強夯施工振動對海工防滲墻影響試驗及安全監控

劉 博，李海波，馮海鵬，周青春，王 秒，宋全杰

（1. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071；2. 中廣核工程有限公司，廣東 深圳，518124）

1 引 言

強夯法亦稱動力固結法，是法國梅那德技術公司提出的一種地基加固方法，具有設備簡單、施工方便、適用范圍廣、效果顯著、經濟高效等優點，已在國內外得到了廣泛的應用。在強夯法的應用及發展過程中，學者針對其加固機制和效應[1－5]、設計、施工參數對地基加固效果的影響[6－10]等方面進行了深入研究；同時，也指出了強夯法施工的重要缺點：強烈的施工振動會對周邊的生活、生產環境及臨近構筑物帶來許多不利影響[11]。

為此一些學者對強夯振動的傳播機制和衰減規律以及設計參數、施工過程、地基條件對強夯振動的影響規律進行了研究。例如，李福民等[12]基于強夯振動加速度實測結果，采用量綱分析方法研究了振動加速度與夯擊能量、地基土特性及傳播距離之間的關系；并指出一定規模的隔振溝具有良好的隔振效果。程祖鋒等[13]通過對某強夯處理工程振動監測結果的分析，指出強夯振動速度、加速度隨著夯擊次數的增大而增大，而振動位移卻相反；并且，強夯振動速度、加速度、位移隨著深度的增大基本呈反“S”型衰減。邵慧等[14]對不同能級強夯的施工進行了數值模擬，指出在相同場地條件下，峰值徑向加速度約是峰值豎向加速度的2倍，但徑向加速度比豎向加速度衰減更快，且豎向振動的持續時間大于徑向振動持續時間；豎向、徑向加速度衰減幾乎不受強夯能級和土層厚度的影響。安惠澤等[15]基于某站場地強夯處理工程振動速度的測試結果，研究了強夯振動在水平方向的衰減規律和主振頻率的變化情況；并以地表振動速度為判別標準，利用振動速度衰減規律擬合公式計算了不同夯能下臨近構筑物的安全距離。陸偉東等[16]對強夯振動機制及振動特征進行了分析，并對建筑物受振動影響和人體受振動影響的評價標準區分進行了探討；建議采用天然地震烈度和爆破安全振動速度綜合判別強夯振動效應對建筑物影響，以及采用相關城市區域環境振動控制標準來評價強夯振動對人體的影響。褚宏憲等[17]根據某強夯處理地基工程的振動監測結果，分析了強夯擊數與振動速度之間的關系，并提出了采用振動速度變化來確定有效擊數和強夯參數的觀點；另外還指出，強夯振動的地震效應以水平徑向振動分量為最大。方磊等[18]對某強夯處理地基工程的振動加速度進行了監測，基于實測結果回歸出了振動加速度衰減公式，依據抗震設計規范確定了臨近構筑物的安全距離。與文獻[18]類似，倪永軍等[19]對某強夯工程的振動速度實測結果進行了統計分析，參照烈度分級和爆破安全規程評價了強夯的地震動效應，并給出了不同類型結構的允許安全距離。楊龍才等[20]以彈性體理論為基礎，研究了強夯的徑向和豎向振動量沿地基深度的衰減特性，認為豎向振動量是引發環境安全的主要因素；并基于實測數據，分析了振動加速度及振動速度隨距離的衰減規律，以及隔振溝的隔振效果。

本文結合某核電廠強夯加固工程案例，在強夯試驗期間運用多種原位測試方法，對不同能級強夯引起防滲墻的振動速度值以及對防滲墻抗滲性能和完整性的影響進行了動態測試；基于試驗結果，確定了滿足防滲墻安全要求的強夯能級；并結合現場條件，提出了正式強夯期間防滲墻的振動速度控制標準。本案例采用的監控方案和測試方法可為類似工程的強夯振動評價提供重要參考。

2 工程概況

某核電廠擬建循環水排水管GD的部分段、CC虹吸井及排水暗涵CD區域為碎石回填區，填石主要由微風化花崗巖、微風化流紋巖及微風化熔結凝灰巖等開山碎石組成，塊徑2～30 cm不等，局部含大塊填石；填石層顆粒級配極不均勻，密實度差異較大，局部含黏性土較多。由于擬建區域均為松散回填區，回填時間較短且未經分層壓實，土含量較少或填石較大，在使用荷載作用下將產生一定變形，對擬建構筑物產生不利影響。根據設計要求，需對該區域進行強夯加固處理，以提高密實度和承載力，保證構筑物的安全使用。

將擬建區域的上部回填層開挖至設計標高后形成A、B、C 3個強夯基坑區，如圖1(a)所示。根據設計要求，B區擬采用7 000 kN?m能級強夯加固，A、C區擬采用5 000 kN?m能級強夯加固。

根據《建筑地基處理技術規范》[21]規定，應在待處理地基場地選取試驗區域進行強夯試驗，并進行必要的測試，以檢驗設計參數和強夯的實際加固效果。

圖1 強夯加固區示意圖Fig.1 Sketch of dynamic consolidation area

在基坑邊坡靠海側20 m處的回填區內布置有海工防滲墻，如圖1(b)所示。該防滲墻為掏槽法施工的塑性混凝土防滲墻，設計深入黏土層不小于4 m或進入微風化巖層不小于 1 m，墻體深度為 30～40 m，厚度為0.8 m。防滲墻墻體由水泥、鈉基膨潤土、黏土、砂石、外加劑、水等材料配比而成，通過試驗確定的配合比見下表1，其28 d的物理力學性質指標見表2。

表1 塑性混凝土配比（單位：kg）Table 1 The mixing proportion of plastic concrete (unit: kg)

表2 塑性混凝土28 d物理力學性質指標Table 2 Physico-mechanical properties of plastic concrete with age of 28 days

由于海工防滲墻位于松散回填地層中，埋深較大且上部位于基坑邊坡附近，墻體材料力學參數不高；強夯施工振動可能會導致墻體開裂或墻體段間搭接面處開裂；同時，松散邊坡在強夯振動下有可能產生不均勻沉降，間接對防滲墻造成破壞，使滲水量增加和基坑水位上升，嚴重影響整個核電廠的施工進度。因此，合理、準確地評價強夯振動對防滲墻安全的影響是進行強夯施工的前提。

3 監控方案及原位測試方法

3.1 防滲墻安全監控方案

由于目前尚未有國家規范明確規定防滲墻的安全允許振動速度值。因此，無法采用控制振動速度值的方法對其進行安全監控。必須結合強夯試驗，同步對防滲墻進行抗滲性能、完整性的動態檢測，及時掌握施工振動對防滲墻的影響；并基于測試結果，確定強夯能級、振動速度、防滲墻安全狀態之間的相互關系；給出保證防滲墻安全的最大允許強夯能級；并進一步提出適合現場條件的防滲墻振動速度控制標準，指導正式的強夯施工。

因此，強夯施工振動對海工防滲墻安全的影響監控工作應包括強夯試驗、正式施工兩個階段，其中強夯試驗階段要進行多種原位測試工作，并提出防滲墻的振動速度控制標準，是監控工作的關鍵。

根據試驗目的，在設計強夯能級最高的B區選取距防滲墻最近的區域作為試驗區（見圖 1(a)）。試驗區尺寸為24 m×24 m；設計擬進行2遍點夯、1遍滿夯，夯點布置和施工順序如圖2所示。強夯試驗時，夯點布置參數不變，通過調節落錘（直徑2 m、重25 t）的高度來改變強夯的能級。

圖2 點夯的夯點布置圖Fig.2 Layout of points of dynamic compaction

通過分析認為，強夯振動可能對防滲墻造成的破壞分為兩種情況：①墻體微裂縫擴展或開裂造成的滲透性增大；②墻體段間搭接面開裂造成的滲透性增大。對于前者，本文采用現場壓水試驗來測試其滲透系數；對于后者，則采用超聲檢測的方法來測試。防滲墻安全監控的內容和流程如圖3所示。

圖3 防滲墻安全監控流程圖Fig.3 Flow chart of security monitoring of cutoff wall

強夯試驗前，先通過原位測試獲取防滲墻的有關參數值；強夯試驗時，從最小能級（3 000 kN·m）開始強夯，每能級按點夯順序由遠及近完成1列夯點（見圖 2），并同步進行原位測試，記錄該能級引起防滲墻的振動速度值，以及該（能級）振動速度強度下防滲墻有關參數的變化情況。通過對比防滲墻夯前、夯后相關參數值的變化情況，確定振動對防滲墻的影響；若沒有造成不利影響，則進行下一能級強夯；否則暫停強夯，并持續進行測試，觀察后續變化情況。重復上述強夯試驗和原位測試工作，直至確定出強夯的最大允許夯能。最后，基于原位測試結果，依據振動速度衰減規律和現場條件，提出防滲墻振動速度控制標準，指導正式強夯期的強夯施工。在正式強夯期間，除進行振動速度值監測外，還利用水位孔觀測水位的變化情況，進一步驗證以振動速度值為控制特征的監控工作。

3.2 防滲墻墻體原位測試方法

在強夯試驗期間，對于防滲墻有可能發生的不同破壞類型，采用不同的原位測試手段進行測試。

3.2.1 防滲墻墻體完整性測試

防滲墻墻體質量一般根據鉆孔取芯芯樣的外觀檢驗、無側限抗壓強度試驗及現場滲透系數試驗三方面的結果來進行評價。前兩種方法費時、費力，不便于測定大規模墻體的局部性損傷，同時對防滲墻的破壞性也較大；因此，宜采用現場滲透系數試驗的方法。

在距試驗區最近的防滲墻墻體中布設測試孔，強夯試驗開始前及每一能級強夯后均進行壓水試驗，通過對比夯前、夯后滲透系數的變化情況來確定強夯振動對防滲墻的影響。若滲透系數不變，表明施工振動沒有對防滲墻造成影響；若滲透系數增加，表明強夯振動對防滲墻造成了影響，從而能夠及時地掌控防滲墻的安全狀態。

試驗共布設了A、B兩個測試孔，考慮到基坑深度、加固影響深度、夯區與防滲墻間的距離，測試孔深度均為21 m。由于墻體材料的強度較低且含有人工碎石，測試鉆孔孔壁粗糙。直接采用封隔器注封，效果肯定不理想，需對孔口段進行特殊處理。

如圖4所示，首先用φ110 mm鉆頭開孔至2 m，將鉆孔沖洗干凈，注入濃水泥漿封死；待水泥漿凝固后，采用φ76 mm鉆頭在原孔位開孔，并鉆孔至預定深度，再將鉆孔沖洗干凈；φ76 mm鉆孔水泥漿段的孔壁光滑且具有較高的強度，利用該段作為注封段，可以達到理想的封隔效果，順利進行全段壓水試驗。考慮到測試要求和目的，全段壓水試驗更能反應大面積墻體滲透系數的變化。

圖4 全孔壓水試驗示意圖Fig.4 Water-pressure test of full hole

試驗采用的最大水壓力為0.35 MPa。滲透系數按《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》[22]推薦公式計算：

式中：K為巖體的滲透系數；Q為壓入流量；H為試驗水頭；L為試驗段長度；r為鉆孔半徑。

3.2.2 防滲墻搭接面的完整性測試

海工防滲墻采用分段施工，相鄰兩段搭接處相對較薄弱，強夯振動可能會導致墻體沿搭接面開裂。若采用壓水試驗測定其滲透系數變化的方法來評價強夯振動對防滲墻搭接面的影響，費工、費時且獲取結果較慢。根據墻體搭接面的幾何分布特點，采用超聲跨斷面對測法來測定搭接面處縱波波速值，通過縱波波速的變化來評價強夯振動的影響，是一種更為快捷、可靠的測試手段。

如圖5所示，在a、b段防滲墻的搭接面兩側分別布設C、D鉆孔，兩測試孔孔距為1 m，深度均為21 m。在強夯前，用交叉斜測法確定不同深度的跨面縱波波速，在每一能級強夯后進行復測；若強夯振動導致搭接面開裂，該位置對應的縱波波速必然會發生變化；即通過對比夯前、夯后波速值的變化情況，及時掌握強夯振動對防滲墻段間連接處的影響。

圖5 防滲墻搭接面超聲檢測示意圖Fig.5 Ultrasonic testing of lap surface of cutoff

目前，強夯振動對塑性混凝土防滲墻的影響評價尚無規范可循。《水工建筑物巖石基礎開挖工程技術規范》[23]中采用巖體聲波波速在爆破前、后的變化率來判定爆破荷載作用下巖體的破壞程度：

式中：c0為巖體爆前聲波波速；c為巖體爆后聲波波速；當η＞10%時，判定巖體質量受爆破影響大。考慮到防滲墻墻芯材料為塑性混凝土，參照上述規范規定，采用防滲墻搭接面處聲波波速的變化率η來判定振動對防滲墻的影響程度：若η＞10%，判定強夯振動對墻體搭接面造成了破壞性影響，若η＜10%，說明強夯振動沒有對墻體搭接面造成破壞性影響。

3.2.3 振動速度監測

強夯施工時，在防滲墻頂部、夯源與防滲墻之間布設振動速度監測點，監測強夯施工引起防滲墻處的振動速度值。每個監測點布設垂直向、水平徑向和水平切向3個方向的振動速度傳感器，實時監測強夯施工引起的振動速度；分析不同能級強夯施工引起的振動速度大小及衰減特征，為強夯振動對防滲墻的影響評價提供基礎數據。

4 測試結果分析及安全評價

4.1 防滲墻墻體完整性測試結果及分析

每能級強夯施工完成后，及時利用壓水試驗孔測定防滲墻的滲透系數，每孔每階段均進行 2～3次測試，取均值作為該階段的滲透系數值。圖6為強夯試驗期間防滲墻的滲透系數變化圖。

圖6 滲透系數隨夯能變化關系圖Fig.6 Attenuation relationships of permeability coefficient with dynamic compaction energy

對于小能級強夯（3 000、4 000 kN·m），兩段防滲墻的滲透系數基本不變；隨著強夯能級增加，防滲墻的滲透系數有一定程度增加；在6 000 kN·m的強夯施工后，兩段防滲墻的滲透系數均有明顯增加：其中，a段防滲墻的（A孔）的K值從3.6×10-7cm/s增加到5.4×10-7cm/s，增加幅度為50%；b段防滲墻的（B孔）的 K值從 5.8×10-7cm/s增加到7.2×10-7cm/s，增加幅度為 24%。因此，暫停強夯施工，并增加該能級強夯后的防滲墻滲透系數測試次數。后續測試結果表明，防滲墻的滲透系數逐漸趨于穩定，并無持續增加的趨勢。7 000 kN·m能級強夯后的測試結果表明，防滲墻的滲透系數與上一能級強夯相比較變化不大，沒有呈現繼續增加的趨勢。

夯后a段防滲墻最大平均K值為5.4×10-7cm/s，b段防滲墻的最大平均K值為8.1×10-7cm/s，均可以滿足設計要求（10-6cm/s），也表明強夯振動沒有對其抗滲性能造成破壞性影響。試驗過程中，隨著強夯夯能的逐漸增加，防滲墻的K值呈現先增加后逐步穩定的變化規律，對這種變化規律進行如下討論：防滲墻處于松散回填層中，埋深較大且上部位于基坑邊坡附近；在強夯（6 000 kN·m）振動下，松散的基坑邊坡可能會產生一定程度的不均勻沉降，導致埋置其中的防滲墻產生變形，進而引起防滲墻滲透系數的變化；當邊坡不均勻沉降趨于穩定后，防滲墻不再繼續產生變形，滲透系數也趨于穩定。

4.2 防滲墻搭接面完整性測試結果及分析

每能級強夯后，采用超聲跨面交叉斜測法及時測試防滲墻搭接處的波速值。實際測試過程中發現，各測點單次波速變化率不大。因此，采用波速總變化率來表征強夯振動造成的累積影響；以SCD表征C→D方向的波速總變化率、以SDC表征D→C方向的波速總變化率。不同深度的波速總變化率見圖7。

圖7 防滲墻不同深度的波速總變化率Fig.7 Total change rates of shear wave velocity

試驗結果表明，SCD最大值為 4.5%，SDC最大值為 3.4%，兩個方向的聲波波速總變化率均小于10%；參考《水工建筑物巖石基礎開挖工程技術規范》[23]規定，認為強夯試驗的振動沒有對防滲墻段間搭接面的完整性造成破壞性影響。

4.3 振動速度監測結果及分析

對某一能級的強夯，振動速度隨著夯源距的衰減公式可以表示為

式中：V為振動速度；D為夯源距；k、α為相關參數。通過夯源與防滲墻之間以及防滲墻頂部測點的振動監測結果，回歸出了強夯振動速度的衰減規律公式。表3為不同能級強夯振動衰減公式的k、α值。

表3 不同能級強夯的振動衰減公式參數Table 3 Parameters of vibration attenuation under different dynamic compaction energies

防滲墻頂部振動速度監測點的監測結果表明，對于不同能級的強夯施工，防滲墻處3個方向的振動速度均是垂直向振動速度值最大。圖8為防滲墻處垂直向振動速度最大值以及兩段防滲墻的滲透系數均值隨著夯能的變化圖。

圖8 不同能級強夯的振動速度值及滲透系數均值Fig.8 Vibration velocity and permeability coefficient under different dynamic compaction energies

圖8表明：垂直向振動速度最大值隨夯能的增加而增加，在測試范圍內基本呈線性關系；而防滲墻的滲透系數呈現先穩定后增加又趨于穩定的變化規律,滲透系數并沒有隨著振動速度值增加而單調增加，說明防滲墻的滲透系數變化并不是強夯振動直接造成的，也驗證了邊坡變形導致防滲墻變形和滲透系數變化的討論結果。

4.4 正式強夯期間防滲墻的安全監控

依據強夯試驗期間的原位測試成果，建立了防滲墻振動速度值和防滲墻安全狀態之間的聯系，可以通過防滲墻振動速度值來評價其所處的安全狀態；因此，僅需對正式強夯期間防滲墻處的振動速度值進行監測，通過對比實測振動速度值與振動控制標準之間的關系來間接監控防滲墻的安全狀況。

根據振動監測結果、式（3）及表3中的公式參數分析得出：7 000 kN·m能級強夯施工引起防滲墻處的振動速度值最大，其振動速度衰減公式為

根據現場條件，防滲墻距夯區邊界最小距離為20 m。根據式（4），計算得到垂直向、水平徑向和水平切向的振動速度值分別為：1.069、0.764、0.573 cm/s。因此，將正式強夯期間防滲墻的控制標準取為3個方向振動速度最大值≤1.0 cm/s，并取預警值為0.85 cm/s。當振動超過預警值時，及時分析振動速度較大的原因、排除不安全因素，確保施工過程中防滲墻的安全。同時還應該根據防滲墻的振動速度監測結果，在必要時合理調整強夯能級。

4.5 正式強夯期及后續監測結果

在強夯施工過程中，除進行振動速度監測外，還利用水位孔觀測水位變化情況，以驗證以振動速度值為控制特征的監控工作。

正式施工期間的振動監測結果表明，實測振動速度值沒有超過振動控制標準。同時，正式強夯期間及夯后15 d的水位變化情況與長期觀測資料相比無明顯變化，表明強夯振動沒有對防滲墻完整性造成破壞性影響，也說明上述基于原位測試結果的振動速度值監控方法是準確和合理可行的。

5 結 論

本文在某核電廠強夯加固處理工程中，針對強夯振動對鄰近防滲墻影響評價無規范可循的情況：在強夯試驗過程中，綜合運用壓水試驗、聲波試驗等原位測試方法，對防滲墻墻體和段間搭接面的完整性進行了動態測試；結合原位測試結果和防滲墻的振動速度監測結果，提出了正式強夯期間防滲墻的安全控制標準。

（1）根據壓水試驗結果：夯能由3 000 kN·m增加到7 000 kN·m時，防滲墻的滲透系數呈現先增加后保持穩定的變化趨勢。表明強夯試驗過程中的強夯振動對防滲墻墻體造成了一定程度的影響，但其抗滲性能仍可以滿足設計要求。

（2）根據聲波試驗結果：在強夯試驗過程中，防滲墻段間搭接面的聲波波速總變化率均＜10%。表明強夯試驗過程中的強夯振動沒有對防滲墻段間搭接面的完整性造成破壞性影響。

（3）根據振動監測結果，回歸出了該場地條件下強夯振動速度的衰減規律公式。并結合原位測試結果和現場條件，提出正式強夯期間防滲墻的安全控制標準為3個方向振動速度最大值≤1.0 cm/s。

（4）長期的振動監測結果表明：正式強夯期間的強夯振動也沒有對防滲墻的完整性造成影響；同時水位觀測結果表明，施工基坑的地下水位無異常變化；說明本文采用的防滲墻安全監控方案是合理可行的，采用的原位測試方法是準確可靠，能夠有效地保證海工防滲墻的安全。

本文的監控方案和方法以原位測試試驗為基礎，體現了防滲墻的實際受影響情況和安全狀態，更為合理和準確，可以為類似工程的強夯振動安全性評價提供重要參考。

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