強(qiáng)夯加固回填土對(duì)周邊建筑的振動(dòng)影響分析

廣西建工集團(tuán)第一建筑工程有限責(zé)任公司 南寧 530001

0 前言

對(duì)于不均勻的堆填場(chǎng)地，如何使之地基在變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等各方面都能滿足建設(shè)要求的問(wèn)題，己是地基處理中一項(xiàng)迫切需要解決的課題[1]。強(qiáng)夯法與采用分層碾壓、樁基等地基處理方法相比，對(duì)回填土地基的處理具有其他方法不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)目前常用且經(jīng)濟(jì)的一種地基處理方法[2]。

1 工程概況

三江世紀(jì)城項(xiàng)目位于廣西壯族自治區(qū)三江侗族自治縣河?xùn)|新區(qū)中心位置，該工程地貌形態(tài)為V形天然沖溝，整個(gè)場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大，土層分布大致為5 層，其中第①、②層為雜填土，回填時(shí)間2～5年；第③層為原狀土層；第④層為強(qiáng)風(fēng)化巖層；第⑤層為輕、中風(fēng)化巖層。①、②層雜填土的土層厚度為1.80～39.80 m，該土層結(jié)構(gòu)主要由強(qiáng)-全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、黏性土組成，松散-稍密狀，屬中壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度較低，密實(shí)程度不均勻，遇水易松軟，對(duì)基礎(chǔ)施工過(guò)程中基坑坑壁的穩(wěn)定性有不利影響。場(chǎng)地內(nèi)有2 層地下水，第1層地下水為上層滯水，初見(jiàn)水位1.20～25.00 m，主要賦存于填土層中，由地表水及大氣降水滲入補(bǔ)給。第2層地下水主要賦存于砂質(zhì)泥巖裂隙中，屬裂隙水，受周邊河水影響。局部富水性較大，對(duì)深基礎(chǔ)施工有一定的影響。

經(jīng)方案對(duì)比后，確定采用強(qiáng)夯法對(duì)回填土進(jìn)行處理，要求處理后的地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于150 kPa，變形模量不小于12 MPa。

2 施工方案

本工程采用由17.6 t鋼板組合成的夯錘，夯錘底面為圓形，錘底Φ2.0 m。夯錘中設(shè)2 個(gè)Φ250 mm左右貫通的排氣孔，以減少錘底與土面間形成真空產(chǎn)生的強(qiáng)吸附力和夯錘下落時(shí)的空氣阻力。通過(guò)自動(dòng)脫鉤裝置來(lái)起落夯錘，起重設(shè)備采用350 kN的履帶式起重機(jī)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回填土的實(shí)質(zhì)情況，本次夯擊初定2 遍點(diǎn)夯、1 遍滿夯。每遍10～14 擊，按設(shè)計(jì)圖紙順序號(hào)夯擊（順序號(hào)中注明插夯點(diǎn)），當(dāng)把插夯點(diǎn)在內(nèi)的夯點(diǎn)夯完后，間歇7～10 d，讓加固土層中的孔隙水壓力消散后再續(xù)夯第2遍，最后滿夯第3遍[3]。點(diǎn)夯時(shí)夯錘提升高度為17 m，在鄰近場(chǎng)地周邊建筑物或高邊坡5 m范圍時(shí)采取降低夯擊能來(lái)進(jìn)行強(qiáng)夯施工，此時(shí)選擇提升高度為8 m。滿夯時(shí)選擇提升高度為6 m。

點(diǎn)夯采用正方形布設(shè)，第1遍夯點(diǎn)為5 m×5 m，第2遍夯點(diǎn)位于第1遍夯點(diǎn)正方形的形心，強(qiáng)夯區(qū)第1、2遍夯點(diǎn)平面布置如圖1所示。滿夯的夯錘搭接部分不應(yīng)小于面積的1/4。

3 強(qiáng)夯地震效應(yīng)測(cè)試

3.1 振動(dòng)測(cè)試設(shè)備

本次采用日本的INV602U型動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)、S326型濾波放大器、891-Ⅱ型速度傳感器。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置豎向、水平的891-Ⅱ速度傳感器以測(cè)得振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)[4]。

3.2 測(cè)試方案[5-8]

圖1 強(qiáng)夯區(qū)第1、2遍夯點(diǎn)平面布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及測(cè)試目的，在回填土場(chǎng)地內(nèi)布置3 個(gè)工況進(jìn)行強(qiáng)夯地震效應(yīng)測(cè)試工作，各工況的基本情況如下：

工況1的強(qiáng)夯能級(jí)為2 992 kN·m，共布置7 個(gè)強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)夯擊點(diǎn)與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)自東向西連成一條直線。夯擊點(diǎn)距第一個(gè)測(cè)點(diǎn)17 m，測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)6每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距15 m，其中測(cè)點(diǎn)6位于基坑放坡的坡腳，測(cè)點(diǎn)7位于坡頂。工況1的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 工況1強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)及振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布置平面示意

工況2的強(qiáng)夯能級(jí)為2 992 kN·m，共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)8距夯擊點(diǎn)17 m，測(cè)點(diǎn)8與夯擊點(diǎn)位于同一水平面，測(cè)點(diǎn)9位于第一級(jí)放坡的坡頂，測(cè)點(diǎn)10位于第一級(jí)放坡的坡腳，測(cè)點(diǎn)11、12、13位于支護(hù)樁樁頂，夯擊點(diǎn)與各個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)自南向北連成一條直線。具體的測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 工況2強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)及振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布置平面示意

工況3的強(qiáng)夯能級(jí)為2 992 kN·m，其中測(cè)點(diǎn)14位于基坑放坡坡腳，測(cè)點(diǎn)15位于坡頂，測(cè)點(diǎn)16位于坡頂與建筑物間一位置，測(cè)點(diǎn)17位于建筑室內(nèi)地面，測(cè)點(diǎn)18位于建筑3 層地面，測(cè)點(diǎn)19位于建筑物樓頂。具體的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.3.1 振動(dòng)速度

根據(jù)振動(dòng)方向特征，主要考慮強(qiáng)夯地震效應(yīng)中的水平徑向和垂直向的振動(dòng)強(qiáng)度，每夯點(diǎn)共夯擊3 次，每個(gè)測(cè)點(diǎn)取3 次數(shù)據(jù)平均值作為測(cè)試結(jié)果。各工況下測(cè)試結(jié)果如表1～表3所示。

圖4 工況3強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)及振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布置平面示意

表1 工況1各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度試驗(yàn)結(jié)果（單位：mm/s）

表2 工況2各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果（單位：mm/s）

表3 工況3各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度試驗(yàn)結(jié)果（單位：mm/s）

3.3.2 衰減規(guī)律

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，用準(zhǔn)牛頓法（BFGS）進(jìn)行非線性回歸分析得到回填土振動(dòng)速度衰減公式：

式中：v——測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度（mm/s）；

R——測(cè)點(diǎn)距夯擊點(diǎn)水平距離（m）；

Q——夯擊能（kN·m）。

按上述公式計(jì)算得到振動(dòng)速度與距離的衰減關(guān)系如表4所示，測(cè)試點(diǎn)1的振動(dòng)速度與夯擊能衰減關(guān)系如表5所示。

表4 振動(dòng)速度與距離的衰減關(guān)系

表5 測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)速度與夯擊能衰減關(guān)系

由以上結(jié)果可知：夯擊能越大，距離越長(zhǎng)衰減越明顯；在振動(dòng)波的傳播路徑上遇到上升斜坡時(shí)，豎向振動(dòng)速度增大，水平徑向速度減小。

3.3.3 振動(dòng)頻率

一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)夯振動(dòng)的主振頻率主要與強(qiáng)夯點(diǎn)的場(chǎng)地條件有關(guān)[3]。工況1各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的豎向主振頻率在6～8 Hz之間，水平徑向振動(dòng)頻率在5～10 Hz之間，無(wú)論豎向還是水平徑向，在坡腳位置振動(dòng)頻率最大，阻尼比均大于5%，振動(dòng)不明顯。支護(hù)樁主振頻率在12～16 Hz之間，相對(duì)于周邊土體，振動(dòng)頻率增加較為明顯，但各樁之間所測(cè)得的振動(dòng)頻率相差不大。周邊建筑物對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)的響應(yīng)，其主振頻率在8～14 Hz之間。

圖5 工況1下部分實(shí)測(cè)的振動(dòng)波形記錄及其對(duì)應(yīng)的頻譜分析

3.3.4 振動(dòng)對(duì)邊坡和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

支護(hù)樁的振動(dòng)速度隨距離增加而減小，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，由于支護(hù)樁的作用，測(cè)點(diǎn)11較測(cè)點(diǎn)10有急劇下降，豎向速度下降較水平徑向下降快，而在各支護(hù)樁的測(cè)點(diǎn)，減振作用效果不明顯，表明靠近邊坡第1根支護(hù)樁所起作用較大，它是保證邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，當(dāng)振動(dòng)速度小于2.0 cm/s的時(shí)候，強(qiáng)夯不會(huì)對(duì)回填土所形成的高邊坡造成損害；根據(jù)文獻(xiàn)[5]，如果振動(dòng)速度小于2.0 cm/s時(shí)，強(qiáng)夯不會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全造成影響。因此，根據(jù)上述衰減關(guān)系，本次在靠近邊坡和支護(hù)樁處采用減小夯擊能的強(qiáng)夯加固，其安全不會(huì)受到影響。

3.3.5 振動(dòng)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響

強(qiáng)夯下房屋測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。強(qiáng)夯對(duì)建筑的振動(dòng)速度為建筑頂層最大，最大豎向振動(dòng)速度1.55 mm/s，最大水平徑向振動(dòng)速度1.58 mm/s。在強(qiáng)夯試驗(yàn)中，最大振動(dòng)速度均遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[4]規(guī)定的地震速度30 mm/s的建筑物破壞速度標(biāo)準(zhǔn)，本次強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的地震烈度在Ⅳ度或Ⅳ度以下，不會(huì)導(dǎo)致建筑裂縫的產(chǎn)生和建筑物的破壞。

圖6 強(qiáng)夯下房屋頂層測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本工程采用強(qiáng)夯法處理回填土地基的施工、振動(dòng)測(cè)試，得出以下結(jié)論：

（a）夯擊能越大，距離越長(zhǎng)衰減越明顯；在振動(dòng)波的傳播路徑上遇到上升斜坡時(shí)，豎向振動(dòng)速度增大，水平徑向速度減小。

（b）邊坡和支護(hù)樁的振動(dòng)速度隨距離增加而減小，在各支護(hù)樁的測(cè)點(diǎn)，減振作用效果不明顯，表明靠近邊坡第1根支護(hù)樁所起作用較大，它是保證邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。

（c）強(qiáng)夯時(shí)充分考慮振動(dòng)對(duì)邊坡、支護(hù)樁及周邊建筑物的影響。在近建筑物處采取較低夯擊能進(jìn)行夯擊，能起到對(duì)建（構(gòu)）筑物的保護(hù)作用。