山區強夯振動規律及對既有建構筑物的影響研究★

劉憲慶 楊 帆 辜文杰 陳金鋒 朱建凱 徐艷玲

(1.后勤工程學院，重慶 401311； 2.重慶市設計院，重慶 400015)

山區強夯振動規律及對既有建構筑物的影響研究★

劉憲慶1楊 帆2辜文杰1陳金鋒1朱建凱1徐艷玲1

(1.后勤工程學院，重慶 401311； 2.重慶市設計院，重慶 400015)

通過ABAQUS有限元模型，分析了重慶山區典型填土地基的強夯振動規律和對既有建構筑物的影響，結果表明：強夯作用下，水平速度和加速度變化大于垂向速度和加速度，強夯對已有建構筑物的振動影響主要集中在頂層框架，實際應用中，應加強對結構頂層框架數據的測試，保證建筑物的安全。

填土地基，既有建筑物，強夯施工，加速度

隨著經濟的發展和社會的進步，城市化進程不斷加快，土地資源緊張的矛盾日益突出，可用于建設的場地空間也變得越來越狹窄。重慶作為西南地區重要的中心城市，在城市規模化開發的過程中，需要大規模的開山填谷，其建筑的地基主要有兩類：第一類為已填筑的地基，多為爆破山體、建筑垃圾、工業礦渣等組合填筑而來，具有填土厚度、顆粒大小不均勻以及填筑成分變化大、填筑時間長短不一等特點；另一類為邊填邊施工的地基，一般為就近爆破山體而成的巖土體作為填料，具有填土厚度、顆粒粒徑大小可控，成分固定以及填筑時間較短的特點[1]。強夯法從問世至今，具有能級高、沖擊力大、影響深度大、設備簡單、施工方便、節省勞動力、工期短等特點[2]，被廣泛應用于工業民用建筑、倉庫、道路和鐵路路基、飛機跑道以及碼頭等結構中，特別適合于砂性土、粉土、黃土、回填土、雜填土等的加固[3]。

在強夯的過程中，強夯施工產生的沖擊波從夯錘起夯點以波的形式向各個方向傳播，使得地面產生顛簸和搖晃，產生類似于地震的影響效應[4]。強夯施工在城市規模化改造的過程中，由于大、中城市建筑物和地下設施密集，其振動對周邊環境和建構筑物產生的不良影響日益嚴重，由此引起的糾紛變得越來越普遍。有鑒于此，筆者采用ABAQUS對重慶地區某填土地基的振動規律以及對位于強夯區域某既有框架結構的振動規律進行研究，為山區強夯施工對環境影響提供參考。

1 分析模型建立

1.1 計算模型

擬建場地地層結構為上覆第四紀人工填土層、坡殘積粉土層、下伏侏羅系中統沙溪廟組砂質泥巖、泥巖互層，素填土上部松散、下部稍密，厚度約為0.10 m～15.69 m；粉質粘土無光澤，干強度、韌性中等，厚度約為1.0 m～3.0 m；砂質泥巖由粘土礦物組成，粉砂泥質結構，厚度約為0.20 m～8.95 m；砂巖粗粒結構，鈣質膠結[5]。根據強夯的設計技術要求，結合建筑場地的復雜程度以及建筑類型，選取一塊代表性的區域進行強夯試驗，其平面尺寸為200.0 m×100.0 m，土層厚度選擇素填土8.0 m，粉質粘土2.0 m，砂質泥巖層5.0 m，總厚度為15.0 m，為了簡化計算且考慮計算機計算能力限制，結構以及施加荷載的對稱性，取1/4模型，尺寸為100.0 m×50.0 m，通過ABAQUS建立的強夯計算模型見圖1。

為了較好的模擬強夯沖擊荷載作用下的應力波在土體中的傳播，一階單元往往比較優于二階單元，單元類型選用C3D8R，在劃分網格時，為了精確的模擬夯錘和土體的作用，夯錘中心兩倍夯錘范圍內的網格尺寸設定為0.1 m，其余區域的網格尺寸設定為5.0 m，豎向網格尺寸為0.5 m，對于對稱邊界采用對稱約束，遠離夯錘的邊界固定其水平位移，土層底部固定其豎向位移。

1.2 本構模型的選取

在進行強夯模擬的過程中，夯錘一般是鋼筋混凝土結構或鋼結構，其在強夯的過程中由于其剛度遠大于被夯材料，所以在ABAQUS/Explicit顯式動力分析中，將夯錘簡化為剛性體模型，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011MPa，泊松比為0.3；框架結構采用的鋼筋混凝土參數為E=3.0×1010MPa，泊松比為0.2，材料密度2 600 kg/m3；土層參數如表1所示，土體模型采用Dracker-Prager理想彈塑性本構模型，在實際參數輸入中將Mohr-Coulomb彈塑性模型的參數轉變為Dracker-Prager理想彈塑性本構模型的參數[6]。

表1 土層參數

1.3 強夯沖擊荷載選取

一次完整的強夯過程是提升夯錘到一定高度，夯錘自由下落到被夯點，以一定的初速度沖擊下部土體，夯錘速度在很短的時間內(大約0.04 s～0.2 s)衰減到0，由動量定理可得，該過程產生的沖擊力可達到夯錘重量的幾十倍，土體被瞬間壓縮，而后土體產生一定的回彈，此時只有夯錘靜力荷載作用于土體上，相對于強夯過程產生的沖擊荷載，其靜力荷載可以忽略不計。已有的研究表明，強夯的沖擊過程產生的應力波只有一個尖峰，其瞬時沖擊荷載可以簡化為半正弦函數或三角形函數的形式，如圖2所示，這種方法是通過強夯作用力隨時間的變化作為加載條件來模擬沖擊荷載；本文采用第二種加載的形式，即根據夯錘的落距，計算出夯錘和土層接觸時的初速度，設定夯錘和土的接觸類型并加載。

本文模擬夯錘第一次夯擊土體，單擊夯擊能為3 000 kN·m，夯錘重量為25 t，夯錘落距為12 m，計算所得的夯錘接觸上層土時的初速度分別為v25=15.34 m/s，設置接觸為主從面面接觸的形式，為了保證產生的應力波有足夠的時間進行傳播和消散，將計算時間設定為10 s，時間步長為0.002 s。

2 計算結果分析

2.1 強夯振動規律分析

圖3，圖4為地表土體速度峰值和加速度隨著距離夯錘中心點水平距離不同的變化規律曲線；圖5，圖6為在距離夯錘中心10 m處距 離地表土體不同深度垂向速度和加速度峰值變化曲線。從圖3和圖4可以看出，隨著距離夯錘中心點距離的增加，其加速度和速度都呈衰減的趨勢，隨著距離的增加其衰減的速度變緩，在個別距離其幅值存在增大的趨勢，原因是由于表層土體的振動頻率和振源發生共振現象，出現振動放大區；在不同的水平距離下，垂向速度和加速度的峰值都分別小于水平速度和加速度的峰值，符合已有的研究規律[7,8]。從圖5和圖6可以看出，隨著深度的增加，垂向速度和加速度幅值呈下降的趨勢，但是速度在4 m～6 m、加速度在5 m～8 m存在幅值局部增大的現象，原因如上所述，由于該層土體振動頻率與振源發生共振造成振動放大。

2.2 強夯對既有建構筑物影響分析

根據GB 6722—2003爆破安全規程中的規定，考慮振動對建構筑物安全的影響時，采用振動速度作為控制量。對于鋼筋混凝土框架房屋的安全振動速度為5 cm/s，對比圖3的結果，設定安全距離為30 m。考慮在強夯區域距離夯擊點30.0 m處6層鋼筋混凝土框架結構，框架結構的層高為3.0 m，平面尺寸為[(6+6)×6]m，框架樁基礎的截面尺寸為600 mm×600 mm，樁長為10.0 m；框架柱的截面尺寸為400 mm×400 mm，框架主梁的截面尺寸為250 mm×500 mm，次梁截面尺寸為200 mm×350 mm，板厚為100 mm，建立的有限元計算模型見圖7。

圖8為強夯沖擊荷載作用下框架結構的最大垂向速度和水平速度隨樓層的變化關系圖，圖9為框架結構最大垂向加速度和水平振動加速度隨樓層的變化曲線圖。從圖8和圖9可以看出，垂向速度和加速度的幅值分別都小于相應的水平速度和加速度的幅值，但是在第6層其垂向加速度大于其水平加速度；從圖8可以看出，水平速度隨著樓層的增加呈先降低后增加的趨勢，且在4層～6層其幅值增加趨勢明顯；從圖9可以看出，水平加速度隨著樓層的增加呈下降的趨勢，且在1層～2層的變化趨勢明顯，2層～6層其水平加速度變化平緩。在實際應用中，加強對結構4層～6層的振動測試，保證建筑物的安全。

3 結語

文中通過ABAQUS對山區填土地基強夯沖擊荷載作用下的水平和垂向速度、加速度的變化規律進行了研究，并對考慮安全距離外的某多層框架結構在強夯荷載下的加速度和速度隨樓層變化規律進行了分析，得到：強夯作用下，水平速度和加速度變化大于垂向速度和加速度，在水平方向的表層土體、豎直方向的土體產生共振造成振動放大區；強夯對已有建構筑物的振動影響主要集中在頂層框架，實際應用中，加強對結構頂層框架數據的測試，保證建筑物的安全。

[1] 陸 新.強夯法處理軟土與高填方地基技術研究與工程應用[D].重慶：后勤工程學院，2005.

[2] 劉艷萍，杜克勤，姚洪波.強夯法施工對周圍物體產生的振動影響[J].河南水利與南水北調，2009(8)：173.

[3] 趙文貴.強夯法在山區塊石拋填地基處理中的應用[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2013,12(1)：52-53.

[4] 李 實，孔福利，徐全軍，等.強夯振動與爆破振動的信號特征對比分析[J].爆破器材，2008,37(1):31-34.

[5] 阮 維.強夯法在山區塊石填方工程中的應用[D].重慶：重慶大學，2007.

[6] 鄭穎人,孔 亮.巖土塑性力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7] 姚道平，張藝峰，葉友權.強夯施工振動效應分析[J].山西建筑，2008，34(25)：112-113.

[8] 施有志.強夯引起的振動規律及環境效應分析[J].巖土工程技術，2007，21(3)：144-148.

Research on mountain dynamic compaction vibration law and its influence to existing buildings★

Liu Xianqing1Yang Fan2Gu Wenjie1Chen Jinfeng1Zhu Jiankai1Xu Yanling1

(1.LogisticsEngineeringSchool,Chongqing401311,China; 2.ChongqingDesignInstitute,Chongqing400015,China)

Through the ABAQUS finite element model, this paper mainly analyzed the dynamic compaction vibration law of typical filled foundation in Chongqing area and its influence to existing building, the results showed that under dynamic compaction, the velocity and acceleration changes greater than vertical velocity and acceleration, the vibration effects mainly concentrated in the top framework of dynamic compaction to existing buildings, in practice application that should strengthen the top-level structure framework data testing, ensured the safety of building.

filled foundation, existing building, dynamic compaction construction, acceleration

1009-6825(2017)03-0040-03

2016-11-19 ★：重慶市建設科技計劃項目(城科字2014年09-2號)；后勤工程學院青年基金(YQ16-420502)

劉憲慶(1986- ),男，博士，講師

TU472.31

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