強夯振動對人工島海堤影響及處理措施

解林博，劉洋

0　引言

強夯法于1978年開始引入國內，經過這么多年的發展，由于其工藝簡單，施工迅速，效果顯著，在地基加固方面得到了廣泛的應用。然而，強夯振動會對周邊環境產生很大的影響，其對施工現場周邊環境的影響是個不容忽視的問題，強夯不僅產生巨大噪音，影響人們的正常生活，產生的振動嚴重時甚至會影響周邊既有建（構）筑物的使用安全。

多年來，國內外學者對此進行了相關研究。如MENG Qing-juan等[1]做了強夯振動對周邊環境影響的模型試驗；Pan J L等[2]研究模擬動力荷載作用下松散土壤的強夯效果；Hwang JH等[3]分析隔離溝槽隨距離遠近對強夯振動的衰減幅度的影響；尚軍雷等[4]研究振動對鄰近建筑物的危害，并提出相應的減振措施；雷學文等[5]研究強夯引起的振動規律、施工安全距離，并提出減振措施；吳小波[6]研究強夯振動衰減規律和周邊環境影響評價；杭的平[7]研究隔振溝的減振效果；張濤等[8]通過某高速公路工程高填路基強夯處理作業振動進行的試驗監測，就強夯振動對周邊環境的影響問題進行了研究，得出強夯振動地面速度、加速度隨距離衰減的公式；高志義等[9]進行了沉箱碼頭后方強夯試驗研究；王曉昱[10]等研究強夯置換法在碼頭前沿區地基處理中的應用。

雖然在強夯振動對周邊影響問題上已經取得了一些成果，但是由于土力學性質的復雜性，強夯振動對周邊的影響無法全部靠理論預測，對于工程周邊存在重要建（構）筑物的情況，往往需要對強夯振動進行實地監測，確定影響大小，并采取相應隔振措施。本項目強夯區邊界距離海堤最近處僅有14 m，強夯產生的振動很可能影響海堤的結構安全，因而非常有必要對強夯振動的影響及對應措施進行研究，確保工程的安全進行。

1　工程概況

本項目為人工島填筑，位于海南儋州，距離海岸大于600 m，總跨度6.8 km。人工島建設首先在海中修建圍堰，然后吹填淤泥+陸推素填土而形成陸域，由于是回填形成的場地，滿足不了以后建筑物對地基承載力和變形的要求，擬對回填的素填土采用強夯法進行地基處理。強夯前選擇2個具有代表性的區域（均為30 m×30 m）進行試夯，2個區域距離海堤最近距離為14 m。試驗1區夯擊能為1 500 kN·m，試驗2區夯擊能為3 000 kN·m。

試驗區表層主要為堆填形成的素填土，堆填厚度為3.6～7.0 m。素填土下為回填之前的原狀土，上部為珊瑚碎屑層，灰色，稍密，主要由珊瑚碎塊，礫石、砂粒、貝殼等組成，再往下為粉質黏土。

試驗采用兩遍點夯、一遍滿夯的方案。點夯夯點采用正方形布置，夯點間距5 m。最后1遍為全場滿夯，夯擊時點與點之間搭接1/4錘徑。強夯施工工藝參數見表1。

表1　強夯施工工藝參數Table 1　Dynamic compaction construction process parameters

2　儀器及布置

測定強夯振動的儀器采用CSA24地震儀。夯點不同距離處布置測點，監測強夯過程中土中的振動速度。

海堤處設計振動速度為5 cm/s，大于5 cm/s需報設計單位并采取相應措施。

試驗1區測點布置見圖1，圖中編號①～⑦代表強夯夯擊點，編號1～5號代表測點，測點處埋設拾振器。

圖1　試驗1區測點布置圖（cm）Fig.1　Layout of measuring pointsin the first test area（cm）

拾振器間隔2 m，5號拾振器距海堤控制線僅有3 m。初次夯擊時，夯點距最近的拾振器33 m，然后夯點以每次5 m的間隔向拾振器靠近，最后1次夯擊時夯點距離最近的拾振器僅有3 m，距海堤控制線僅有14 m。試驗1區共測得7組振動速度數據。

3　試驗1區試驗結果

夯擊時，地震儀測得波形圖，經過處理之后，可以得到測點處振動速度。將每一個傳感器測點測量到的不同夯擊點振動引起的水平向振動速度繪制成曲線，得到圖2。

圖2　試驗1區水平速度與距夯點距離關系曲線Fig.2　Curve about horizontal velocity and distance of tamping points in the first test area

圖2為試驗1區5個測量點測得的最大水平振動速度與距夯點距離關系曲線。不同次數的夯擊時，測點距夯點距離存在重疊，由圖可以看出，不同測量次數時，距離重疊部分的振動速度基本相同，說明測量結果較為準確。

從圖2中曲線的整體走向來看，隨著與夯點距離的增大，振動速度越來越小，最終趨近于零。當與夯點距離較小時，振動速度與距夯點距離近似呈線性關系，隨著與夯點距離的增大，曲線斜率越來越小，說明振動速度減小的越來越慢。

試驗1區域測得當最大水平速度為257.7 mm/s時，距離夯點3 m。隨著間距的增大，測得的水平速度逐漸降低，測得當最小水平速度為18.4 mm/s時，距離夯點41 m。由圖2可以得出，當距離夯點間距大于22 m時，水平方向上的振動速度小于50 mm/s。

施工場地海堤控制線離夯點的最小距離為14 m，而由圖2可以看出距夯點14 m處振動速度約13 cm/s，遠大于設計要求的5 cm/s的限值，說明采用1 500 kN·m夯擊能時，如不采取措施，則夯擊產生的振動不能滿足設計限值要求，可能對海堤造成破壞。

4　隔振溝布置和試驗結果

試驗2區夯擊能為3 000 kN·m。通過試驗1區的結果發現，無隔振措施時海堤處振動速度超過設計限值，因而在試驗2區將采用隔振措施。對于強夯工程，最常用的隔振措施是開挖隔振溝，隔振溝工藝簡單，成本低廉，試驗2區即在海堤和強夯區之間開挖1條隔振溝。試驗2區夯點和拾振器的布置方式與試驗1區基本一致，但是在拾振器2號和3號之間設置了1條隔振溝，因而拾振器之間的間隔有所調整，見圖3所示。隔振溝寬1 m，深2 m。

圖3　試驗2區測點布置圖（cm）Fig.3　Layout of measuring pointsin the second test area（cm）

試驗2區振動速度測試結果見圖4～圖5。

圖4　試驗2區隔振溝外水平速度與距夯點距離關系曲線Fig.4　Curve about horizontal velocity and distance of tamping points outside of vibration isolation ditch in thesecond test area

圖5　試驗2區隔振溝內水平速度與距夯點距離關系曲線Fig.5　Curveabout horizontal velocity and distance of tamping points inside of vibration isolation ditch in the second test area

圖4和圖5為試驗2區5個測量點測得的最大水平振動速度與距夯點距離關系曲線。5條曲線上都包含7個夯擊點的數據，其中前1號，2號點與夯點處于隔振溝的同一側，3號、4號、5號測點與夯點由隔振溝隔開。

試驗2區測得隔振溝外最大水平速度為53.8 mm/s，距離夯點8 m。隨著間距的增大，測得水平速度逐漸降低，測得最小水平速度為1.2 mm/s，此時距離夯點42 m。由圖4可以得出，當距離夯點間距大于10 m時，水平方向上的振動速度小于50 mm/s。

試驗2區測得隔振溝內最大水平速度225.0 mm/s，距離夯點3.5 m。隨著間距的增大，測得的水平速度逐漸降低，測得最小水平速度為4.8 mm/s，此時距離夯點35.5 m。由圖5可以得出，當距離夯點間距大于23.5 m時，水平方向上的振動速度小于50 mm/s。

由此可見，隔著隔振溝兩側的測點之間有較大的速度差異，50 mm/s的控制距離由23.5 m縮減到了10 m。說明開挖隔振溝之后，極大地削弱了強夯振動對海堤的不利影響，滿足了距離14 m的要求。

5　不同強夯能級下振動速度的對比分析

為了分析強夯能級對振動速度的影響，選取試驗 1區（1 500 kN·m）和試驗 2區（3 000 kN·m）的測點2，兩個區的測點2都和7個夯點處于隔振溝的同一側，而且離海堤的距離相近，具有可比較性。兩個區測點2的振動速度與距夯點距離關系曲線如圖6所示。

圖6　不同夯擊能對振動速度的影響Fig.6　Influence of different tamping energy on vibration velocity

由圖6可以看出，1 500 kN·m和3 000 kN·m兩種夯擊能下振動速度都隨著距夯點距離的增大而減小，而且隨著距離的增大，速度減小的幅度變緩。然而，仔細觀察會發現一個很有意思的情況，圖中顯示1 500 kN·m夯擊能產生的振動速度反而大于3 000 kN·m夯擊能產生的振動速度，這與一般認知不符，探察其原因，可能是由于兩個試驗區土層差異造成的。圖7為兩個試驗區夯前標貫擊數隨深度變化曲線，由圖可以看出，試驗1區土層的標貫擊數在整體范圍內明顯大于試驗2區標貫擊數，說明試驗1區土層要比試驗2區土層硬，從而導致雖然試驗1區強夯能級小，產生的振動反而比試驗2區大，這符合能量傳遞規律。同時也說明回填土場地的離散性較大，需要在施工前詳細探摸，進行試驗確定合適的施工參數，保證地基處理效果。

圖7　試驗1區和試驗2區的標貫擊數Fig.7　The SPT blow count in the first and second test area

6　結語

本文對人工島強夯加固地基產生的振動和隔振措施進行了研究，通過對兩個現場試驗區的監測，得到了以下結論：

1）隨著與夯點距離的增大，振動速度越來越小，最終趨近于0。當與夯點距離較小時，振動速度與距夯點距離近似呈線性關系，隨著與夯點距離的增大，曲線斜率越來越小，說明振動速度減小的越來越慢。

2）試驗1區采用1 500 kN·m的強夯，且夯點與海堤之間未設置隔振措施，海堤距夯點最小距離為14 m，此時海堤處的振動速度為13 cm/s，遠大于設計要求的5 cm/s的限制，可能對海堤造成破壞。

3）隔振溝對振動的削弱作用顯著，試驗2區強夯振動經隔振溝削弱后海堤處振動速度皆小于5 cm/s，滿足了設計要求。

4）除夯擊能之外，土層性質對振動速度有較大影響。

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