強夯施工中隔振溝對周邊建筑物隔振效果的數值模擬

林海銘

（1 廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司；2 廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司）

0 前言

強夯法是一種加固效果顯著、適用土類廣、經濟易行的地基加固方法，自1969 年由法國工程師Menard 首創以來發展迅速，在全世界范圍內得到廣泛應用，在改善砂土液化地基、加固濕陷性黃土地基、拋石填海地基、山區高填方地基、礫質粘性土回填地基等方面有著廣泛應用。強夯法將重錘（10～40t）多次提高到一定高度（10～40m）自由下落，給地基以強大的沖擊力和振動，將夯面下一定深度的土層夯壓密實，從而提高地基的承載力和穩定性，目前強大沖擊能級達20000kN·m。

然而，強夯法施工時會產生振動、噪音、揚塵，對周邊建筑物產生不利影響。夯錘下落時沖擊能量巨大，會使土體產生振動，強夯振動以波的形式向深層傳遞和四周擴散，會對強夯場地周邊環境產生不利影響，造成建筑物裂縫、地基基礎變形等。強夯是一個非線性動力過程，加固機理復雜，影響因素眾多，目前尚未形成十分完善的理論體系，處于實踐先于理論的現狀。強夯對周邊建筑物的影響的研究主要采用現場試驗和數值模擬兩種方法。而強夯現場試驗的費用較高，能獲取的可靠數據十分有限，尚無法利用這些數據對強夯問題進行深入研究。因此，利用數值模擬的方法來模擬強夯的過程，深入探究強夯的影響和措施意義重大。張忠和[1]采用LS-DYNA 研究土庫曼斯坦某天然氣地基加固場地的振動效應和相關減振措施。王鵬程[2]利用Abaqus 建立了強夯加固地基的有限元模型，分析了強夯振動的衰減規律以及相關的減振隔振措施。佘艷華[3]借助有限元數值計算和現場試驗研究沖擊荷載引發的振動對臨近范圍內埋地管道的影響，提出了鄰近埋地管道沖擊鉆孔施工振動的控制標準。張宏偉[4]提出了基于ABAQUS 有限元軟件計算強夯振動的模擬方法，分析了邊坡平臺強夯工程實例坡面的振動效應，并提出了相應的強夯隔振措施。

本文在文獻[5]強夯法對周邊環境影響的非線性分析的基礎上，研究隔振溝隔振的基本原理，設計不同隔振溝模型，采用FLAC3D 數值分析方法針對隔振明溝的位置、長度、寬度、深度等影響進行定量分析，研究隔振溝的隔振效果。

1 隔振溝隔振機理

隔振溝屬于地面連續隔振屏障的范疇，隔振溝是一種積極的隔振措施，在近距離內可以對建筑物起到消除振動影響的作用。如圖1，由振源產生的表面波傳播到隔振溝時，將會發生反射和透射，并且在其兩端和底部還會出現波型轉換和波繞射；屏障背后的地面振動由透射波和繞射波組成，總能量一般要低于屏障前入射波的能量，這些區域的地面振動強度將得到降低。但由于在屏障體兩端的繞射波較強，其附近地面振動降低的程度往往比屏障后中間部位要差。其次，屏障前方的局部區域因反射波的作用會出現地面振動放大的現象。

圖1 隔振溝隔振機理

2 模型建立及參數選擇

根據清遠高新開發區某強夯場地的實際地形建立三維實體網格模型，如圖2，建立了100m×100m×16m的計算模型，共劃分了57064 個實體單元，23429 個節點。土體選擇Mohr-Coulomb 模型，根據土工試驗報告把計算模型劃分為8 個區域，每個區域選取的土參數如表1。

圖2 三維實體模型

表1 土層計算參數

3 隔振溝位置對隔振效果的影響

將圖2 中所示模型上表面中心設為原點，夯擊點設置在原點處，在模型的東、南、西3 個方向分別在距離夯擊點5m、10m、15m 處設置寬度、深度和長度相同的隔振溝，北向不設置隔振溝。計算過程中，監測距離強夯位置25m 遠處的東南西北四個質點的振動速度。由于土體均勻分布，在強夯施工造成的振動作用下，振動波在土體中向各個方向傳播時，經歷相同距離將消耗的同樣大小的能量。因此，通過記錄夯擊作用下各監測點處的速度變化（圖3），就可以對比隔振溝位置對周邊建筑物的定量影響。東南西北各個監測點的最大振動速度分別為1.600cm/s、1.704cm/s、1.863cm/s 和1.921cm/s，可見隨著隔振溝到夯擊點距離的增大，各監測點在強夯作用下的速度也相應增大，這說明，隔振溝距離夯擊點越近，隔振作用越顯著。

4 隔振溝深度對隔振效果的影響

圖3 監測點速度時程曲線

將圖2 中所示模型上表面中心設為原點，夯擊點設置在原點處，在模型的東、南、西3 個方向分別在距離夯擊點5m 處設置寬度（2m）和長度（10m）相同、深度分別為2m、3m、4m 的隔振溝，北向不設置隔振溝。計算過程中，監測距離強夯位置10m 遠處的東南西北四個質點的振動速度（圖4）。東南西北各個監測點的最大振動速度分別為7.612cm/s、6.252cm/s、5.355cm/s 和8.342cm/s，即隨著隔振溝開挖深度的增大，各監測點在強夯作用下的速度相應減小，這說明，隔振溝深度越大，隔振作用越顯著。

圖4 監測點速度時程曲線

5 隔振溝寬度對隔振效果的影響

將圖2 中所示模型上表面中心設為原點，夯擊點設置在原點處，為了分析隔振溝的開挖寬度對建筑物的影響，模型的東、南、西3 個方向分別在距離夯擊點5m 處設置深度（2m）和長度（10m）相同、寬度分別為1m、1.5m、2m 的隔振溝，北向不設置隔振溝。計算過程中，監測距離強夯位置25m 遠處的東南西北四個質點的振動速度（圖5）。東南西北各個監測點的最大振動速度分別為1.874cm/s、1.792cm/s、1.753cm/s 和2.112cm/s，即隨著隔振溝開挖寬度的增大，各監測點在強夯作用下的速度相應減小，但減小的幅度很小，且設置了三種不同寬度隔振溝的監測點速度波形曲線相差不多，這說明，隔振溝的寬度大小對隔振作用的影響效果并不明顯。

圖5 監測點速度時程曲

6 隔振溝長度對隔振效果的影響

科爾斯基等人關于地震波的研究表明，對于圓心角小于360°的隔振溝，它所屏蔽的區域是以震源和震源到溝中點連線為45°對稱的徑向直線相交隔振溝所包圍的面積。可見，對于圓心角小于90°的隔振溝是無效的。這就是說要有一定的溝長，才會較大的屏蔽區域。為了分析隔振溝的長度對建筑物的影響，模型X 軸正方向（東）在距離夯擊點10m 處設置深度（2m）和長度（15m）寬度（2m）的隔振溝，其他三個方向（北、南、西）不設置隔振溝。計算過程中，監測點4（15，0，0）、點5（15，-7.5，0）、點6（15，10，0）、點7（14，5.4，0）、點8（-15，0，0）和點9（10，11，0）六個質點的振動速度。監測點布置情況見圖6。其中，質點4、7、8、9 四個點至夯心的距離均為15m，而質點4、5、6 則至隔振溝的距離均為5m。各監測點的速度時程曲線如圖7 所示，根據各監測點的最大振動速度畫成圖8 比對圖，黑色圓半徑大小代表速度大小。

對比4、5、6、8 四個監測點可以看出，在隔振溝后方覆蓋區域內，4、5、6 三個點的振動速度都小于與夯心對稱布置的點8 的振動速度，說明隔振溝的布置是起作用的。而4、5、6 三個點的振動速度相差不大，其中，點6 距離夯心較遠，振動速度較小，說明隔振溝的有效屏蔽區域覆蓋了從夯心到溝端點的延長線范圍。

圖6 監測點布置圖

圖7 監測點速度時程曲線

圖8 各監測點最大速度比對圖

對比4、7、9 三監測點可以看出，在隔振溝后方覆蓋區域內，4、7 兩點的振動速度都明顯小于到夯心相同距離但不在隔振溝覆蓋區域的點9 的振動速度，說明隔振溝的作用是明顯的。而4、7 兩點的振動速度非常接近，結合對4、5、6 三點的振動速度的分析結果，可以得出，在隔振溝的有效屏蔽區域內，距離夯心越遠，振動速度越小。

對比4、8、9 三監測點可以看出，點4 的振動速度小于點8 的振動速度，再次說明了設置的隔振溝起到了明顯的隔振作用。而點8 的振動速度小于點9 的振動速度，且點9 的振動在隔振溝附近有明顯的增大，說明振動波在隔振溝所處位置進行了再次發射和折射，導致點9 的振動速度大于至夯心距離相同且均未設置隔振溝的點8 的振動速度。

7 結語

本文根據試驗場地實際數據建立高質量網格模型，根據土工試驗報告選擇合適的土層本構模型及參數，設計不同尺寸的隔振溝模型，在FLAC3D 軟件中對場地強夯過程進行非線性數值仿真，針對隔振明溝的位置、長度、寬度、深度等影響進行定量分析，研究隔振溝的隔振效果。在今后的強夯施工中，可采用FLAC3D 數值仿真對振動防治措施的設計提供指導。