港口堆場硬殼層地基強夯振動規律

袁方龍，陳明，喻志發

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津300461；3.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津300222；4.神華天津煤炭碼頭有限責任公司，天津300452）

0 引言

國家“十三五”發展規劃的實施以及網絡智能化水平的提高促使港口行業快速進入產業擴張期，碼頭智能化、專業化程度逐步提升，加強對老舊堆場的改造，以及推進智慧碼頭建設，是港口企業今后的重點發展方向。受施工工藝和場地歷史用途的影響，碼頭堆場表層存在不同厚度的硬殼層，且下臥軟弱土層的不均勻性和區域性較明顯，因此，避免場地使用期產生不均勻沉降是港口碼頭建設[1-2]的重點和難點。

強夯法[3-5]是提高土體物理力學特性，降低地基壓縮性最直接有效的方法，而強夯振動對周圍建（構）筑物的正常使用和安全性會產生一定影響，對此，國內外學者對不同地基受強夯振動的規律性展開深入研究，解林博等[6]采用現場試驗研究了人工島海堤受強夯振動的規律，對影響地基振動速度的因素進行了總結；鹿子林等[7]針對強夯振動的特點，研究了夯擊能量、夯擊數等參數對距離夯點最近橋墩的振動影響規律，并給出最小安全距離，從而保證了建筑物的安全；丁文湘等[8]采用理論分析和數值模擬的方法，分析了強夯加固地基土振動傳播特性及隔振孔的隔振效果，研究成果對于強夯施工周邊環境振動控制具有重要參考價值。

目前強夯法在加固表層存在雜填土和連鎖塊等硬殼層的飽和軟土地基[9]的應用較少，地基受強夯振動的規律性尚不清楚，進行深入研究對于指導硬殼層地基強夯施工，保障周邊環境安全具有重要意義。本文以天津港某集裝箱碼頭工程為依托，實地監測并分析了不同硬殼層厚度，不同強夯施工參數（夯錘半徑、夯擊次數，夯擊遍數）等條件下地基的振動規律，為類似場地強夯安全施工提供有效參考和借鑒。

1 工程概況

本工程陸域道路堆場區占地面積74.69萬m2（距碼頭前沿線約70 m，靜止水位埋深0.1~2.9 m），場地受歷史原因曾多次使用，堆填經歷多次維修、翻新，整平，但未經正式的地基處理，道路及堆場布置自由、零散。

場地表層分布2.0~7.0 m厚雜填土結構層，主要由磚塊、大塊混凝土、碎石及廢土組成，鉆探時局部巖芯呈柱狀或碎塊狀，局部含鋼筋，疑似混凝土建筑垃圾；雜填土以下為層厚2.0~6.5 m的黏土層，呈流塑—軟塑狀態，屬高壓縮性土，土質不均，夾淤泥、淤泥質黏土、粉土、粉質黏土透鏡體。

場區表層土層分布不均勻，水平向淺層土體強度及厚度分布規律性較差，為保證場地沉降滿足后期使用要求，選擇強夯法進行地基處理，根據雜填土厚度不同，夯擊能選擇范圍為1 800~2 600 kN·m，采取柱錘點夯4遍后，用平錘滿夯6遍，柱錘每遍夯擊次數為3~7擊（平均5擊），平錘每遍夯擊次數為6~8擊（平均7擊），每遍夯擊結束后，場區進行整平碾壓。

2 監測儀器及布置要求

2.1 監測儀器

強夯振動監測采用L20-N型測振儀，數據采集包括三向振幅值和主振頻率，大量數據表明，地基強夯振動速度峰值最大值出現在與地基表面垂直的方向（Z向），故取Z向振速峰值進行分析。

2.2 儀器布置要求

為保證振動曲線特征更真實地反映強夯地基的振動規律，監測儀器布置應滿足以下要求：

1）儀器布置選取土層分布相對均勻且具有代表性的場地。

2）儀器埋設方式應符合要求，包括傳感器安裝要盡量做到牢固、接觸面密實；為了把因與地面結合導致的失真減少到最小，埋深深度至少應為傳感器主要尺寸的3倍，且回填料應優先選用原土質。

3）傳感器箭頭方向（水平徑向X）指向震源，且水平放置。

3 研究內容及方法

本次研究內容包括：

1）硬殼層厚度對地基振動的影響。取硬殼層厚度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的場區作為試驗區，各區距離夯點20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m布置測振儀，采集同一夯擊數下各點的振速峰值。

2）夯錘半徑對地基振動的影響。在表層存在5 m厚硬殼層的試驗區，用不同半徑（1.0 m、1.2 m、1.5 m）的夯錘進行夯擊，取同一夯擊數下地基的振速峰值。

3）夯擊次數對地基振動的影響。在各試驗區距夯點20 m處埋設振動傳感器，采集各試驗區地基土在夯擊過程中的振速峰值，并分析振速峰值變化規律。

4）夯擊遍數對地基振動的影響規律。柱錘夯破硬殼層后，在每遍平錘滿夯結束時，在各試驗區距離夯點30 m處埋設振動傳感器，在同一夯擊次數下，觀測并分析振動峰值變化規律。

結合項目周邊環境及爆破振動安全允許標準[10]，研究結果按表1進行判斷。

表1 振動安全允許標準Table 1 Allowable standard of vibration safety

4 監測結果分析

4.1 硬殼層厚度影響結果分析

圖1給出了柱錘破除硬殼層階段，在2 000 kN·m夯擊能作用下，各試驗區地基的振速峰值分布規律。由圖可知，試驗區硬殼層越厚，振速峰值越大，且振速峰值隨著夯點距離的增加呈衰減的變化規律，硬殼層越厚，振速峰值衰減幅度越明顯；當距離夯點70 m時，各試驗區振動峰值衰減至0，若強夯振動控制標準依據表1中振速最小控制值（1.5 cm/s）考慮，則試驗區最小安全距離范圍為37~58 m（硬殼層厚2~6 m）。因此，為了保障周圍水工建（構）筑物的安全，在安全距離范圍內應采取相應的隔振措施。

圖1 不同硬殼層厚度條件下的夯點距離-振速峰值分布曲線Fig.1 Distribution curve of tamping point distancevibration velocity peak value under different crust thickness

4.2 夯錘半徑影響結果分析

圖2給出了表層存在5 m厚硬殼層地基，在2 000 kN·m夯擊能作用下，夯錘半徑分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m時，地基的振速峰值分布曲線。

圖2 不同夯錘半徑條件下的夯點距離-振速峰值分布曲線Fig.2 Distribution curve of tamping point distance-vibration velocity peak value under different rammer radius

由圖2可知，在相同夯擊能下，錘徑越小，地基振動越劇烈，所對應的最小安全距離越大，且隨著夯點距離的增加振速峰值衰減越明顯。因此，在強夯施工過程中，在滿足地基加固效果的前提下，為了減小強夯振動對周圍建（構）筑物的影響，應優先考慮采用錘徑較大的夯錘。

4.3 夯擊次數影響結果分析

圖3給出了柱錘破除硬殼層階段，在2 000 kN·m夯擊能作用下，各試驗區地基的振速峰值變化規律。由圖可知，硬殼層越厚，振速峰值越大，且各試驗區地基振速峰值隨夯擊數的增加而逐漸減小，當達到一定擊數時，振速峰值出現陡降，這是由于隨著單點夯擊數的增加，硬殼層的結構性和整體性逐漸被破壞，致使振速峰值逐漸減小，當夯擊到一定程度，硬殼層發生貫通破壞，夯錘穿過硬殼層到達下臥軟土層，致使夯擊能被黏土層大幅度吸收消散，振速峰值出現陡降，且硬殼層越厚，發生貫通破壞所需的夯擊次數越多，因此，在柱夯破除硬殼層時可參考地基振速變化規律，及時終錘，避免因夯錘穿過硬殼層而破壞軟弱黏土層的結構性，以及避免沒錘、丟錘情況的發生。

圖3 夯擊數-振速峰值變化曲線Fig.3 Variation curve of tamping number-vibration velocity peak value

4.4 夯擊遍數影響結果分析

圖4給出了平錘夯擊階段，各試驗區在每遍平錘夯擊結束后，首次夯擊時地基的振動峰值變化曲線。由圖可知，每遍平夯結束后，各試驗區地基的振動峰值均得到不同程度的增長，且硬殼層越厚，振速峰值增幅越大；各試驗區振速峰值最大增幅對應的夯擊遍數不同，如6 m厚硬殼層增幅最大值出現在第4遍夯擊，2 m厚硬殼層增幅最大值出現在第2遍夯擊，之后隨著夯擊遍數增加，振速峰值增幅逐漸減小，直至穩定，分析原因為破除硬殼層的地基在平錘作用下逐漸被夯實，密實度、結構性逐漸增加，在特定夯擊能作用下，地基土密實度逐漸達到峰值后不再增長，致使振速峰值前期增長較快，最終趨于穩定。因此，在強夯加固過程中，進行振動監測，能夠有效評價地基土的加固效果，為強夯設計和施工提供夯擊遍數最佳優化方案，同時，根據振速峰值變化規律，可及時為保障周圍建（構）筑物的安全提供合理化建議。

圖4 夯擊遍數-振速峰值變化曲線Fig.4 Variation curve of tamping times-vibration velocity peak value

5 結論及建議

通過分析在不同硬殼層厚度、不同強夯施工參數（夯錘半徑、夯擊次數、夯擊遍數）等條件下地基受強夯振動的規律性，得出：

1）在柱錘破除硬殼層階段，試驗區硬殼層越厚，強夯振動對地基土的影響程度越劇烈；振速峰值隨著夯點距離的增加呈衰減的趨勢，且硬殼層越厚，振速峰值衰減幅度越明顯。

2）試驗區最小安全距離范圍為37~58 m（對應硬殼層厚度為2~6 m），為了保障周圍水工建（構）筑物的安全，在安全距離范圍內應采取相應的隔振措施。

3）在相同夯擊能下，錘徑越小，地基振動越劇烈，所對應的最小安全距離越大，且隨著夯點距離的增加振速峰值衰減越明顯，在滿足地基加固效果的前提下，為減小強夯振動對周圍建（構）筑物的影響，應優先考慮采用錘徑較大的夯錘。

4）在柱錘破除硬殼層階段，各試驗區地基振速峰值隨夯擊數增加而逐漸減小，當夯擊到一定程度，硬殼層發生貫通破壞，夯擊能被下臥軟土層吸收、消散，振速峰值出現陡降，因此，在柱夯破除硬殼層時應參考地基振速變化規律，及時終錘，避免因夯錘穿過硬殼層而破壞下臥軟土層的結構性，以及避免沒錘、丟錘情況的發生。

5）在平錘夯實階段，各試驗區地基的振速峰值在每遍平夯施工后，均得到不同程度的增長，硬殼層越厚，振速峰值增幅越大；各試驗區振速峰值最大增幅所對應夯擊遍數不同，隨著夯擊遍數增加，振速峰值增幅逐漸減小，直至穩定。因此，在強夯加固過程中進行振動監測，能夠有效評價地基土的加固效果，為強夯設計和施工優化最佳夯擊遍數等方案，同時，根據振速峰值變化規律，及時為保障周圍建（構）筑物的安全提供合理化建議。