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中山大学硕上学位论文 强夯振动能量随距离衰减规律研究 专业：岩土工程 硕士生：于海涛 指导教师：汤连生( 教授) 摘要 强夯地基处理方法自从2 0 世纪6 0 年代末由法国工程师梅那( m e n a r d ) 首 先创用后，在世界各地得到广泛应用。从加载的角度考虑，强夯产生的是一种瞬 时冲击荷载，夯锤在一定高度落下接触地面前的瞬间，其势能基本上都转化为动 能，当夯锤夯击地面时，大部分动能使土体产生振动，这种振动以压缩波( p 波) 、 剪切波( s 波) 和瑞利波( r 波) 的形式向四周传播。地面振动随着远离夯击点 而产生衰减，当远离到一定距离后，地面振动衰减至对周边环境不构成影响。 由于强夯施工振动对周边环境产生严重影响，其使用受到了很大限制。因此 如果能够得到强夯地面振动随距离衰减的一般规律，并对强夯施工振动最小安全 距离进行量化，将为今后的强夯设计和施工提供依据，具有重要的理论和实践意 义。 本论文通过现场试验的相关数据，分析各种因素的影响，总结得出强夯振动 能量随距离衰减的一般规律。采用快速拉格朗同有限差分程序f l a c3 d 对强夯振 动随距离衰减的过程进行数值模拟高仿真分析，并将分析结果与现场试验进行了 对比分析，验证了数值模拟程序的有效性。在上述分析的基础上，建立双控制参 数计算模型，对强夯施工振动安全距离进行求解，并将计算结果与实验结果进行 对比分析。 本论文取得的主要研究成果有以下三个方面： ( 1 ) 通过现场试验数据的分析，得到填土层厚度、夯击次数、夯锤落距、 夯锤重量及隔振沟设置对强夯振动传播的影响，总结出强夯振动能量随径向距离 增大按负幂函数曲线的形式衰减。 ( 2 ) 采用自行编制的接口程序，借助s u r f u r 软件在f l a c3 d 中建立了能反 映实际场地三维地形地貌的模型，并编制了强夯振动的数值模拟仿真程序，数值 强夯振动能量随距离衰减规律研究 模拟得到的强夯振动随距离衰减规律和现场试验的结果是一致的。 ( 3 ) 基于量纲分析方法，建立了振动速度与振动加速度双控制参数强夯振 动随距离衰减计算模型，经过将计算结果与实测结果对比分析，验证了计算模型 的有效性。 本文的研究成果将进一步丰富强夯理论，可为降低强夯施工振动对周边环境 的影响提供理论依据，并为强夯设计和施工方案的确定提供理论基础。 关键词：强夯振动；能量衰减；安全距离；有限差分；双控制参数 中山火学硕：上学位论文 r e s e a r c ho nt h el a wo fd y n a m i cc o m p a c t i o nv i b r a t i o n e n e r g ya t t e n u a t i n gw i t hd i s t a n c e m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y uh a i - t a o s u p e r v i s o rp r o f e s s o r ：t a n gl i a n - s h e n g d y n a m i cc o m p a c t i o nf o u n d a t i o nt r e a t m e n ti sw i d e l yu s e da r o u n dt h ew o r l ds i n c e i n v e n t e db yf r e n c he n g i n e e rm e n a r di nt h el a t e19 6 0 s c o n s i d e r e df r o mt h ea n g e lo f l o a d , d y n a m i cc o m p a c t i o ni sa ni n s t a n ti m p u l s i v e l o a d i nt h ef l a s hb e f o r et h eh a m m e r d o w ni nac e r t a i nh e i g h tt oc o n t a c tt h eg r o u n d ，p o t e n t i a le n e r g yi s b a s i c a l l y t r a n s f o r m e da sk i n e t i ce n e r g y w h e nt h eh a m m e rh i t st h eg r o u n d ，m o s to ft h ek i n e t i c e n e r g yl e a d st os o i lv i b r a t i o n , w h i c hi sb r o a d c a s t e di nt h ef o r mo fp - w a v e ，s - w a v e a n dr - w a v e g r o u n dv i b r a t i o ni sw e a k e n e da sf a ra w a yf r o mt h et a m p i n gp o i n t w h e n f a ra w a yt oac e r t a i nd i s t a n c e ，g r o u n dv i b r a t i o nh a sb e e nt o ow e a kt oi m p a c tt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t t h ec o n s t r u c t i o nv i b r a t i o no fd y n a m i cc o m p a c t i o nh a ss e r i o u si n f l u e n c eo nt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t , w h i c hc o n f i n e s t h e u s i n go fd y n a m i cc o m p a c t i o n t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et og e tt h eg e n e r a ll a w o fg r o u n dv i b r a t i o na t t e n u a t i n gw i t l ld i s t a n c ea n dq u a n t i f ym i n i m u ms a f ed i s t a n c e f r o mt h ec o n s t r u c t i o nv i b r a t i o no fd y n a m i cc o m p a c t i o n ，w h i c hw i l lp r o v i d et h eh e l p f o rf u t u r ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns c h e m eo fd y n a m i cc o m p a c t i o n t h r o u g hr e l a t e dd a t af r o mf i e l dt r i a l s ，t h ei m p a c to f v a r i o u sf a c t o r si sa n a l y z e di n t h i sp a p e r , a n dt h eg e n e r a ll a wo fd y n a m i cc o m p a c t i o nv i b r a t i o na t t e n u a t i n gw i t l l d i s t a n c ei ss u m m a r i z e d f a s tl a g r a n g i a nf m i t ed i f f e r e n c ep r o g r a mf l a c3 di s a d o p t e dt ot a k et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh i g hs i m u l a t i o no fg r o u n dv i b r a t i o n a t t e n u a t i n g 、析t l ld i s t a n c e t h er e s u l ti sc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e dw i t hf i e l dt r i a l s t o v e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ， d o u b l ec o n t r o lp a r a m e t e rq u a n t i t a t i v em o d e li se s t a b l i s h e dt os o l v et h em i n i m u ms a f e d i s t a n c ef r o mt h ec o n s t r u c t i o nv i b r a t i o no fd y n a m i cc o m p a c t i o n ，a n dt h er e s u l ti s l i l 强夯振动能量随距离衰减规律研究 c o m p a r a t i v e l ya n a l y z e dw i t h f i e l dt r i a l s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rf i l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y s i so ft h ed a t af r o mf i e l dt r i a l s ，t h ei m p a c to fv a r i o u sf a c t o r s ， i n c l u d i n gt h et h i c k n e s so ff i l l e ds o i l ，t h et i m eo fc o m p a c t i o n , t h ed r o pd i s t a n c eo f h a m m e r , t h ew e i g h to fh a m m e r , a n dt h es e to fi s o l a t i o nt r e n c h , i so b t a i n e df o r b r o a d c a s t i n gv i b r a t i o no fd y n a m i cc o m p a c t i o n d y n a m i cc o m p a c t i o nv i b r a t i o ne n e r g y a t t e n u a t i o nw i t hd i s t a n c ei nt h ef o r mo fan e g a t i v ep o w e rf u n c t i o ni ss u m m a r i z e d ( 2 ) p r e p a r e dw i t ho w nc o m p i l e di n t e r f a c ep r o g r a m , t h et h r e e - d i m e n s i o n a l t o p o g r a p h ym o d e lr e f l e c t i n ga c t u a ll o c a t i o ni se s t a b l i s h e di nf l a c3 d 、 ，i t l ls u r f u r s o f t w a r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a mo fd y n a m i c c o m p a c t i o nv i b r a t i o n i s c o m p i l e d ，t h el a wo fd y n a m i cc o m p a c t i o nv i b r a t i o na t t e n u a t i o nw i t hd i s t a n c e ， o b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc o i n c i d e d 、 ，i t l lt h er e s u l to ff i e l dt r i a l s ( 3 ) b a s e do nd i m e n s i o n a la n a l y t i cm e t h o d ，v i b r a t i o nv e l o c i t ya n dv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o nd o u b l ec o n t r o lp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nm o d e lo fd y n a m i cc o m p a c t i o n v i b r a t i o na t t e n u a t i o n 、 r i t l ld i s t a n c ei se s t a b l i s h e d t h ev a l i d i t yo ft h ec a l c u l a t i o n m o d e li sv e r i f i e dt h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h er e s u l tf r o mc a l c u l a t i o na n df i e l d t r i a l s r e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rw i l lf u r t h e re n r i c ht h et h e o r yo fd y n a m i c c o m p a c t i o n ，a n dp r o v i d et h eb a s i st ow e a k e nt h ei m p a c to fc o n s t r u c t i o nv i b r a t i o nt o t h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，m e a n w h i l e ，i tw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u t u r e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns c h e m eo fd y n a m i cc o m p a c t i o n k e y w o r d s ：d y n a m i cc o m p a c t i o nv i b r a t i o n ；e n e r g ya t t e n u a t i o n ；s a f ed i s t a n c e ；f i n i t e d i f f c r c n c e ；d o u b l ec o n t r o lp a r a m e t e r i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓渣焉 日期：如阳年丁月矽日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印 学位论文作者签名：寻硷嚼 日期：硇夕年明矽日 中山大学硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 强夯法也称动力固结法，是由法国工程师梅那( l m e n a r d ) 于1 9 6 9 年首创 的一种地基加固方法i i 】 2 1 。该法借助夯锤自由下落的强大冲击能和所产生的冲击 波反复夯压地基土，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，使地基土得以加固处理以满足上部建筑物的要求。 我国于1 9 7 5 年开始引进强夯技术，并于同年底在天津率先试用。由于强夯 技术具有效果显著、经济易行、设备简单、施工便捷、节省材料、施工周期短、 适用范围广等优点，在我国得到迅速推广和应用。据不完全统计，“八五一、“九 五、“十五期间，全国重大工程项目地基处理中采用强夯技术的有文献记载的 就达1 5 0 0 万平方米以上。强夯法经过了三十多年的发展，己经在工业与民用建 筑、仓库、油罐、贮仓、水利、港航、公路、铁路、飞机场跑道及码头等多种场 地的地基处理中得到了广泛应用【3 11 4 。 强夯施工时，施工机械把夯锤提升到一定高度然后让其自然下落，夯锤在接 触地面以前的瞬间，其势能基本上都转化为动能，重锤夯击地面时，动能的一部 分以声波形式向四周传播，一部分由于夯锤和土的摩擦而转化成热能，剩下的绝 大部分的动能将使土体产生振动，这种振动以压缩波( p 波) 、剪切波( s 波) 和 瑞利波( r 波) 等形式联合传递，其中压缩波占振动能量的7 ，剪切波为2 6 ， 瑞利波所占的比例最大为6 7 【5 l 【6 】阴。瑞利波是一种表面波，由于瑞利波积聚的 能量较大，且沿自由表面传播，其传播的距离也较大，是强夯施工对周边环境产 生振动影响的主要因素【8 】【9 1 。 强夯产生的振动当超过一定限度时，就对周围环境产生不利影响，特别是在 大、中城市等建筑物和地下设施密集地区进行施工时，强烈的地面振动不但会影 响临近精密仪器、仪表等对振动有特殊要求的设备的正常运作及精加工，还会干 扰周围居民和有关人员的j 下常工作和生活，严重时，甚至危及周围建筑物以及地 下设施( 管线) 的稳定和安全i l o l 【i l 】。强夯法施工振动引起的环境公害问题己经 引起工程界和有关部门的关注和重视，在建筑结构和地下设施密集的城市中心区 强夯振动能量随距离衰减规律研究 进行强夯施工活动时，施工振动对周围环境的影响已成为影响该工程能否获得有 关部门批准和施工过程能否顺利进行的关键因素。同时由于强夯施工干扰附近居 民正常生活所引发的民事纠纷也屡见不鲜。 因此，分析强夯施工振动能量沿距离的衰减过程并总结其规律，以及准确界 定强夯施工振动的安全距离成为强夯设计施工中亟待解决的问题。本论文结合试 验研究，分析强夯施工引起的振动波在土体介质中传播的能量大小及衰减规律， 确定在具体的施工条件下的施工最小安全距离，进行了强夯施工振动随距离衰减 过程的数值模拟仿真分析，并建立了求解强夯施工最小安全距离的量化模型。本 论文可为今后的强夯设计施工提供依据，在不能更改强夯施工方案的情况下，可 采取相应的减振和隔振措施，使施工造成的不利影响降至最低，具有重要的理论 和实践意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 强夯振动的试验及监测 p w m a y n e 等( 1 9 8 3 年、1 9 8 4 年) 通过收集近1 2 0 个强夯施工场地的实测数 据来分析强夯的动力响应，获得了夯坑深度、地表振动、加固深度与单击夯击能 的相互关系等统计规律1 1 2 1 1 3 】。 孙进忠等( 2 0 0 0 年) 利用强夯振动监测资料，通过频域分析，求得场地介 质作用谱和强夯激励谱，进一步得到介质作用函数和强夯激励函数，从而可以根 据强夯监测资料研究场地岩土介质的性剧1 4 1 。 夏瑞良等( 2 0 0 1 年) 和谭捍华等( 2 0 0 1 年) 通过现场试验研究表明，强夯 引起的地面振动的振幅值随着水平距离增大按负幂函数曲线的形式急剧衰减【”l 1 6 l ，雷学文等( 2 0 0 2 年) 、何少林等( 2 0 0 4 年) 、程祖锋等( 2 0 0 4 年) 、水伟厚 等( 2 0 0 6 年) 通过试验研究得到了相同的衰减规律【7 1 1 8 】1 1 9 l 【2 0 1 。 李建华等( 2 0 0 2 年) 和刘国振等( 2 0 0 3 年) 研究表明重锤触地激发地震波 的振动频率在7 - 3 0 h z ，主频在1 5 2 0 h z 范围内，主频高于一般建筑物的固有 频率。并建议采用减小夯击能增加夯击次数的方法达到减振目的f 2 l 】 2 2 】。 李福民等( 2 0 0 2 年) 通过试验得到了强夯的最小安全距离，采用移动夯点 ( 震源) 的方法，得到不同距离下的振动参数；水平加速度和垂直加速度与距离 2 中山大学硕士学位论文 的关系以及隔振沟在强夯施工中的隔振效果。结果表明：采用隔振沟对防止振动 的传播具有很好的效果。本工程中无隔振沟时安全距离为1 8 2 m ，有隔振沟时安 全距离缩小为1 2 0 m ，减少了3 5 【2 3 1 。 j h w a n g 等( 2 0 0 6 年) 指出强夯引起的振动中，竖向振动持续时间比径向 振动短，竖向振动主频在1 0 - 2 0 h z ，而径向振动有两个主频，分别为3 一4 i - i z 和1 3 - - 1 4 h z ，强夯能级越高，振动幅值越大，但衰减速率越快【2 4 1 。 沈军明等( 2 0 0 6 年) 对强夯施工进行了监测。监测采用固定监测点、移动 夯点的方式，使用d g s 2 1 0 0 型多功能力平衡拾振器。信号采集处理采用c e 2 9 2 0 1 型高精度岩土工程检测仪。这套设备可以测量某点3 个方向的振动速度分量，并 保证3 个方向同步记录，便于求出任一时刻合速度。根据现场情况，共对有无 隔振沟的8 2 点6 3 5 种情况进行了测试。隔振沟尺寸( 长x 宽深) 为3 0 m x 2 0 m x 2 5 m 。考虑建筑物的重要性，工程用合速度值小于1 c r r d s 作为安全距离控制标 准【2 5 l 。 杨龙才等( 2 0 0 7 年) 以半无限弹性体理论为基础，考察了瑞利波的径向振 动量和竖向振动量沿地基深度的衰减特性，认为竖向振动量是引发环境安全的主 要因素；通过现场实测，研究了强夯引起的自由场地地面振动加速度及振动速度 随距离的衰减规律，并对隔振沟的隔振效果进行了测试研究。试验平面布置图如 图1 1 所示。实测结果表明，要满足场地竖向振动加速度a 0 1 9 ，则要求夯点离 开周边建筑物的最小距离为1 3 m 2 6 1 。 测线z 个 u - 1 ci c 夸- 2 一 l ci g 争3 一 5 防振沟 c 2 4 4 g 撕 厂、om 图1 1 强夯影响测试平面布置图0 2 6 1 3 强夯振动能量随距离衰减规律研究 滕忻利( 2 0 0 8 年) 对国内强夯振动对建筑物影响的监测结果进行了总结， 列表1 1 如下。此外基于呼和浩特绕城高速公路现场强夯监测试验数据得出：垂 向地面运动峰值随振源距的衰减较快，而水平向的地面运动峰值则随振源距的衰 减较慢。强夯引起的地表振动加速度及速度随着振源距的增加而衰减，衰减规律 符合【2 7 】： y = y o + a i p ( 1 - 1 ) 表1 - 1国内强夯振动对建筑物影响的监测结果鲫 单锤夯击能受震物附近地面距离 工程名称受震建( 构) 筑物及其状况 ( k n 1 1 1 ) 振动速度( c m s ) ( 1 1 1 ) 山两省档案馆 1 1 5 1 5o 9 58 o 建筑无问题，六层顶部掉灰皮一片 太原电解铜厂7 7 42 5 三层建筑原有裂缝朱扩展 影剧院 1 1 5 5 1 2 3 41 8建筑内横墙上有新裂缝产生 太原建材公司 住宅楼 1 1 5 1 06 5 37 8 四层建筑无问题 2 8 77 o 一层建筑无问题 铁三局宿舍 1 0 0 9 5 4 09 0简易房犀无问题 1 01 5 0 小麦砖筒仓无问题 太原粉二厂1 1 5 1 4 0 4 32 5 o 五层建筑无问题 山话化轻公司 1 3 5 平房无问题 供应站 1 1 5 1 3 5 2 3 2 3 0 煤气管道( 埋于地下2 m 深) 无问题 1 2 2 强夯振动的数值分析 p w m a y n e 等( 1 9 8 3 年、1 9 8 4 年) 通过动量守恒定律推导了夯锤地面最大接触 应力的表达式，为以后的强夯数值模拟中锤土应力输入方式提供了参考【汜】【1 3 】。 钱家欢等( 1 9 8 7 年) 借助c r u s e 和r i z z o 所获得的经过拉氏变换后的弹性体积 分方程的基本解，用加权余量法导出了弹性振动问题的边界积分方程，并将其应 用于边界元分析强夯问题脚j 。 吴铭炳等( 1 9 8 9 年) 、李本平( 1 9 9 3 年) 、朱继永等( 2 0 0 1 年) 从d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性模型着手，编制了瞬态动力弹塑性有限元程序，模拟强夯过程中地基土的 动应力、变形以及振动加速度、速度随时问的变化过程1 2 9 l 【3 0 1 1 3 1 】。 孔令伟等( 1 9 9 8 年、1 9 9 9 年) 对强夯时地基土体的应力场分布进行了数值分 析，采用夯锤的刚体运动方程和成层地基的传递矩阵法，推导了强夯的边界接触 4 中山大学硕：t ：学位论文 应力在变换域中的解析式，通过拉普拉斯反变换确定了接触应力时间【3 2 】【3 3 1 。 蒋鹏等( 1 9 9 9 年) 引入离散元法，采用一定级配条件下的平面圆盘模型，模拟 了夯击作用下松散块石的变形过程，模拟结果反映了夯击能量在地基土中的传播 特征0 4 1 。蒋鹏等( 2 0 0 0 年) 采用动力接触有限元法分析了夯锤对地基的冲击碰撞过 程。模型考虑了大变形效应与夯锤自重，能够模拟夯锤与地基表面多次接触分离 的过程【3 5 1 。 宋修广等( 1 9 9 9 年) 在动态形函数的基础上，编制了动态有限单元法计算程 序，提出了强夯动力计算的动态有限单元法，该方法克服了以往一般有限元法计 算强夯动力问题时无法考虑地基自振频率影响的不足【蚓。宋修广等( 2 0 0 3 年、2 0 0 4 年) 对强夯作用时间内土体位移及接触应力的变化进行了模拟，同时考虑流固动 力耦合和接触耦合，使力学模型更为符合实际情况，但采用的单位脉冲法计算接 触应力只适合线弹性计算模型1 3 7 11 3 8 1 。 童小东等( 2 0 0 0 年) 编制了三维有限元程序对强夯加固地基效果进行动力计 算，动力接触问题采用单位脉冲荷载法来解决。得到了强夯在三维空间内的土体 动力响应【3 9 1 。 j l p a n 等( 2 0 0 2 年) 建立了轴对称弹塑性有限元模型，其中对锤土问作用采 取两种形式模拟：一种是用夯锤底面接触力的特征曲线得到“力时间 关系作 为荷载输入；另一种是将锤土作用视为冲击碰撞问题i 删。 q g u 和f h l e e ( 2 0 0 2 年、2 0 0 4 年) 利用二维有限元模型分析了强夯的加固机 理。采用弹塑性本构模型来模拟土体的受力特性，较好地模拟了应力波的衰减和 土体的加固的范卧4 1 l 【4 2 1 。 谢能刚等( 2 0 0 3 年) 针对强夯法加固地基中存在的几何非线性情况，在应变、 位移上采用大变形假设，建立基于有限单元法的土体非线性动力平衡方程，给出 非线性方程的迭代计算格式，得到了土体动态响应的一般规律【4 3 l 。 高广运等( 2 0 0 4 年) 对强夯作用过程采用弹塑性大变形动力有限元方法进行 模拟，可较好的反应材料卸荷后变形累积的特性，并在夯坑形状的模拟上得到比 较好的效果m 。 牛志荣等( 2 0 0 5 年) 将强夯考虑为冲击荷载问题，建立了土体动力压密有限 元方程及数值计算方法，并对土体位移的影响范围进行了探讨，认为影响范围为 强夯振动能量随距离衰减规律研究 一椭球体，径向影响范围距夯击点约2 d ( d 为夯锤直径) 【4 5 1 。 蔡袁强等( 2 0 0 5 年) 采用几何非线性有限元法分析了强夯加固机理。在强夯计 算模型中引入p 波阻尼和s 波阻尼的概念来模拟土体的阻尼特性，运用改进人工边 界法来模拟波在边界上的传播湖。 党峰( 2 0 0 7 年) 基于l s d y n a 3 d 软件，采用弹塑性本构关系，建立了三 维实体模型，针对强夯加固中存在的几何非线性，引入了非线性理论，分析了黄 土地基的强夯加固机理和强夯过程中土体塑性区的开展情况，采用0 1 9 作为加 速度容许振动限值，得到强夯施工的安全距离略小于2 0 m 1 4 7 1 。 赵牧晨等( 2 0 0 7 年) 采用应力波理论，将建立的层状复合岩体本构模型嵌 入l s d y n a 程序框架，对岩体受爆炸波的作用和冲击荷载下的破坏过程进行了 数值模拟，结果表明：层状岩体在受到爆炸或冲击作用，由于有效应力和切应力 达到屈服极限，所以在冲击体的附近岩体会由此而达到屈服极限，并且在界面两 侧的比应变能远低于应力波发生折射前的比应变能【4 引。 郝华庚( 2 0 0 8 年) 采用拉格朗日元法，建立了用于分析高能级强夯问题的 有限差分模型，并建立了用于分析强夯的环境振动问题的数值模型，并对高能级 强夯振动幅值和频谱特征进行了剖析。研究结果表明以加速度峰值大于o 1 9 作为 强夯振动的环境影响评价标准，竖向加速度的幅值大于0 1 9 的距离为3 0 - - 3 3 m ， 而对于径向加速度，这一距离为4 0 - , 4 3 m 1 4 9 1 。 1 2 3 强夯振动的理论分析 有关土中波的传播及衰减规律的研究最早是从h l a m b e 的经典论文开始的， 此后有关这方面的文献资料陆续发表。l a m b ( 1 9 0 4 年) 研究了单一扰力作用下 半无限弹性空间表面的振动问题，给出了“来自振源点的扰动以对称的环行波体 系的形式相外扩散 的结论和点振源激发的波的传播和衰减规律【5 0 l 。 g b o m i t z ( 1 9 3 1 年) 提出了考虑几何阻尼和材料阻尼效应并结合土的实测参 数( 土的能量吸收系数或衰减系数) 的适用计算方法计算地面振动衰减，即b o m i m 公式i s l l ： ，。_ 。_ _ _ - _ - - 。- - _ - _ - 。_ 。- 。- - 。i _ - - 一 a ，= a 。把- e x p - f l ( r 一，o ) 】 ( 1 2 ) 式中，a 广距点振源r 处瑞利波竖向振幅；氐距点振源r o 处瑞利波竖向振 6 中山火学硕1 ：学位论文 幅( 一般为已知) ；b 一土的能量吸收系数。 r 振动的传播及衰减不仅与土性有关，而且还与振源频率、振源特征、振动能 量、体波效应( 尤其是近场) 等因素有关，实践中难以适用。 l e o n a n d s ( 1 9 8 0 年) 认为强夯法加固作用机理分为三种，即加密作用、固 结作用与预加变形作用【5 2 】。m i t c h e l l ( 1 9 8 1 年) 根据不同土质分别分析了强夯作 用，认为强夯非饱和土时，与击实试验相似，当强夯饱和细粒土时，则取决于土 体结构，当用于饱和粗粒土时，过程与爆破或振动密实相似【5 3 】。 p w m a y n e 等( 1 9 8 3 年) 从动量定理出发，探讨了强夯作用的最大接触应力 和作用时间的关系，并给出了夯击点下最大动应力表达式【1 2 1 。 杨先健( 1 9 9 2 年) 采用近似关系，把动力面源引起的地面振动的传播表示 成波源的距离r 、波源面积f 、几何衰减系数o 、土壤衰减系数a o 的函数 5 4 1 ： a ，= a o ( 1 3 ) 式中，r 距动力面源中心的距离；吣一距动力面源中心处地面的振幅；f o 一波源扰动频率；a 广波源振幅；o _ 与波源面积有关的几何衰减系数；a o r 土的衰减系数；r o 一波源半径。 吴绵拔( 1 9 9 2 年) 采用质点振动速度对建筑物振动安全进行评价，并提出 计算公式。土体质点的振动速度与距夯点的距离( r ) 有一定的关系，如下式5 5 】： v = z 似) = k i r - ( 1 - 4 ) 式中，v 一土体质点振动速度( m a ) ；l 卜测点离夯击点( 几何中心) 的距 离( m ) ；k 。一常数( m s 2 ) ；q 一衰减系数。 y k c h o w 等( 1 9 9 2 年) 利用一维波动方程来模拟锤土问相互作用，方法中考 虑了锤土的碰撞接触，应力波的传播和阻尼效应，得出了应力波的竖向传播特性， 但没有对应力波的径向传播进行探讨【5 6 1 。y k c h o w 等( 1 9 9 4 年) 采用相同的方 法研究了夯间距对强夯加固效果的影响f 5 7 】。 r l h u 等( 2 0 0 1 年、2 0 0 5 年) 从微观结构的角度出发，通过对强夯下土体 的土颗粒的大小和形状变化，以及孑l 隙变化等方面对强夯作用机理进行了探讨， 开辟了强夯加固机理研究的新途径【5 8 】【5 9 1 。 郑健恺( 2 0 0 2 年) 推荐采用a a 查摩德公式作为计算振动衰减公式，并对 7 强夯振动能量随距离衰减规律研究 公式中某些系数作了适当修正【删： 彳，= 4 生口竽 ( 1 5 ) 。 上 式中，a 广离振源距离l 处的振幅值；a 广一离振源距离为l o 处的振幅值； 入一波长( 入= 土中横波传播速度频率) ；k 一土壤的能量吸收系数：填土0 0 6 - 0 0 8 ，黄土0 0 4 - 0 0 5 。近距离计算宜用较大值，远距离衰减计算可用较小值。 谢能刚等( 2 0 0 3 年、2 0 0 4 年) 基于碰撞分析理论，在接触应力的求解中， 提出碰撞系数等概念，建立了动力形式的接触条件，采用优化模型基于网络并行 计算技术的复形法对方程进行求解，为强夯加固机理分析提供了新的途径1 4 3 1 i 6 1 赵华新( 2 0 0 6 年) 总结了前人对夯击时作用于土体的冲击荷载、夯锤的作 用时间、夯坑深度、加固体形状以及土体的本构关系等有关强夯的研究成果，基 于应力波理论，将加固体假设为半无限长圆柱体，考虑其侧面摩擦力和自身重力， 采用加载一卸载双线性本构模型，推导出了强夯夯击时土体的波动方程，并采用 特征线法进行求解，得到了在加载、卸载的不同时刻，不同深度处地基土体的应 力、应变和运动速度的理论表达式。研究成果可用于对强夯影响结果的分析 6 2 1 。 1 2 4 强夯振动安全距离的评价标准 目前国内还没有专i - j n 定强夯振动的环境安全允许标准，在具体评价强夯环 境振动影响时，都是参考国内外地震和爆破的相关规程，一般都采用安全振动振 动速度或安全振动加速度值作为评价标准。 根据我国爆破安全规程( g b 6 7 2 2 2 0 0 3 ) ，一般建筑物和构筑物的爆破地 震安全性应满足安全震动速度的要求，主要类型的建( 构) 筑物地面质点的安全 震动速度规定如下：a 土窑洞、土坯房、毛石房屋1 0 c m s ：b 一般砖房、非抗 震的大型砌块建筑物2 3 c m s 6 3 1 。 美国的爆破规程确定的安全振动速度界限值为5 c m s ，即认为当建筑物的振 动速度v 、 5 c m s 时，建筑物是安全的；可见国内的规程较美国的规程要求更加 严格。此外，美国矿业局还推荐了一个建筑物振动加速度评判的建议值，当建筑 物的振动加速度a o 1 9 时，建筑物安全；当建筑物的振动加速度0 1 9 a l g 时，建筑物严重破坏 6 4 】。 美国防爆安全标准同时包括了速度最大值和加速度最大值。标准规定：f 8 中山人学硕l 学位论文 3 h z 时，最大加速度为o 1 9 。e e r i c h a r t 认为，当速度值超过0 5 m s 时，结构产 生破坏的几率相当大，建议采用0 5 m s 作为最大速度值 6 4 1 。 原民主德国以垂直分量峰值质点速度为控制标准，见表1 2 。 表1 2 原民主德国标准嗍 建筑物分类频率范围( h z )垂直分量峰值质点速度( r a m s ) 2 3 02 有历史意义的建筑物 3 1 0 02 - 1 4 2 3 05 木栅式结构 3 肛1 0 05 3 6 2 3 01 0 砖石或混凝土墙结构 3 p 1 0 0l o 7 l 2 ，3 03 0 钢结构、钢筋混凝土结构 3 0 1 0 03 m 艺1 5 瑞士控制标准见表1 3 。 表l - 3 瑞士标准1 6 5 i 建筑物分类频率范同( h z )峰值质点速度( r a m s ) l o - 6 0 3 0 钢结构、钢筋混凝十结构 6 m 母o3 0 一_ 4 0 l o 石0 1 8 砖混结构 6 0 - - , 9 01 8 2 5 l m o1 2 砖石结构或木阁楼 6 0 - 9 01 2 1 8 1 m d8 历史性及敏感性建筑 6 口一9 0 8 1 2 原捷克标准，对于波频带在1 0 , - - 5 0 h z 的情况下把建筑物分为三类，其峰值 质点速度的控制值如下：已有破坏征兆的建筑物、条石、空心砖等砌筑不良的建 筑物2 m m s ；一般砖石结构、预制块件结构、框架坡，石砌墙建筑4 m m s ；钢筋 馄凝土建筑l o 舢：l l s l 州。 法国规定人口稠密的市区内建筑物安全振动速度不得超过1 0 m m s 【6 丌。 澳大利亚标准把建筑物分为三类：历史性、纪念性建筑及其它有特殊价值的 建筑物，速度 2 m m s ：低层的居住建筑或商业建筑，速度 1 0 m m s ；钢筋混凝土 建筑或钢结构的工业或商业建筑，速度 2 5 m m s 丌。 我国砖石结构地震破坏烈度表( 表1 4 ) ，根据建筑结构地震破坏程度制定了 相应的烈度工程标准，在评价强夯影响效果之时常常将它作为参考标准。 9 强夯振动能量随踊离衰减规律研究 表l - 4 砖石结构地震破坏烈度工程标准表i t a l 建筑物破坏程度烈度工程标准( e r a s ) ( 1 ) 抹灰中有细裂缝，掉白灰，原有裂缝有发展，掉小块抹灰。0 7 5 1 5 ( 2 ) 抹灰中有裂缝，抹灰或成块掉落，墙面有裂缝。1 5 6 0 ( 3 ) 抹灰中有裂缝并破坏，墙面裂缝较多，墙间联系破坏。 8 2 5 ( 4 ) 墙面人裂，抹灰人鼙破坏2 5 3 7 前苏联c b 麦德维捷提夫基于爆破烈度和振动特征的对应关系，提出了相应 的地面振动速度值，对强夯振动的评价有一定的指导意义。 表1 - 5c b 麦德维捷夫提出的爆破烈度利碉 烈度振动的特征地面振动速度( c m s ) 1只有仪器才能记录到 0 2 2 在静i ：状态下有时感剑振动o 2 旬4 3 有些人感受到振动 0 4 - 0 8 4 许多人注意到振动窗户玻璃发出响声 o 8 1 5 5 粉刷的灰粉散落快倒塌的房屋遭破坏 1 5 3 o 6 抹灰层有小裂缝；歪斜的房屋破坏3 0 - 6 0 7 处于良好状态的房屋破坏如抹灰开裂 6 o 1 2 o 8 房屋严重破坏砖墙开裂烟囱大裂 l2 o 一2 4 o 任书考( 1 9 8 6 ) 认为，考虑到机械类型的振动作用时间较长，以此类型的振 动标准作为判据，结果会更安全，因此，以机械类型的振动标准作为控制标准， 动力机器基础设计规范编说明中规定：对松散粘土，a - i i 双0 1 9 ，对粘土， 0 2 9 。太原工业大学根据对十多项工程的振动监测认为当被影响物附近地 面速度峰值达到6 - 7 c m s 时，建筑物仍完好，仅在地面速度峰值达到1 2 3 4 c m s 时，建筑物才出现裂缝，因此，采用地面速度5 0 8 c m s 作为对一般建筑物的界 限是安全的【6 9 1 。 陈友文( 1 9 9 2 年) 通过强夯试验，测定了振动衰减速度，结合我国地震烈 度宏观概念取值法( 中国地震烈度表1 9 8 0 年) ，参照国内外相关研究成果。提出 了强夯施工中建筑物安全界限的规定：( 1 ) 对一般建筑物和构筑物的安全距离， l o 中山人学硕士学位论文 取距夯点中心大于l g m ；( 2 ) 对农舍建筑物及一些施- r , l 盎时用建筑物的安全距离， 取距夯点中心大于3 0 m 彻。 方宏利( 1 9 9 5 年) 结合强夯工程实践，研究了强夯施工振动对邻近建筑物 的影响，认为强夯时只要控制地面径向振速小于1 2 c m s 就可以消除强夯施工对 现浇混凝土施工的影响，4 0 0 0 k n m 能量的夯击影响范围大约为7 9 m 1 7 1 1 。 方垒等( 2 0 0 1 年) 通过对某高速公路强夯地基工程的实践，对不同夯击能 下强夯地基处理施工时所产生的地面振动进行了现场监测，通过对这些实测振动 资料的深入分析，认为当强夯所引起的地面振动加速度衰减到o 1 l g 时，对建筑 物几乎没有危害，同时得出当强夯夯击能为1 5 、2 0 、2 5 和3 0 m n m