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强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 摘要 强夯地基处理技术是一种常见有效的地基处理方法，但高能级的强夯施工时 的噪音、振动等对周围建筑物和环境的影响而限制了它的应用。本文结合强夯振 动监测和检测的应用实例，阐述了强夯振动监测的原理方法、仪器设备、测试方 法和成果分析过程。对强夯施工引起地面振动同步监测分析，可给出强夯振动影 响的地震烈度评价、振动主频、最大振动速度参数、地基能量吸收系数和振动安 全距离等参数，本文研究总结了强夯引起的振动规律，强夯引起的振动对建筑物 的影响评价，强夯有效击数的确定，地基能量系数衰减规律，强夯振动安全距离 分析，减少振动影响措施，阐述了瑞雷波法检测强夯地基处理效果的原理、步骤 和分析过程，结合：l ：程实例分析成果评价的主要内容。对强夯振动监测和瑞雷波 检测技术应用进行了总结以及强夯振动监测和瑞雷波检测具体应用应注意的问 题。得出强夯振动影响效应与夯击能、夯击遍数呈正相关关系，强夯振动能量随 传播距离呈幂函数衰减，强夯震动产生的地震波以低频面波对周边地物振动影响 最大，强夯震动影响与场地土的类型的关系等规律，对指导强夯设计、施工和夯 后地基处理效果检测具有一定的指导作用。 关键词：强夯：振动监测；瑞雷波；衰减：频谱分析 t h e s i st i t l e a b s t r a c t d y n a m i cc o m p a c t i o n i saw e l l k n o w na n de f f e c t i v em e c h o di ng r o u n d i m p r o v e m e n t t h ea p p t i c a t i o no ft h i s m e t h o di so f t e nr e s t r i c t e db e c a u s eo fi t s n o i s e ，v e b r a t i o na n dw i t ht h e t e x tu t i l i z e da l le x a m p l eo fe x e c u t i o nt a m p e rv i b r a t i n g m o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n ，h o wt oa r r a n g ei n s t r u m e n t ，t h em e t h o do fv i b r a t em o n i t o r ， e l a b o r a t ev i b r a t i o nm o n i t o r i n g e f f o r t ，a n a l y s ec o u r s eo fa c h i e v e m e n t e x e c u t i o nt a m p e r v i b r a t i n gs y n c h r om o n i t o r i n ga n a l y s i s ，g i v i n gv i b r a t i o np a r a m e t e r s ，a s e a r t h q u a k e i n t e n s i t y , b a s i cf r e q u e n c y , m a x i m u m v i b r a t i n gv e l o c i t yp a r a m e t e r , g r o u n de n e r g y a b s o r bp a r a m e t e ra n dt h ev i b r a t i n gd i s t a n c eo fs a f e t y ，t h et e x tu l i l i z e dd i s c i 画i n a r i a n w h i c ht h et a m p 。rv i b r a t i n g ，a n a l y s i sc o n s t r u c t i o ni n f l u e n c eb y t a m p e rv i b r a t i n g - h o wt o 。“8 u r 6 t h 。e f f e c t i v eb e a t ，t h em e a s u r et or e d u c e t a m p e rv i b r a t i n g ，e l a b o r a t er a y l e i g h w a v em o n i t o rt h ee f f e c tb yt a m p e rv i b r a t i n g ，a n a l y s ec o o r s eo fa c | h i e v e m e n t ，m c q u e s t i o na r ep a ya t t e n t i o nt oi nt h ec o n c r e t ec o n t e n to fa p p l i c a t i o n t h er e s e a r c h 。e s u l t ss h o wt h a ti n f l u e n c eo fv i b r a t i o nh a v ec o r r e c t i t u d er e l a t i o nw i t ht a m p e r e n e r g y , t a m p e rt i m e ，t h ee n e r g yo ft h et a m p e rv i b r a t i n gi se x p o n e n t i a lf i m c t i o nd a m p i n gw i t h p r o m u l g a t ed i s t a n c e ，t h em o s tv e b r a t i o ni n f l u e n c ei sr a y l e i g hw a v e ，t h ev e b r a t i o n i n f l u e n c eh a v er e l a t i o nw i t hg r o u n ds t y l e t h em s e a r c hh a v eg u i d ea f f e c ta p p l i c a t i o n w i t ht m n p e rd e s i g n ，c o n s t r u c ta n dm o n i t o rt h ee f f e c tb yt a m p e r v i b r a t i n g k c y w o r d s ：t m n p e r ；v i b r a t em o n i t o r ：r a y l e i g hw a v e ；r e d u c t i o n ；c u r v eo f f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 o 前言 强夯是一种快速经济的地基处理方法，适用于回填土地基处理，利用夯锤( 一 般为1 0 0 4 0 0 k n ) 自由落下的巨大冲击能和所产生的冲击波反复夯击地基土，迫 使土体孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道， 孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结，将夯面下一定深度 的土层夯实挤密，从而提高地基承载力，降低其压缩性的一种有效地基加固方法， 以达到加固地基的目的，也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理方法之 一。 i l 高能级的强夯瞬间冲击能量的释放类似于爆破振动，高能级的强夯瞬间 冲击能量的释放不仅向地层深度方向传播，而且其振动能量沿地面向远处传播， 对周围环境造成较大地震效应。特别是在城市地区，强夯施工振动的影响已不容 忽视，我们结合多个强夯工程实例，进行强夯施工振动监测和夯后场地土瑞雷波 法检测，并进行了初步研究和总结。强夯振动监测应用主要是监测不同能量的夯 击引起地面振动随距离的衰减情况，对强夯震动产生不利影响范围进行评价和为 强夯施工提供合理的设计参数等。本文从强夯施工振动监测实际应用出发，阐述 厂振动监测的原理、设计、监测方法、监测过程、资料处理过程和监测成果统计 分析等，对不同类型的场地土、不同的强夯能级的强夯施工振动监测资料进行总 结分析，研究强夯施工产生的地表振动规律，强夯施工振动影响评价，利用瑞雷 波法振动测试对地基处理效果进行测试评价。 强夯地基检测可以选用载荷试验、动力触探、瑞雷波等方法。这三种方法可 以综合全面地反映地基的处理效果【2 l 。常规的静力学检测存在时间长，检测工作 量大，成本高等问题，难于适应工程实际需要，而采用瑞雷波等动态无损检测方 法检测时间短，成本小、效率高等优点得到快速发展。瑞雷波勘探作为浅层地震 勘探的一种相对较新方法，根据击振震源的不同，又把瑞雷波勘探分为稳态法、 瞬态法、无源法。其中瞬态瑞雷波勘探方法应用最广泛，这是由于仪器设备 的更新和计算机技术的快速发展，使野外采集数据变得快捷迅速，成果直观，定 量解释准确、可靠，效果良好，结合其他测试手段进行对比分析，能有效地解决 地綦处理效果检测问题。瞬态瑞雷波法是一种值得发展的地基无损检测技术。 l 绪论 1 1 研究意义 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 强夯法加固地基土也是我国目前最为常用和最经济的地基处理方法之一，强 夯法常用来加固碎石、砂土、粘性土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基土，具有 设备简单、施工速度快、适用范围、经济可行、效果显著等优点。由于强夯是 采用高吊的重锤自由落下产生强大的能量来改善土体物理力学性质以达到加固 地基的目的。重锤强烈冲击地面会引起土体的振动，会导致i 临近建筑物开裂损坏。 于是，在城市建设中采用强夯法处理地基时，首先是强夯引起的振动对临近建筑 物的影响问题，强夯夯击过程中的振动对相邻建筑物的危害是强夯施工中比较突 出的问题。为评价强夯振动的对周围建筑物的影响及可能产生的危害程度，以及 对精密仪器和人体的影响，在强夯施工过程中进行振动监测是必要的。 研究强夯引起的振动规律，研究强夯引起的振动对建筑物的影响，研究减少 振动影响的措施。为强夯设计和隔振设计提供依据，使强夯法施工具有更广泛的 适用性和安全性。 对于强夯振动在深度方向的衰减规律的研究，采用的方法有理论分析方法、 振动监测方法和夯后地基土的振动特性测试等方法。蒋鹏等对强夯振动在深度方 向的衰减进行了数值模拟分析计算，本文采用瞬态瑞雷波法对夯后地基土的振动 特性进行测试，对强夯的影响深度进行评价，利用夯后地基土的振动波速等特性 变化来评价强夯振动在深度方向的衰减规律，评价强夯地基处理效果。常规检测 方法采用载荷试验、动力触探等原位测试为主。一般工期均较长：特别是随着城 市化进程的加快，回填场地较多，第四系地层多松散且含碎石常规钻探进尺较 慢，因碎石的存在，动力触探等原位测试方法进尺较慢，且测试数据不准，失去 了原位测试的意义。而瑞雷波测试只需在地面进行，在具有波速差异大于5 的 前提下，可进行地层的划分和测定土层的瑞雷波和剪切波速。方法快捷、准确。 按一定的测线连续布置瑞雷波勘探点，可对地基处理效果进行大面积普查，对地 基在深度方向和水平的均匀性、强夯处理影响深度作出评价，该方法速度快，检 测面广，效率高，结合其他标准贯入试验、动力触探、载荷试验等测试手段进行 统计对比分析，可实现点面结合，建立经验公式，可提供变形模量、压实干密度、 承载力值等，能有效地对地基处理效果进行综合评价。 1 2 研究方法 收集与强夯振动监测有关的文章、实际监测资料，对实际监测资料不同的强 掘夯施工振动监驯与卉后地基处理效果振动测试研究 夯能级强夯引起的地面震动的衰减情况，强夯振动对周围环境的不利影响进行评 价。采用方法为场地振动衰减测试，分析强夯引起地面振动的振动主频、最大振 动速度、撮大振动位移、最大振动加速度等参数衰减规律，减小振动的影响措施 替。 强夯振动沿深度方向的影响深度和地基处理效果采用夯后场地土的瑞雷波 测试，测定夯后地基土的瑞雷波波速等振动特性指标拟合计算剪切波速，进行 按波速进行地层的划分，夯前和夯后波速对比，评价强夯处理影响深度和强夯地 基处理效果。 1 3 国内应用研究情况 强夯法处理地基是2 0 世纪6 0 年代末m e n a r d 技术公司首先创立的，1 9 7 8 年 交通部第一航务工程局科研所在天津某公路软土地基强夯试验取得成功。经过 2 0 多年的应用与发展，强夯法处理地基受到国内外工程界的重视，并迅速推广， 取得了较大的经济效益和社会效益。对于强夯施工的振动测试，在1 9 8 3 年任书 芍等人对强夯旖工振动进行了测试f 3 】，王仁钟等在1 9 8 6 年对强夯法处理地基向 处理效果进行了动态测试4 】，随着计算机技术和振动监测仪器的发展，很多学者 对强夯加固地基振动机理、引起的振动规律、强夯对建筑物的影响研究，列强夯 振动进行_ 监铡和定的理论研究。 强夯地基检测通常以载荷试验、动力触探、钻探等常规测试方法为主。瑞雷 波勘探技术最早应用工程勘察，进行地层波速的测定。瑞雷面波是由英国学者 r a y l e i 曲于1 8 8 7 年首先在研究弹性介质中的波动发现的”1 ，在传统地震勘探中 瑞雷面波作为一种干扰波，近年来随着仪器设备和数据处理技术的发展。特别是 瞬态法瑞雷波勘探技术从9 9 年咀来，得到了快速的发展，把人工激发并记录的 瑞雷面波，用于解决地下浅部工程和环境地质问题。特别是在岩土工程勘察、灾 害地质勘察、地基检测等方面得到了广泛的应用，在2 0 0 1 年瑞雷波勘探方法已 经列入新编的岩士工 g 勘察规范 6 1o 瑞雷波勘探技术成为值得推广应用的无 损检测技术。 2 强夯振动机理与评价标准 2l 监测方法原理 2i 监测方法原理 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 强夯机将夯锤提升一到设计高度后自动脱钩落锤，夯击地面瞬间将势能转化 为动能，压缩地层，能量以地震波的形式向地层深处和地表横向传播，夯击振动 产生的地震波分为体波和面波，体波分为纵波和横波，面波分为瑞雷波 ( r a y l e i g h ) 和乐夫波( l o v e ) ，各波的性质见表2 1 1 7j 。面波主要沿地表传播， 强夯施工夯击震动对周围地物环境的影响主要以地面振动为主，强夯夯击后地面 能量传递是以夯点为圆心向远处传播并衰减，因此，地表振动强夯能量监测点 的布置应在夯点与受影响建筑物之间由近到远沿直线排列，因此，在距夯点不同 距离的地面上布置检波器，采用仪器记录地表处振动波形曲线，通过对振动曲线 分析解释，总结强夯引起地表处振动的规律。 表2 - 1冲击波的组成 占总能量的 波在土中的传播速度( m s ) 波的类型波的性质波的传播特点 百分比( ) 砂类土 粘性土 岩石 系由震源向外传播振动周期短，振幅 的纵向波，质点振小能在固体与液 动方向和波的前进 体中传播，速度快 压缩波 73 0 0 7 0 08 0 01 5 0 01 0 0 0 6 0 0 0 方向一致，属于一 种推拉运动，振动 的破坏力较小 系由震源向外传播振动周期较长，振 的横向波质点振 幅较大，只能在嗣 动方向和波的前进 体中传播，波速仪 剪切波 2 61 5 0 3 0 01 6 0 3 0 03 0 0 2 5 0 0 方向垂直，作横向为压缩波的l ，2 位移，振动的破坏 l ，3 力较大 系限于在半空间边 振动周期长。振幅 界附近区域内运动 大，只能在固体中 的波，质点在波的传播，波速低于剪 前进方向和地表面 切波约为剪切波 法向组成的平砸内波速的9 5 面波6 7作椭圆运动，转动1 0 0 2 9 01 5 0 ，一2 9 0 方向与波的前进方 向相反，在地面 呈滚动形式，速度 随深度增加而减少 振动的破坏力较大 2 2 振动评价标准 国外对振动的评价标准标准有多种，常见的有振动强度法、质点振动功率法 和时程曲线反应谱法等，国内大多数场合采用质点振动最大速度、最大加速度值、 最大振动位移等8 1 ，国标中国地震烈度表( g b t 1 7 7 4 2 - - 1 9 9 9 ) 的振动标准采 用水平径向的振动最大速度v 。a x 和最大加速度值a m 。，见表2 2 。 强夯施工振动嘘测与夯后地基处理效果振动测试研究 表2 - 2中国地震烈度表 房屋麓害程度 水平向地面运动 烈度 z l 地面 人的感觉 平均震害指 其他震害现象 峰值加速度峰值速度 震害现象 数 州s 2 l无感 室内个别静止中人 i i 有感觉 室内少数静止中 、窗轻微作响悬挂物微动 【i i 有感觉 室内多数人、室外少门、窗作响 悬挂物明显摆动，器皿作响 j v数人有感觉，少数a 梦中惊醒 室内普遍、室井多数门窗、屋顶、屋絮不稳定器物摇动或翻倒 人有感觉，多数人梦颤动作响灰土抻 0 3 l00 3 圹 中惊醒 落，抹灰出现微细 ( o2 2 0 4 4 )f 00 2 00 4 1 烈缝有檐瓦掉落， 个别屋顶烟囱掉砖 多数人站立不稳少损坏一墙体出现裂阿岸和松软土出现裂缝饱 数人惊进户外 缝檐瓦掉落，少和砂层出现喷砂冒水；胄的 0 6 300 6 0 0 1 0 数屋顶烟囱裂缝、独立砖烟囱轻度裂缝 o 4 5 电8 9 )f 0 0 5 一0 0 9 ) 掉落 大多数人惊逃户外，轻度破坏一局部碱 阿岸出现坍方；饱和砂层常 骑自行车的人有感坏，开裂小修鼓 见啧砂冒水，松软土地上地 l2 501 3 0 1 卜_ o3 0 觉，行驶中的汽车驾不 | | i 要修理可继续 裂缝较多；太多数独立砖烟 f 09 0 l7 7 )( 0 l o 一0 l8 ) 乘人员有感觉使用 囱中等破坏 多数人摇晃颠簸，行中等破坏一结构破 于硬土上亦出现裂缝；大多 走图难坏，需要修复才篚 数独立砖烟囱严重破坏；树 25 0o2 5 v 0 3l 一0 5 0 使用硝折断；房崖破坏导致人畜n 7 8 3 5 3 ) f 01 9 一o3 5 ) 防亡 行动的人摔倒严重破坏一结构严于硬土上出现地方有裂缝； 重破坏，局部倒塌，基岩可能出现裂缝、错动； 5 ，0 005 0 i x o5 1 0 7 0 蜂复困难骨坡坍方常见；独立砖烟囱( 35 4 7 0 7 )( 03 6 07 1 ) 例塌 骑自行车的入会摔夫多数倒埚山崩和地震断裂出现：基岩 倒，处水稳状态的a上拱桥破坏；大多数独立砖 1 0 0 0 10 0 x o 7 卜o 9 0 会捧离原地，有抛起 姻囱从根部破坏或倒毁 f 70 8 41 4 )f 07 2 一l4 1 1 感 普遍倒塌地震断裂延续很长 大量山 x 09 1 一1 0 0 瞒滑坡 x u地面剧烈变化，山河改观 9 0 ；“普遍”为9 0 以上。 任书考、吴锦拔等通过现场分析测试认为可以用以下规定作为强夯引起振 动的控制标准：对松散砂土，a m a x 6 3 32 0 6 7 4 2 4 5 1 300 5 5 6 3 66 5 96 3 81 3 87 l 24 2 5 500 5 7 8 3 26 16 4 31 3 82 52 3 3 5 00 6 0 0 2 958 66 4 81 1 7 l7 l3 9 7 l00 2 6 3 5 458 64 5 39 10 1 10 ，9 8 9 5 6 00 1 7 9 3 558 64 5 88 8 7 2 60 6 4 9 8 800 1 2 8 l i 63 53 6 37 4 1 7 4 0 4 8 2 2 4o o 1 0 0 6 658 6 3 6 87 3 6 3 i 0 4 8 2 4 20 0 0 6 7 7 1 55 1 33 7 3 7 3 9 4 8 0 4 3 7 9 500 0 6 5 8 8 551 33 7 87 0 0 7 5 0 4 3 2 8 300 0 5 8 5 6 451 33 8 41 5 5 1 8 0 2 9 6 0 300 0 j 1 8 7 339 i 2 5 2 强夯有效击数的确定 强夯施工振动监测与夯后地基处理敛果振动测试研究 强夯有效击数是指夯锤夯沉量达到规范要求时夯锤的击数，常规强夯试验， 统计观测夯沉量的变化，绘制夯沉量与锤击数关系曲线，由此确定强夯的夯击锤 数，通过强夯振动监测，我们利用最大振动速度与锤击数关系对强夯有效击数进 行评价。从图5 ，1 一最大振动速度与锤击数关系曲线可以得到以下规律，随着锤 击数的增加，最大振速值不断提高，回填土后，第一击最大振动速度值略有下降， 继续夯击则最大振动速度值逐渐提高，曲线逐渐趋于水平，这反映了土体的压缩 挤密过程，最大振动速度与土体密实程度呈正相关关系。首先填土在夯击前是松 散的，第一击挤密的幅度是最明显的，以后各击由于土体密实度提高，抵抗外力 的能力加大，土体强度的提高，同一夯击能下变形逐渐减弱，直至土体强度趋于 稳定，不在随锤击数变化，此时的夯击能几乎都消耗在土体振动上，最大振动速 度最大，但振动速度增加较缓或不增加，在最大振动速度与击数曲线上趋于水平， 对应水平段的锤击数为强夯有效击数。此时强夯的地震效应最强，对周边的建筑 物破坏力最大。此时即使增加锤击数，对土体的挤密效果甚微或不经济。 强夯有效击数还与填土质量和下伏淤泥层有关，本次8 0 0 0 k n m 能级第一遍 夯监测夯点的强夯击数范围为1 4 2 2 击。各夯点击数离散性大，当夯点下存在 巨石或大块石时，夯沉量较小，但最大振速值较大，最大振速提高值偏大，表现 为振速异常；按夯沉量控制已达到质量控制要求，但实际未达到加固要求，因大 石块的存在强夯时屏蔽了下部地层，造成下部地层加固效果差。如8 0 0 0 k n m 能 级第一遍1 4 号夯点强夯击数为1 4 击，按夯沉量控制已满足质量要求，但振速最 大值和提高幅度比其他夯点偏大，该点的动力触探结果也表明下部加固效果差。 因此，只用最后2 击的平均夯沉量来控制强夯质量是不够完善的，尤其在填士不 均，场地土均匀性不好的工程，如只按夯沉量控制，易造成满足质量要求的假象， 而强夯竣工质量检验往往不合格。所以强夯有效夯实击数的确定不能只用夯沉量 控制，应结合振动速度分析，可全面有效确定强夯施工参数。 5 3 强夯引起的振动变化规律 5 3 1 最大振速提高值变化规律 松散土体和密实土体的振动速度是不一样的，我们利用强夯施工引起的土体 振动速度的变化值，对强夯的效果进行评价。在固定的偏移距下，对不同能级的 夯点进行一系列妊测，经统计分析得出以下结论。分析举例如根据图5 - 4 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 8 0 0 0 k n m 能级第一遍6 号夯点第1 击与第2 2 击的最大振动速度与传播距离关系 曲线，在距夯点2 3 4 5 m 范围内，最大振速增值幅度为8 0 5 2 3 9 1 ，最大振 速值平均增幅1 4 4 4 。根据图5 - 4 - - 8 0 0 0 k n r n 能级第一遍l o 号夯点振点距1 9 m 处的最大振速与击数关系曲线得出，8 0 0 0 k n m 能级第一遍夯振点距1 9 m 处第l 击与第2 2 击的振速最大值提高幅度8 1 7 ，8 0 0 0 k n f f i 能级第一遍1 4 号夯点振点 距2 0 m 处第l 击与第1 4 击的振速最大值提高幅度1 9 1 ，8 0 0 0 k n m 能级第一遍 1 0 号夯点振点距2 3 m 处第1 击与第2 2 击的振速最大值提高幅度8 0 5 。经统计 分析可推断8 0 0 0 k n m 能级强夯第一遍夯振点距2 0 m 处最后l 击与第1 击的垂直 最大振速提高值应大于8 0 o ，且振点距2 0 m 处最后1 击的垂直最大振速值应大 于1 0 0 c m s ，因此固定振点距的地面垂直最大振动速度值和提高幅度数据。与 控制最后两击夯沉量一样可作为评价强夯施工效果的一个重要指标，用地基土的 振动参数指标对强夯施工质量进行检验是可行的。 v m a x ( c m s ) ( k n m 第一避距夯点1 9 m ) 八厂一f 弋一1 “盎蝴筋纛填 第1 次回填 图5 - 1 9 号夯点最大振动速度与锤击数关系曲线 图4 一最大振动速度与锤击数关系曲线 v , n a x ( c m s ) ( 8 0 0 0 k n m 第一遍1 4 号夯点振点距2 0 m ) | 厂 n ( 锤击数) 图5 21 4 号夯点最大振动速度与锤击数关系曲线 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 5 3 2 强夯引起振动的衰减规律 地面振动速度、振动位移的大小反映了振动的能量，如图5 3 所示，晟大 振动速度v 。、最大振动位移d 。随距离的衰减规律基本一致。最大径向振动速 度和最大垂向振动速度随水平距离的增加均按幂函数的规律衰减，衰减规律可统 一表示为 vm 。= 胛一6( 1 ) 对本文算例，利用最大垂向振动速度计算；强夯能级8 0 0 0 k n m ，a = 2 3 0 6 5 ， b = 1 3 4 4 8 ；强夯能级6 0 0 0 k n m ，a = 2 4 9 5 7 ，b = 1 3 8 6 8 ：强夯能级3 0 0 0 k n r n ， a = 4 3 4 0 6 ，b = 1 0 7 7 3 ：强夯能级2 0 0 0 k n m ，a = 6 8 5 4 ，b = 1 2 7 1 6 。 为了统一强夯影响控制标准，我们采用垂直向最大振动速度v 。作为评价标 准。我们利用不同能级的最大振动速度在传播距离上衰减曲线来评价强夯震动对 周围地物的影响，根据图5 4 、图5 5 、图5 6 、图5 7 可以看出：最大振动速 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，远处为一近于水平 的直线，说明强夯振动在传播过程中近处衰减较快。因地面振动最大速度值v 。 反映了振动能量的强弱，我们用不同距离处地面振动最大速度值k ，的降低幅度 来表示强夯振动能量的衰减。如8 0 0 0 k n m 能级强夯监测结果经统计分析表明， 引起强夯引起地面的振动最大速度值v 呲。在距夯点1 0 4 5 m 内降低幅度为7 ( ) 8 6 ，在距夯点4 5 8 0 m 远处降低幅度为2 0 5 0 。从同一夯点第1 击与最后1 击的最大振速与传播距离曲线可以看出，第l 击曲线形状较缓，最后l 击近处曲 线形状较陡，说明同一夯点近处振速最大值增幅随击数增加表现出逐渐增大趋 势。而远处最大值增幅随击数增加变化较小或不明显，说明强夯震动影响主要在 近处，强夯能级越大，强夯震动影响半径越大，强夯震动影响距离与强夯能级呈 1 1 二相关关系。强夯震动影响半径还与场地土的类型有关，对于松散、稍密的的软 土至中软土，地基能量吸收系数较大，强夯震动影响半径较小。对于密实的中硬 二 二，地基能量吸收系数小，强夯震动影响半径较大。 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 晟大振速、最大振动位移与传播距离关系曲线 v a x ( c m s ) ( 8 0 0 0 k nm 能级试夯区第6 号夯点第2 2 击) 1 0 8 6 4 2 0 d m a x ( m m ) 、0 1 5 o1 2 3 2 8 3 3 3 8 4 3 4 8 5 3 5 86 36 87 37 8 8 4 r ( m ) 0 0 5 o 图5 - 36 号夯点最大振动速度、振动位移与传播距离关系曲线 v m a x ( c m s ) 1 0 ri 9r 、 8 -l 2 2 击 图5 一最大振动速度与传播距离关系曲线 ( 8 0 0 0 k n m 能级试夯区第一遍6 号夯点第1 击与第2 2 击) 2 32 83 33 84 34 85 35 8 6 3 6 87 3 7 8 8 4 图5 46 号夯点最大振动速度与传播距离关系曲线 1 6 1 4 l 1 2 l o 8 6 4 2 o 1 4t 92 42 93 43 94 44 95 45 96 46 97 5 图5 51 0 号夯点最大振动速度与传播距离关系曲线 4 2 l 击) 疗( m ) 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 图7 一最大振动速速与传播距离关系曲线 ( 8 0 0 0 k nm 第二遍9 弓夯点第1l 击) i m a x ( c m s ) v m a x ( c m s ) 1 0 5 0 1 0 1 52 0 2 5 3 03 54 04 55 05 56 06 57 l 尺( i n ) 图5 - 69 号夯点最大振动速度与传播距离关系曲线 图8 一最大振动速速与传播距离关系曲线 ( 6 0 0 0 k n m 能级试旁区m 2 1 n 7 号夯点第l 击与第1 6 击) 2 32 83 33 84 34 85 35 86 36 87 37 88 4 图5 77 号夯点最大振动速度与传播距离关系曲线 最大振速与传播距离关系曲线 、( 3 0 0 0 k nm 4 号夯点第l 击与第7 击) v m a x ( c m s ) 。” 3 2 3 2 3 74 24 75 2 5 76 26 77 27 78 28 79 3 图5 - 84 号夯点最大振动速度与传播距离关系曲线 5 ( m ) 6 4 2 0 8 6 2 o 强夯旌工振动j | 【测与夯后地基处理效果振动测试研究 最大振速与传播距离关系曲线 v m a x ( c m s ) ( 2 0 0 0 。nm 第2 遍4 0 号夯点第1 市与第7 击) 1 0 8 6 4 2 0 图5 - 94 0 号夯点最大振动速度与传播距离关系曲线 5 3 3 地基能量吸收系数衰减规律 为了求取地基能量吸收系数，为动力基础振动和隔振设计提供地基动力参 数，这是强夯进行振动监测的又一应用。 地基能量吸收系数按下式( 2 ) 计算： ( 2 ) 式巾q 一地基能量吸收系数( s m ) ： ，0 一激振频率h z ： ，一测点到夯点边缘的距离； ，o 一圆形基础的半径或矩形及方形基础当量半径( m ) ； a ，一距振源r 处的振幅值( m ) ： a 测试基础的振幄值( m ) ； o 一无量纲系数，按现行国家标准动力机器基础设计规范的有关规定 采用。 下图5 1 0 为胡钧等对某强夯能级为2 4 0 0 k n m 强夯场地振动监测实测成果 之一地基能量吸收系数随距离变化曲线。 0 ) 7 m(铂r 舳的砷帖蚰跖 踮 如5m 强夯施工振动监测与夯后地基处理散果振动测试研究 图5 10 地基能量吸收系数随距离变化曲线 从图5 1 0 可以看出地基能量吸收系数a 不是一个定值。在近夯击点处( 5 m ) ， 振动衰减很快，计算得到的a 值较大；到达一定的距离( 2 0 m ) 后，n 值比较稳 定，趋向一个变化不大的值。因此，设计可以根据距离震源的远近选用n 值。 地基能量吸收系数a 与地基土的性质有关，一般说，密实的地基土地基能量吸收 系数a 小，松散的地基土地基能量吸收系数a 大。岩石的地基能量吸收系数a 小， 硬塑的粘土或密实至中密的砂类土地基能量吸收系数n 较大，新近沉积土或松散 的砂土，地基能量吸收系数a 最大。地基能量吸收系数经验值见表5 3 动力机 器基础设计规范( g b 5 0 0 4 0 9 6 ) 1 1 4 。 表5 - 3 地基能量吸收系数a 值 地基土名称及状态d ( “m ) 页岩、石灰岩 ( 0 3 8 5 0 4 8 5 ) 1 0 3 岩石( 覆盖层15 - 2 0 m ) 砂岩( 0 5 8 0 一0 7 7 5 ) 1 0 0 硬塑的粘土( o3 8 5 - 0 5 2 5 ) x 1 0 - 3 中密的块石、卵石( o8 5 0 1 1 0 0 ) x 1 0 4 可塑的粘土和中密的糨砂 ( 09 6 5 i 2 0 0 ) x 1 0 。 软塑的粘土、粉土和稍密的中砂，粗砂 ( 1 2 5 5 l4 5 0 ) 1 0 0 淤泥质粘土、耢土和饱和细砂 ( t2 0 0 13 0 0 ) x 1 0 3 新近沉积的粘土和非饱和松散砂( 1 8 0 0 2 0 5 0 ) 1 0 5 3 4 强夯振动的频率分析 强夯所产生的振动的主振频率是影响建筑物的一个重要参数。夯击引起的 质点振动是一个脉冲振动过程，其振动是由多种不同频率、相位和振幅的简谐振 动迭加而成，主振频率是指振动频谱中振幅最大的谐波分量的频率。频谱分析的 日的也是避开建筑物固有频率，以免发生共振】：频谱分析示意图见图5 1 l ， 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 经频谱分析各夯击能的强夯振动的主频见下表5 - 4 。 图5 1 l 频谱分析图 表5 4 强夯振动主频 频率( h z ) 强夯能级8 0 0 0 k n m6 0 0 0 k n m3 0 0 0 k n m2 0 0 0 k n1 1 1 频率范围( h z )3 ，9 l 1 1 7 260 3 1 24 54 1 5 9 2 880 6 2 02 6 均值 65 l8 9 9 7 1 21 32 3 从上表看出强夯产生的振动的主振频率较低，在同一夯点上前几击由于土体 处于夯实挤密过程中主振频率更低，随夯实击数的增加，主振频率增大。同一夯 点同一击不同距离处强夯产生的振动的主振频率不同，表现为近处频率高，远处 频率低。通过频谱分析可以看出，4 个强夯能级的主频均小于2 0 h z ，强夯震动产 生的地震波以低频瑞雷面波对周边地物振动影响最大，但普通民房的固有频率为 2 3h z ，一般不易发生共振破坏。 5 4 强夯振动对建筑物的影响分析 5 4 1 厂房固有振动频率分析 当强夯产生振动的主振频率接近周边地物的自振频率时，可能产生共振破坏。 厂房及西道轨固有振动频率测试点于夜间进行观测，采集记录时问内无机械、车 辆、人员等震动干扰。共完成l 、2 、3 个测点，测试成果见表5 5 。东码头及西道 轨垂舂向固有振动频率为1 0 3 8 1 2 5 7 h z ，东西向水平固有振动频率为4 0 3 4 2 7 h z ，南北向水平固有振动频率为4 2 7 4 8 8 h z 。 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 表5 5 厂房与西道轨固有振动频率测试点测果 振动最大加速度 振动最大速度自振频率 测点号方向 a ( c m s )v ( c r n s )f ( h z ) 垂直向 0 3 7 6 9 400 0 2 9 0 5 31 0 9 9 1 东西向 0 7 4 2 2 400 0 5 7 1 9 242 7 南北向 0 6 9 2 3 20 0 0 3 3 44 8 8 垂直向 0 2 8 3 4 20 0 0 3 3 8 5 81 0 3 8 2 东两向 0 7 7 8 5 2o 0 0 4 6 4 440 3 南北向 0 5 1 4 1 80 0 0 3 2 2 5 642 7 垂直向 0 1 2 9 0 700 0 1 8 9 8 81 25 7 3 东西向 0 7 4 7 6 30 0 0 3 3 6 2 94 2 7 南北向 0 4 7 3 3 20 0 0 2 0 8 1 84 3 9 5 4 2 强夯振动安全距离分析 强夯施工对周边地物产生地震效应，地面振动速度的大小反映了强夯施工 震动的影响程度。垂向振动最大速度可以作为定量评价的一个依据，依据规范文 件用垂直向最大振动速度值进行地震烈度对比评价 1 6 1 。知道了周边地物的抗震 设防烈度与对应的振动速度值，根据最大振速与传播距离曲线可确定强夯施工振 动安全距离，如图5 1 2 所示。通过我们对强夯施工振动的第一、二、三遍夯的 同步监测，从中找出最后l 击的v m a x 的最大值，用v m a x 的最大值进行地震烈 度评价，可客观地评价强夯震动影响程度。按抗震设防烈度6 度计算，对应的最 大振速判定标准为2 0 c m s ，强夯8 0 0 0 k n m 能级加固区第一遍强夯点和建筑物 的最小安全距离为4 0 米8 0 0 0 k n ，m 能级第二遍强夯点和建筑物的最小安全距离 为4 5 米，第三遍3 0 0 0 k n m 能级强夯在第一遍夯和第二遍夯后进行，在士体已 被挤密的基础上强夯，因此，强夯震动影响效应较大，强夯夯击遍数越多，强夯 震动影响半径越大。所以8 0 0 0 k n i n 能级加固区强夯点和建筑物的最小安全距离 为4 5 米；6 0 0 0 k n m 能级强夯试夯区强夯点和建筑物的最小安全距离为3 6 0 米， 2 0 0 0 k n m 能级强夯区强夯点和建筑物的最小安全距离为1 8 o 米。 v m a x ( 1 6 1 4 ；鼍、大：i：二二传播距离关系曲线 1 2 1 a 8 6 4 2 o 1 41 92 42 93 t3 94 44 95 45 06 46 97 5 图5 - 1 2 图解法确定建筑物的安全距离 1 9 强夯旋工振动峪测与夯后地基处理效果振动测试研究 5 4 3 一房强夯振动影响评价 厂房及珏道轨距8 0 0 0 k n - m 强夯试夯区6 5 m ，按抗震设防烈度6 度考虑， 东码头及西道轨处于强夯震动安全区域内，大于4 5 m 的强夯点与建筑物最小距 离的要求。分析东码头及西道轨地表垂直、水平( 东西、南北) 三个方向上的最 大加速度、最大振动速度、最大位移、振动主频等，得出强夯震动对厂房及西道 轨的影响。图5 1 3 为码头测点水平径向、垂直向、水平切向振动最大位移与震 源距离关系曲线。垂直向振动最大位移为o 1 7 m m ，振动主频为3 6 6 3 9 1 h z ； 东西向振动最大位移为0 4 2 m m ，振动主频为3 4 2 4 1 5 h z ；南北向( 水平切向) 振动最大位移为0 0 9 m m ，振动主频为4 3 9 9 5 2 h z ；主要以东西水平径向的振 动为主，东西向水平径振动最大位移为0 4 2 m m 。其次垂直向振动最大位移较小， 水平切向振动最大位移最小。4 个强夯能级的主频均小于2 0 h z ，强夯震动产生的 地震波以低频瑞雷面波对周边地物振动影响最大，但普通民房的固有频率为2 3h z ，一般不易发生共振破坏。东码头及西道轨固有振动频率与强夯的主振频率 不同，但较接近，但因强夯在厂房产生的主振频率、振幅较小，且处于最小安全 距离以外，距强夯边约6 5 m ，大于4 5 m 的强夯点与建筑物最小距离的要求，可 不考虑共振影响破坏。强夯施工震动影响程度在现有建筑的安全允许范围之内 【j7 1 。 圈5 - 1 3 码头最大振动位移与震源距离关系曲线 5 5 减少振动影响措施 强夯的冲击能量是通过应力波的形式由夯点向土体深度和地面四周传播， 传攒形式可分为体波( p 波、s 波) 面波( r 波、l o v e 波) ，其中r 波占总波能 2 0 强夯施工振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 的2 3 ，并局限于半空间的表面附近，对附近地面建筑物的破坏力较大，随着水 平距离的增大，其振幅衰减速率比体波慢。r 波是沿着一个圆柱波振面径向地向 外传播，其能量密度随离开波源的距离的增大而减小。因此，减小强夯对建筑物 的影响主要是靠减小r 波来实现1 1 8 】。 在不满足最小施工安全距离的条件下，应采取适当的隔振措施来减少振动影 响。隔振措施一般采用主动隔振和被动隔振两种措施。主动隔振是在靠近或围绕 震源处挖隔振沟或打板桩以减少震源向外辐射能量，被动隔振是靠近减振对象挖 隔振沟或打板桩以减少振动影响。对实际强夯工程，在允许挖沟的前提下，一般 采用被动隔振沟措施。 影响被动隔振效果的因素很多，震源至隔振沟中心的距离a 、沟长l 、沟宽 b 、沟深h 都是直接影响隔振效果的因素。w o o d s 通过大量的现场试验分析得出 1 9 l ：隔振沟的最小深度应在1 2 5 1 5 个r 波波长 r 。而隔振沟的宽度对对隔 振效果没有实质影响。同时他给出了用隔振沟竖向剖面的面a r 来控制隔振沟参 数的具体要求： 当r = 2 r 时a r = l h = 2 5x2 r ( 3 ) 当r = 7 r 时a r = l h = 6 ，0 2 r ( 4 ) 由此来确定隔振沟的长度l 。 如果将采用隔振沟后竖向振幅与没有采用隔振沟的竖向振幅比值称为振幅 衰减系数，则按上述要求用隔振沟隔振，衰减系数系数一般等于或小于02 5 ，即 振动对建筑物的影响有7 5 左右因采用隔振沟而得以消除，可见其工程实际意义 2 0 l 。我们在黄岛某粮油贮备库强夯地基处理项目，在临近夯区1 0 m 处已建粮仓 旁t ；1 ：挖了一条深2 m 的隔振沟，在强夯时对粮仓进行了振动监测，取得了满意的 隔振效果。 6 强夯振动监测成果应用总结 ( 1 ) 强夯振动实测表明，强夯引起的振动是瞬时冲击振动，与爆破振动类 似。振动频率约4 2 0 h z ，振动持续时间一般小于l s ，为三角形波形。 ( 2 ) 强夯试验时不但要进行夯沉量监测，还应进行振动监测，用最大振动 速度的变化来确定强夯参数是非常有效的，尤其是强夯有效击数的确定。振动监 强夯施t 振动监测与夯后地基处理效果振动测试研究 测可以为工程抗震和隔震设计提供最大振动加速度、最大振动速度、最大振动位 移、震动主频等地基土振动参数特性。 ( 3 ) 应对监测仪器、检波器的灵敏度、道一致性等进行标定对软件功能 进行测试，保证监测数据获得的可靠性。 ( 4 ) 强夯施工过程尽可能进行振动监测，以实测的加速度、速度值定量划 分强夯振动影响范围，必要情况下采取隔振措施，确保周围建筑物和精密仪器设 备安全。 ( 5 ) 强夯施工过程应进行同步振动监测，用最大振动速度和最大振动位移 的变化对比分析可评价强夯施工效果，对其深入研究可作为评价强夯施工质量