强夯加固吹填地基振动传递机理及减振措施的试验研究

贾智信，孙国亮，陈雷，乔京生

（1.唐山曹妃甸基础设施建设投资集团，河北 唐山 063200；2.唐山学院土木工程系，河北 唐山 063000）

0 引言

强夯法处理地基是20世纪60年代末Menard技术公司首先创立的。该方法将80～400 kN重锤从落距6～40m处自由落下，给地基以冲击和振动，从而提高地基土的强度并降低其压缩性。我国强夯法常用来加固碎石、砂土、黏性土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基土。由于其具有设备简单、施工速度快、适用范围广、节约三材、经济可行、效果显著等优点，经过20多年来的应用与发展，强夯法处理地基受到各国工程界的重视，并得以迅速推广，取得了较大的经济效益和社会效益。

但强夯时产生的巨大冲击波对场地附近的建（构）筑物有可能造成振害，目前在规范中很少提到如何评价及预防强夯对邻近建（构）筑物的有害影响，这使强夯法的使用受到很大限制[1]。本文针对唐山曹妃甸工业园区强夯加固吹填地基的实际工程，利用先进的测试手段，对强夯振动在吹填地基中的衰减规律及隔振沟的设置效果进行了现场试验，对振动传递机理进行了分析，提出了加速度的衰减经验公式，并提出隔振沟的合理布置方案，该成果对强夯法在吹填地基中的应用具有重要的指导意义。

1 传递机理

关于强夯法加固地基的机理，不同研究者从不同角度对强夯机理进行了研究，但目前还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法[2-3]。同时由于强夯处理的对象（即地基土）非常复杂，一般认为不可能建立对各类地基土均适合的具有普遍意义的理论，但对地基处理中经常遇到的几种类型土，还是有规律可循的[4]。总的来说，强夯加固地基主要是在强大的夯击能下在地基中产生强烈的冲击波和动应力对土体进行加固作用。强夯产生的冲击波，按其在土中的传播和对土的作用特征可分为体积波和界面波，体积波包括纵波和横波（或分别称为压缩波和剪切波），体波沿着一个半球波阵面径向地向外传播。纵波使土体受拉、压作用，能使孔隙水压力增加，导致土骨架解体，而随后到达的横波使解体的土颗粒处于更加密实状态。界面波包括瑞利（Rayleigh）波和乐夫（Love）波。面波携带的夯击能局限在地表层附近区域内传播，面波可使表层土体松动形成松弛区域。因而面波对地基压密没有效果，但对建筑物产生的振动较大，为有害波。从上述的分析原理不难看出，由于冲击波的作用引起地基土的挤密和表层的松弛变形，从而造成了地基土变形，地基土的变形必然影响了周围已建建筑物基础的安全。各波的性质见表1。

表1 冲击波的性质

2 现场试验设备及测点布置

为了研究强夯产生的振动波的传递规律，采用SWS型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪、三分量分体检波器等对强夯产生的振动波进行了现场测试。试验中对土表面距夯点70 m范围内振动波的传递进行了监测。采用1 000 kN·m，1 500 kN·m两种夯击能，每种夯击能夯击3次，测点布置见图1。

图1 水平向测点布置图

3 强夯振动衰减规律

现场试验在河北唐山曹妃甸工业园内的吹填地基场地进行。

通过振动测试得到了各测点3个方向：径向（测点与夯击点连线方向相同），切向（测点与夯击点连线方向垂直且平行于水平面），垂直向的振动频率，如表2所示。

表2 各测点振动频率

试验中同时得到了各测点三分向振动加速度和振动速度时程曲线，如图2、图3所示。为了研究振动波在各方向的传递规律，将各测点的加速度极值汇总如表3所示。通过分析可以发现，在三分向振动效应中，各个方向的振动加速度都随着距夯点间距离的增大，加速度峰值逐渐减小，表明强夯产生的振动波在各方向都呈衰减趋势，如图4所示，最大加速度在距离的变化上较明显分为两段，近处表现为直线陡降段，远处为一平缓的曲线，说明强夯振动在传播过程中近处衰减较快。综合考虑2条测线的实测数据变化，拟合计算公式如下：

图2 距夯点5m垂直向振动加速度和振动速度时程曲线

图3 距夯点5m切向振动加速度和振动速度时程曲线

表3 各测点加速度极值

垂直向加速度计算公式：

式中：y为垂直向振动加速度，m/s2；x为土表面水平向距夯点距离，m。

切向加速度计算公式：

图4 加速度衰减情况

式中：y为切向振动加速度，m/s2；x为土表面水平向距夯点距离，m。

径向加速度计算公式：

式中：y为径向振动加速度，m/s2；x为土表面水平向距夯点距离，m。

4 隔振沟对强夯振动波传递的影响

强夯时所产生的巨大冲击波，对场地附近的建（构）筑物有可能造成振害，《强夯地基技术规程》中规定，当单击夯击能为1 000 kN·m时，安全距离应大于15m；当单击夯击能大于1 000 kN·m时，对仪表车间及灵敏度高的建（构）筑物的安全距离，尚应通过试夯实测的结果进行调整与修正。

有学者提出[5]，当强夯夯击能为1.5，2.0，2.5和3.0 MN·m时，其对构筑物相应的安全距离为14，17.5，18.7和19.5m。

当施工场地无法满足最小安全距离要求时，必须采取一定的隔振措施，设置人工隔振沟是一种有效、简便易行的方法。隔振沟的隔振原理为：当表面波传播到固体交界面处，被在固体土壤中形成的局部孔隙所阻断，不能继续向前传播，于是就起到隔振作用，减少地面波的破坏力。影响被动隔振沟效果的因素很多，振源与隔振沟的中心距离、沟长、沟宽以及沟深都将影响隔振效果，下面详细分析各个影响因素的作用。

为了研究隔振沟对强夯引起振动波传递的影响，在对振动波检测过程中进行了如图5所示的隔振沟布置，通过对试验数据分析分别得出了隔振沟两侧的振动频率和振动速度、加速度，如表4所示。从试验结果来看，无论是振动频率还是振动速度和加速度在隔振沟两侧都呈明显的减小趋势，说明隔振沟有效地起到了隔振作用。

图5 隔振沟布置情况

表4 不同参数的隔振沟影响下的振动参数变化

从数据可见，沟深越深，减振效果越明显。但当隔振沟达到一定的深度后，振动的衰减幅度并不随深度呈线性关系，存在一个临界沟深，沟深大于该值后，隔振效果并不能随沟深的增加而显著提高。笔者经研究提出对于吹填地基隔振沟深度不大于3m，或被保护地下结构物（包括桩基或其他深基础）深度的1/5。而隔振沟宽度的改变对减振效果影响很小，事实上，一个小的裂隙或裂缝将足以屏蔽大部分的弹性波。因此，以增加隔振沟的沟宽来提高隔振效果的工程意义并不是很大。

隔振沟中填充刚度不同的各种材料，沟中填充材料的弹性模量与土体的弹性模量相差越大，隔振效果越好；相比较而言，在弹性模量比土体小的一侧，当二者的弹性模量的级数相差越大，则曲线递减得越快，隔振效果越好。在试验中海绵作为隔振沟的填充物，能起到更好的隔振效果见表5。这对于不易形成沟体的土质，此类填充材料的使用将起到很好的作用。

表5 加入填充材料的减振效果

5 结论

本文根据曹妃甸工业区强夯工程进行现场试验，取得针对强夯处理沿海吹填地基的宝贵数据，得到了强夯振动频率、速度、加速度在吹填地基中的衰减规律，对不同参数的隔振沟的减振效果进行试验。结果表明，隔振沟深度对减振效果有较大影响，深度越深减振效果越好，但存在极限深度，在吹填地基情况下隔振沟深度一般不超过3m，或被保护地下结构物（包括桩基或其他深基础）深度的1/5。在不易成沟的环境下，可以充填海绵等弹性模量远小于土体模量的材料，减振效果同样良好。

[1] 黄瑛.强夯对周围已建建筑物的影响[J].中国港湾建设，2007（3）：24-26.

[2] 刘振国，吕淑然，杨军.强夯振动效应研究[J].安全与环境学报，2003（6）：14-17.

[3] 蔡袁强，王大力，徐长节，等.强夯加固机理及环境影响的数值分析[J].岩土力学，2005（5）：159-162.

[4] 靳国礼，金刚，任正为，等.强夯施工对周围环境振动影响分析及施工方案优化[J].施工技术，2010（6）：75-78.

[5] 方磊，经绯，刘松玉.强夯振动影响与构筑物安全距离研究[J].东南大学学报（自然科学版），2001，31（3）：29-32.

[6] YBJ45—92，强夯地基技术规程[S].