強夯法地基加固之振動影響數值模擬研究

康增柱，韓云山，董彥莉，申光凝

(中北大學理學院，山西太原030051)

強夯法自1969年由法國工程師Menard［1］提出并應用于地基加固，由于其加固效果顯著、經濟易行、施工快捷故在工程中得到了廣泛應用。但是在強夯施工過程中會產生很大的振動和噪聲，振動可能在一定的范圍內對其它的建筑物或構筑物產生不利影響。因此，研究強夯對環境的振動效應，分析掌握其振動衰減規律是必要的。目前國內常用《爆破安全規程》［2］來評價強夯引起的環境振動，進而確定安全施工距離。近年來，國內外學者對強夯對于鄰近建筑物的影響進行了一系列的研究工作，提出了振動安全距離、振動衰減公式等［3］－［5］。本文通過大型通用軟件 ABAQUS對強夯過程進行了數值模擬研究，對強夯振動特性、強夯振動對建筑物的影響進行了定量分析，獲得了地表土體的振動衰減規律。希望能為實際工程中處理環境振動污染提供一些有益參考。

1 數值模擬研究

1.1 計算模型

模型尺寸:計算采用軸對稱的二維模型，計算半徑取80 m，計算深度取30 m。本構模型:采用Mohr—Coulomb模型。邊界條件:遠離夯錘的豎向邊界固定其水平位移;在土層底部固定豎向和徑向位移(圖1)。強夯的夯擊過程是一個動力作用過程，在邊界處理上應采用動力邊界處理(人工透射邊界)，即在計算模型尺寸較大的情況下，邊界的反射能量可以忽略，能夠保證計算結果的正確性，因而采用了簡便易行的固定邊界。

圖1 計算模型示意

圖2 錘底應力隨時間變化示意

1.2 土體參數

計算中輸入的初始土體參數如下:密度ρ=1.97×103kg/m3，彈性模量 E=15 MPa，粘聚力 C=20 kPa，摩擦角 φ=22°，泊松比ν=0.3。

1.3 荷載的施加

根據強夯接觸應力的實測結果可知。在夯錘對地面沖擊碰撞的過程中應力波為一尖峰，作用時間為0.04～0.2 s，錘底應力變化如圖2所示。假設錘底的應力均勻分布，在錘與土的接觸面上施加三角形荷載，由于強夯沖擊荷載作用的極短，粘滯力對動應力的影響可以忽略不計，最大錘擊應力Pmax按式(1)計算，錘擊作用時間tN按式(2)計算。

此次模擬的強夯能級為6 000 kN·m，夯錘的半徑為1.2 m，夯錘的重量為3×104kg，落距為20 m。因此可得最大錘擊應力為4.82×106kPa，錘擊作用時間為0.086 s。

2 數值模擬研究結果

2.1 加速度時程曲線分析

數值模擬的結果表明，強夯引起的振動波除了幅值不同外，其波形基本相似。因此以地表土體為例來分析土體的加速度。為了圖形的清晰，圖3、圖4只給出了距夯點5 m、10 m、15 m(節點編號為9671、9681、9691)處的地表土體徑向和豎向加速度時程曲線。圖中顯示無論是徑向還是豎向加速度，沿徑向距離的增加衰減很快，且振動周期隨徑向距離的增加而逐漸增大，反映了振動頻率由高到低的變化。同時也可看出，強夯振動的頻率較低，其主頻在10～20 Hz。現場施工時，每個夯點連續夯擊時的時間間隔以“min”計，從振動波形分析可知，其振動的持續時間為1 s，因此在實際工程中不會出現振動疊加現象。

圖3 徑向加速度時程曲線

圖4 豎向加速度時程曲線

2.2 土體加速度隨水平距離、垂直深度的衰減

圖5、圖6分別給出了處地表土體徑向和豎向加速度峰值隨水平距離的變化規律。從圖中可以看出:徑向加速度的峰值大于豎向加速度的峰值，并且徑向加速度隨距離的衰減要快于豎向加速度隨距離的衰減。根據吳綿拔［6］、王仁鐘［7］的工程實測結果可知，最大徑向、豎向加速度隨水平距離增加均按冪函數規律衰減，衰減規律可統一表示為:

式中:amax為加速度峰值(m/s2);K為當量系數;R為離夯點的距離(m);β為衰減指數。

針對本文算例，最大徑向加速度時 K=10.275，β=－1.800;最大豎向加速度時 K=7.381，β=－1.355。

圖5 徑向加速度峰值隨水平距離衰減曲線

圖6 豎向加速度峰值隨水平距離衰減曲線

圖7、圖8分別給出了處地表土體徑向和豎向加速度峰值隨垂直深度(距夯點5 m處)的變化規律。從圖中可以看出:徑向加速度的峰值大于豎向加速度的峰值，并且徑向加速度隨深度的衰減要快于豎向加速度隨深度的衰減。徑向加速度和豎向加速度的最大值并不是出現在地表，而是出現在地表下5 m處，同時通過和以上兩圖對比可知，無論是徑向加速度亦或是豎向加速度沿深度方向的衰減都遠小于沿水平徑向的衰減。

圖7 徑向加速度峰值隨垂直深度衰減曲線

3 結論

(1)強夯引起的加速度峰值隨時間迅速衰減，振動周期在1 s左右，主頻在10～20 Hz之間，不會出現振動的疊加。

圖8 豎向加速度峰值隨垂直深度衰減曲線

(2)相同場地條件下，無論是徑向加速度亦或是豎向加速度沿深度方向的衰減都遠小于沿水平距離的衰減。

(3)相同場地條件下，徑向加速度峰值大于豎向加速度峰值，且徑向加速度比豎向加速度衰減的快。

［1］Menard L，Broise Y.Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation［J］.Geotechnique，1975，23(1):3－15

［2］GB 6722－2003爆破安全規程［S］

［3］SHEN C K，KIM Y S，BANG S，etc.Centrifugemodeling of lateral earth support［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1982，108(9):1150－1164

［4］殷楚梅，李樹林.建筑施工振動環境影響評價［J］.云南環境科學，2001，20(增刊):128－129

［5］張孟喜，王玉玲，馮建龍.黃土受強夯擾動的工程特性與環境公害研究［J］.巖土力學，2004，25(12):1903－1909

［6］吳綿撥，李俊如.強夯對環境的振動影響研究［J］.土工基礎，1992(2)

［7］王仁忠.強夯加固軟土地基的動態測試與分析［C］∥第一屆全國地基處理學術討論會論文集.杭州，1986