最大瞬時(shí)能量以及主頻對(duì)應(yīng)能量峰值相差不大。結(jié)合彈性力學(xué)理論可知，結(jié)構(gòu)受到振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力與振動(dòng)速度呈正變關(guān)系。說(shuō)明防滲墻墻體沿墻高的垂向應(yīng)力分布比較均勻。

(3)在R向，－1 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)6.7 Hz～12.4 Hz的頻譜成分在－3 m標(biāo)高大幅衰減，－5 m和－7 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)的頻譜成分分別在7.6 Hz和8.6 Hz處占主導(dǎo)。隨著測(cè)點(diǎn)標(biāo)高的降低，最大瞬時(shí)能量出現(xiàn)的時(shí)刻往后推遲，對(duì)應(yīng)能量分別為0.47、0.18、0.21 和 0.11。

在T向，防滲墻墻體在－3 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)率先振動(dòng)，其次是－1 m、－7 m和－5 m標(biāo)高。－3 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)在頻域7.6 Hz處含有較多頻譜成分，對(duì)應(yīng)最大瞬時(shí)能量也是各測(cè)點(diǎn)中最大的，為0.28，高于 －1 m標(biāo)高的0.09、－5 m 標(biāo)高的0.10 和 －7 m 標(biāo)高的0.12。

－1 m和－3 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)在土基第一層，－5 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)在第二層和第三層的交界處，－7 m標(biāo)高測(cè)點(diǎn)在第四層，比較發(fā)現(xiàn):主頻的降低導(dǎo)致相應(yīng)能量峰值的增加。這是由于土基分層導(dǎo)致瑞利波發(fā)生頻散效應(yīng)，當(dāng)主頻降低時(shí)，瑞利波波速和波長(zhǎng)增大所致。

4 結(jié)論

結(jié)合本工程場(chǎng)地土情況，分析得到以下四點(diǎn)結(jié)論:

(1)針對(duì)強(qiáng)夯施工的塑性混凝土防滲墻振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案有效可行，為類似工程提供參照。試夯數(shù)據(jù)表明:加速度控制標(biāo)準(zhǔn)0.1 g比速度控制指標(biāo)5 cm/s更嚴(yán)格，同時(shí)給出5個(gè)不同能級(jí)對(duì)應(yīng)第一、二遍點(diǎn)夯的安全保護(hù)距離。

(2)強(qiáng)夯施工對(duì)塑性混凝土防滲墻的振動(dòng)影響與防滲墻本身的埋深有很大關(guān)系。分析表明:塑性混凝土防滲墻墻體上端率先產(chǎn)生振動(dòng)，并且振動(dòng)強(qiáng)度最大。說(shuō)明強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)埋深僅為5 m的防滲墻而言，瑞利波的振動(dòng)影響占主導(dǎo)地位。

(3)不同夯擊能級(jí)引起塑性混凝土防滲墻墻體的振動(dòng)主頻小于20 Hz，且主頻最小值比較靠近塑性混凝土防滲墻的自振頻率。由于塑性混凝土防滲墻在外界振動(dòng)荷載的作用下有良好的非線性協(xié)調(diào)能力，只要將振動(dòng)強(qiáng)度控制在一定范圍內(nèi)，不易產(chǎn)生共振破壞。

(4)基于Hilbert-Huang Transform信號(hào)方法的時(shí)頻域能量變化規(guī)律表明:塑性混凝土防滲墻墻體沿墻高的垂向應(yīng)力分布比較均勻;由于分層介質(zhì)對(duì)瑞利波傳播特征的影響，當(dāng)主頻降低時(shí)，最大瞬時(shí)能量和主頻對(duì)應(yīng)能量小幅增加。

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