码头堆场地基强夯加固对邻近铁路桥振动影响的研究

，， (.湖北工程学院 土木工程学院，湖北 孝感 432000；2.长江勘测规划设计研究院 a.长江岩土工程总公司；b.市政与交通院，武汉 43000)

1 研究背景

强夯法加固地基成本较低,且可大幅度提高地基土的抗液化能力和强度并降低压缩性，故在工程中往往作为地基处理的首选方法[1-2]。基于强夯法加固地基的优势，在码头工程陆域堆场地基处理中经常采取这一方法。然而强夯产生的巨大冲击波会对周围建筑物产生振动影响，有可能会破坏建筑物。尚军雷等[3]分析了振动对邻近建筑物的危害，给出了几种振动源对周围建筑物的影响规律；罗辉才等[4]探讨了强夯振动危害及施工中应采取的相应减振措施，如设置减震沟等；方磊等[5]、安惠泽等[6]研究了强夯对邻近建筑物影响的距离。

武汉港花山码头一期工程陆域“地块2”设计有集装箱重箱堆场，堆场地基承载力特征值要求>160 kPa。由于天然地基承载力不足，采取强夯法对该场地进行地基处理，以满足重箱堆场使用要求。武汉化工新城铁路专用线也从“地块2”中穿过，依据码头陆域用地红线，码头陆域堆场距离铁路专用线只有10 m，见图1。当采取高能级强夯时，强夯产生的巨大冲击波会对铁路桥产生振动影响，甚至有可能会破坏铁路桥，导致铁路专用线停运，造成严重的社会影响和重大经济损失；如果采取低能级强夯，能确保铁路桥安全，但是地基处理效果可能不满足场地使用要求。按照《强夯地基处理技术规程》[7],强夯施工振动对周围建筑物和环境的影响评估和安全施工距离应通过现场试夯振动测试确定。本文结合武汉港花山码头一期陆域堆场强夯试验成果，研究了夯击能量、安全施工距离与邻近建筑物振动特征之间的关系，合理确定了安全施工距离和强夯工艺，以期使得码头陆域地基处理既满足重箱堆场承载力要求，又确保邻近铁路专用线安全。

图1 码头堆场及铁路桥平面布置图Fig.1 Plane layout of wharf yard and railway bridge

2 强夯试验

2.1 地质条件

强夯工程试验区地面高程20～22 m，土石方填筑前主要是农田与鱼塘。地基土层为第四系全新统冲积层①层与更新统冲湖积层⑤-1层、⑤-2层及⑥层。①层以粉质黏土为主，局部夹粉土夹粉砂及含淤泥质粉质黏土;⑤-1层以粉质黏土为主，夹淤泥质粉质黏土透镜体，粉质黏土多呈可塑状，少量软塑状及硬塑状;⑤-2层以硬塑状黏土为主；⑥层为粉质黏土。①层、⑤-1层承载力仅为80～100 kPa，且局部含淤泥粉质黏土透镜体，需要进行地基处理。地基处理区域典型工程地质断面见图2。

注：图中箭头左侧的数字表示标贯击数图2 典型工程地质断面图Fig.2 Typical engineering geological profile

2.2 强夯试验参数

强夯试验区域布置在地块2陆域堆场西南角，试验区域与铁路桥边线最小距离20 m，最远为60 m，宽度20 m，试验区域面积800 m2，试验区域夯点间距为4.5 m，夯击击数以最后两击沉降量≤5 cm为准，然后进行满夯，参考同类工程给出表1击数；点夯与满夯间歇时间≥15 d，满夯锤印搭接1/3，满夯击数为最后一击下沉量<5 cm为准，强夯后检测地基表面承载力。为确保铁路桥安全，夯击过程中夯点与铁路桥的距离由远及近，当强夯检测铁路桥振动超过《建筑工程容许振动标准》(GB 50868—2013)规定时，立即停止试夯。强夯试验工艺参数见表1。参照《建筑工程容许振动标准》(GB 50868—2013)[8]规定,建筑物安全容许振动速度为4 cm/s，振动频率≤10 Hz。

表1 强夯试验工艺参数Table 1 Parameters of dynamic tamping test

2.3 铁路桥结构及测点布置

通过陆域堆场区域的铁路专用线为预应力“∏”型梁高架桥结构，桥面宽9 m，跨距32.5 m，铁路桥平面布置见图1。桥梁结构自下而上依次为Φ120 cm钻孔灌注桩、2.5 m厚钢混凝土承台、钢筋混凝土桥墩、“∏”型梁桥面，桥梁桩长33 m左右，桩尖位于中风化岩，铁路桥设计断面见图3。

图3 化工新城铁路线基础设计断面图Fig.3 Design foundation section of the railway line

为监测铁路桥在强夯作用下的振动影响，在铁路桥○48轴桥墩布置传感器A，在○48 轴与○49轴之间桥面布置传感器B，分别监测铁路桥桥墩及桥面的振动速度最大值及主频，测试仪器采用中科测控TC-4850测振仪，速度监测采样率为1 ms，采样长度为8 kb。测试方向为水平向(垂直于铁路桥方向)和竖直方向2个方向，监测测点布置见图1、图3。

3 试验成果分析

3.1 夯击数对铁路桥振动影响分析

按照表1强夯工艺参数，对不同夯能、不同间距作用下铁路桥的振动速度、频率进行统计分析。绘制3 000 kN·m和4 500 kN·m两个级别的夯能位于铁路桥30 m处夯击数与铁路桥桥面的振动速度之间的关系曲线，见图4。

图4 夯击数与铁路桥振动速度关系曲线Fig.4 Relationship between tamping number and vibration velocity of railway bridge

从图4可知：强夯前2击的振动影响较小，随后影响逐渐增加，第5击影响最大;超过5击后，强夯影响基本稳定。分析其原因是强夯原始场地土质松散，为非弹性土层，前2击夯锤直接进入土体，消耗较多的夯击能量，土体沉降量较大，因此，强夯作用不足以引起土体明显振动。通过前5击夯击后，土体沉降减小，夯击能量消耗减小，夯击处土体变得密实，地层的强度增加，土体形成良好的弹性层，夯实后的土层为强夯引起的振动提供良好的震源传播条件。随着夯击数增加，土体基本不再沉降，强夯振动影响基本稳定。因此，强夯振动影响监测中，应密切关注第5击以后的振动值，可以取最后5击的观测成果作为振动影响分析值。

3.2 夯能、夯击距离与铁路桥振动影响分析

通过第3.1节的分析可以得出，在满足地基承载力标准的夯击数内，同一夯能振动影响研究值取最后5击振动速度或振动主频的平均值(当强夯击数<5击，但实测振动值大于控制标准时停击夯击，取实际击数振动速度或振动主频的平均值)。对强夯试验中3 000,4 500,6 000 kN·m三个夯能对应不同安全距离条件下的铁路桥桥墩振动特征值(最后5击平均振动速度和频率)进行统计,见表2，绘制铁路桥桥面不同夯能条件下振动速度、频率关系曲线见图5。

表2 不同夯能对应铁路桥桥墩振动影响监测成果Table 2 Monitored vibration of railway bridge piercorresponding to varying tamping energy

图5 夯击距离对铁路桥桥面振动影响关系Fig.5 Influence of tamping distance on the vibration of railway bridge deck

从表2可以看出：采取3 000 kN·m夯能时，最后2击地基沉降<5 cm的锤击数是12～16击，对20 m以外的铁路桥振动影响较小，强夯引起邻近建筑物振动速度和频率均满足《建筑工程容许振动标准》要求。采取4 500 kN·m夯能时，最后2击地基沉降<5 cm的锤击数是9～13击，对铁路桥的安全距离是30 m，当强夯安全距离只有20 m时，强夯引起邻近建筑物振动速度和频率均不满足《建筑工程容许振动标准》要求。采取6 000 kN·m夯能时，最后2击地基沉降<5 cm的锤击数是6～8击，对铁路桥的安全距离是40 m，当强夯安全距离位于30 m以内时，强夯引起邻近建筑物振动速度和频率均不满足《建筑工程容许振动标准》要求。

从图5可以看出：采取6 000 kN·m夯能时，强夯引起桥面振动速度在40 m以外<4 cm/s，这一监测情况与桥墩基本一致；夯击点40 m以外的建筑物振动速度衰减较快。采取6 000 kN·m夯能时强夯引起振动速度的衰减规律为

y=0.002 1x2- 0.229 7x+9.509 7 。

(1)

式中x为离夯击点的距离。振动速度与距离的拟合系数R2=0.996。

3.3 强夯地基承载力检测

参照《强夯地基处理技术规程》，强夯地基承载力检测采取重型动力触探(N63.5)，试验利用XY-100型钻机，将一个钢制的锥型探头(锥角60°)连接钻杆(钻杆直径42 mm)，用一质量为63.5 kg的重锤，提升高度76 cm，将探头击入检测土层之中，记录每击入10 cm的锤击数。试验完成后对锤击数进行杆长校正，根据校正后的锤击数，采用式(2)计算地基承载力特征值R(kPa)。

R=35.96n+23.8 。

(2)

式中n为重型触探锤击数。

试验中，分别对3 000,4 500,6 000 kN·m不同夯能下强夯后的地基承载力检测统计见表3。

从表3可以看出，3 000，4 500，6 000 kN·m不同强夯锤能作用下，地基处理有效深度分别为4，6，10 m(以满足地基承载力特征值>160 kPa衡量标准)，强夯的有效处理深度除了与夯能大小有关外，与相应地质条件、土壤含水量也有关系。本工程强夯试验地基承载力检测值与对应地基处理深度成果可为合理确定强夯工艺提供参考。

3.4 确定强夯工艺

本工程强夯试验的主要目的是依据码头陆域堆场使用条件确定合理的铁路桥安全距离和强夯工艺。强夯试验表明，采取3 000 kN·m夯能时，陆域的安全距离是20 m，陆域可利用面积最大，但是单点强夯的夯击为12～16击，低能强夯处理地基的有效深度不足4 m，这一强夯工艺成本太高，地基处理深度偏小。当采取4 500 kN·m夯能时，陆域安全距离是30 m，陆域可利用面积偏小，单点强夯的夯击数为9～13击，地基处理有效深度约6 m。当采取6 000 kN·m夯能时，陆域的安全距离为40 m,锤击数为6～8击，地基的有效深度可以达到10 m。虽然陆域可利用面积最小，但是这一强夯工艺夯击数小，夯击成本低，施工速度快，地基处理深度大，地基处理满足使用要求,成为强夯工艺的首选。

结合码头工程陆域堆场功能分区和铁路桥布置，将陆域用地红线与铁路桥边线之间设置10 m绿化带、红线范围内设置20 m场内道路并预留10 m强夯缓冲带(地基承载力要求120 kPa，不堆放集装箱重箱)，确定强夯控制边线与铁路桥的安全距离为40 m，采取6 000 kN·m夯能。

4 结 论

(1)采用强夯法对地基进行处理时，应充分考虑强夯振动对邻近既有建构筑物的影响，强夯施工前必须选取有代表性的区域进行强夯试验，通过强夯试验合理确定强夯安全距离和工艺参数。

(2)松散地基强夯前2击的振动速度较小，当强夯击数>5击时，振动速度趋于收敛，以粉质黏土为主的地基采取4 500 kN·m夯能时，30 m处建筑物的振动速度约3.783 cm/s，满足建筑物振动安全容许值。

(3)以粉质黏土为主的地基，强夯采取6 000 kN·m夯能时，其安全距离为40 m，陆域可利用面积最小，但是单点强夯的夯击数<8击，高能强夯处理地基的有效深度可以达到10 m，这一强夯工艺夯击数小，夯击成本低，施工速度快，地基处理深度大，地基处理满足使用要求。

(4)强夯采取6 000 kN·m夯能时，强夯引起建筑物振动速度的衰减规律满足二次函数,即y=0.002 1x2-0.229 7x+9.509 7，拟合系数R2=0.996。

参考文献：

[1] 杭的平，韩云山.强夯振动影响的研究[J]. 四川建筑，2014，34(1)：71-72.

[2] 郑俊杰．地基处理技术[M]．2版.武汉：华中科技大学出版社,2009.

[3] 尚军雷，徐 风，王韶光．施工振动对邻近建筑的危害[J]．防灾技术高等专科学校学报，2006，8(2)：82-85.

[4] 罗辉才，王喜迁．强夯振动测试及隔振沟减振效果实例分析[J]．云南地质，2011，30(4)：471-475.

[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] 安惠泽，许兆义，冯瑞玲．某站场地基强夯振动影响范围研究[J]．北京交通大学学报，2010，34(2)：50-52.

[7] CECS 279—2010，强夯地基处理技术规程[S]．北京：中国计划出版社，20l0.

[8] GB 50868—2013，建筑工程容许振动标准[S]. 北京：中国计划出版社，2013.