强夯施工中隔振沟对周边建筑物隔振效果的数值模拟

林海铭

（1 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司；2 广东省建设工程质量安全检测总站有限公司）

0 前言

强夯法是一种加固效果显著、适用土类广、经济易行的地基加固方法，自1969 年由法国工程师Menard 首创以来发展迅速，在全世界范围内得到广泛应用，在改善砂土液化地基、加固湿陷性黄土地基、抛石填海地基、山区高填方地基、砾质粘性土回填地基等方面有着广泛应用。强夯法将重锤（10～40t）多次提高到一定高度（10～40m）自由下落，给地基以强大的冲击力和振动，将夯面下一定深度的土层夯压密实，从而提高地基的承载力和稳定性，目前强大冲击能级达20000kN·m。

然而，强夯法施工时会产生振动、噪音、扬尘，对周边建筑物产生不利影响。夯锤下落时冲击能量巨大，会使土体产生振动，强夯振动以波的形式向深层传递和四周扩散，会对强夯场地周边环境产生不利影响，造成建筑物裂缝、地基基础变形等。强夯是一个非线性动力过程，加固机理复杂，影响因素众多，目前尚未形成十分完善的理论体系，处于实践先于理论的现状。强夯对周边建筑物的影响的研究主要采用现场试验和数值模拟两种方法。而强夯现场试验的费用较高，能获取的可靠数据十分有限，尚无法利用这些数据对强夯问题进行深入研究。因此，利用数值模拟的方法来模拟强夯的过程，深入探究强夯的影响和措施意义重大。张忠和[1]采用LS-DYNA 研究土库曼斯坦某天然气地基加固场地的振动效应和相关减振措施。王鹏程[2]利用Abaqus 建立了强夯加固地基的有限元模型，分析了强夯振动的衰减规律以及相关的减振隔振措施。佘艳华[3]借助有限元数值计算和现场试验研究冲击荷载引发的振动对临近范围内埋地管道的影响，提出了邻近埋地管道冲击钻孔施工振动的控制标准。张宏伟[4]提出了基于ABAQUS 有限元软件计算强夯振动的模拟方法，分析了边坡平台强夯工程实例坡面的振动效应，并提出了相应的强夯隔振措施。

本文在文献[5]强夯法对周边环境影响的非线性分析的基础上，研究隔振沟隔振的基本原理，设计不同隔振沟模型，采用FLAC3D 数值分析方法针对隔振明沟的位置、长度、宽度、深度等影响进行定量分析，研究隔振沟的隔振效果。

1 隔振沟隔振机理

隔振沟属于地面连续隔振屏障的范畴，隔振沟是一种积极的隔振措施，在近距离内可以对建筑物起到消除振动影响的作用。如图1，由振源产生的表面波传播到隔振沟时，将会发生反射和透射，并且在其两端和底部还会出现波型转换和波绕射；屏障背后的地面振动由透射波和绕射波组成，总能量一般要低于屏障前入射波的能量，这些区域的地面振动强度将得到降低。但由于在屏障体两端的绕射波较强，其附近地面振动降低的程度往往比屏障后中间部位要差。其次，屏障前方的局部区域因反射波的作用会出现地面振动放大的现象。

图1 隔振沟隔振机理

2 模型建立及参数选择

根据清远高新开发区某强夯场地的实际地形建立三维实体网格模型，如图2，建立了100m×100m×16m的计算模型，共划分了57064 个实体单元，23429 个节点。土体选择Mohr-Coulomb 模型，根据土工试验报告把计算模型划分为8 个区域，每个区域选取的土参数如表1。

图2 三维实体模型

表1 土层计算参数

3 隔振沟位置对隔振效果的影响

将图2 中所示模型上表面中心设为原点，夯击点设置在原点处，在模型的东、南、西3 个方向分别在距离夯击点5m、10m、15m 处设置宽度、深度和长度相同的隔振沟，北向不设置隔振沟。计算过程中，监测距离强夯位置25m 远处的东南西北四个质点的振动速度。由于土体均匀分布，在强夯施工造成的振动作用下，振动波在土体中向各个方向传播时，经历相同距离将消耗的同样大小的能量。因此，通过记录夯击作用下各监测点处的速度变化（图3），就可以对比隔振沟位置对周边建筑物的定量影响。东南西北各个监测点的最大振动速度分别为1.600cm/s、1.704cm/s、1.863cm/s 和1.921cm/s，可见随着隔振沟到夯击点距离的增大，各监测点在强夯作用下的速度也相应增大，这说明，隔振沟距离夯击点越近，隔振作用越显著。

4 隔振沟深度对隔振效果的影响

图3 监测点速度时程曲线

将图2 中所示模型上表面中心设为原点，夯击点设置在原点处，在模型的东、南、西3 个方向分别在距离夯击点5m 处设置宽度（2m）和长度（10m）相同、深度分别为2m、3m、4m 的隔振沟，北向不设置隔振沟。计算过程中，监测距离强夯位置10m 远处的东南西北四个质点的振动速度（图4）。东南西北各个监测点的最大振动速度分别为7.612cm/s、6.252cm/s、5.355cm/s 和8.342cm/s，即随着隔振沟开挖深度的增大，各监测点在强夯作用下的速度相应减小，这说明，隔振沟深度越大，隔振作用越显著。

图4 监测点速度时程曲线

5 隔振沟宽度对隔振效果的影响

将图2 中所示模型上表面中心设为原点，夯击点设置在原点处，为了分析隔振沟的开挖宽度对建筑物的影响，模型的东、南、西3 个方向分别在距离夯击点5m 处设置深度（2m）和长度（10m）相同、宽度分别为1m、1.5m、2m 的隔振沟，北向不设置隔振沟。计算过程中，监测距离强夯位置25m 远处的东南西北四个质点的振动速度（图5）。东南西北各个监测点的最大振动速度分别为1.874cm/s、1.792cm/s、1.753cm/s 和2.112cm/s，即随着隔振沟开挖宽度的增大，各监测点在强夯作用下的速度相应减小，但减小的幅度很小，且设置了三种不同宽度隔振沟的监测点速度波形曲线相差不多，这说明，隔振沟的宽度大小对隔振作用的影响效果并不明显。

图5 监测点速度时程曲

6 隔振沟长度对隔振效果的影响

科尔斯基等人关于地震波的研究表明，对于圆心角小于360°的隔振沟，它所屏蔽的区域是以震源和震源到沟中点连线为45°对称的径向直线相交隔振沟所包围的面积。可见，对于圆心角小于90°的隔振沟是无效的。这就是说要有一定的沟长，才会较大的屏蔽区域。为了分析隔振沟的长度对建筑物的影响，模型X 轴正方向（东）在距离夯击点10m 处设置深度（2m）和长度（15m）宽度（2m）的隔振沟，其他三个方向（北、南、西）不设置隔振沟。计算过程中，监测点4（15，0，0）、点5（15，-7.5，0）、点6（15，10，0）、点7（14，5.4，0）、点8（-15，0，0）和点9（10，11，0）六个质点的振动速度。监测点布置情况见图6。其中，质点4、7、8、9 四个点至夯心的距离均为15m，而质点4、5、6 则至隔振沟的距离均为5m。各监测点的速度时程曲线如图7 所示，根据各监测点的最大振动速度画成图8 比对图，黑色圆半径大小代表速度大小。

对比4、5、6、8 四个监测点可以看出，在隔振沟后方覆盖区域内，4、5、6 三个点的振动速度都小于与夯心对称布置的点8 的振动速度，说明隔振沟的布置是起作用的。而4、5、6 三个点的振动速度相差不大，其中，点6 距离夯心较远，振动速度较小，说明隔振沟的有效屏蔽区域覆盖了从夯心到沟端点的延长线范围。

图6 监测点布置图

图7 监测点速度时程曲线

图8 各监测点最大速度比对图

对比4、7、9 三监测点可以看出，在隔振沟后方覆盖区域内，4、7 两点的振动速度都明显小于到夯心相同距离但不在隔振沟覆盖区域的点9 的振动速度，说明隔振沟的作用是明显的。而4、7 两点的振动速度非常接近，结合对4、5、6 三点的振动速度的分析结果，可以得出，在隔振沟的有效屏蔽区域内，距离夯心越远，振动速度越小。

对比4、8、9 三监测点可以看出，点4 的振动速度小于点8 的振动速度，再次说明了设置的隔振沟起到了明显的隔振作用。而点8 的振动速度小于点9 的振动速度，且点9 的振动在隔振沟附近有明显的增大，说明振动波在隔振沟所处位置进行了再次发射和折射，导致点9 的振动速度大于至夯心距离相同且均未设置隔振沟的点8 的振动速度。

7 结语

本文根据试验场地实际数据建立高质量网格模型，根据土工试验报告选择合适的土层本构模型及参数，设计不同尺寸的隔振沟模型，在FLAC3D 软件中对场地强夯过程进行非线性数值仿真，针对隔振明沟的位置、长度、宽度、深度等影响进行定量分析，研究隔振沟的隔振效果。在今后的强夯施工中，可采用FLAC3D 数值仿真对振动防治措施的设计提供指导。