强夯作用下回填边坡动力响应试验研究

柯 松，陈海军，佘义邦，钱 彬，王巍豪

（南京水利科学研究院 岩土工程研究所，江苏 南京 210029）

0 引言

强夯法是一种常用的地基处理技术，利用夯锤自由下落后的动能在土体中产生较大的冲击波和较高的动应力以提高土体的密实程度，进而提高地基的承载能力[1]。强夯法因在施工过程中具有施工方法简单、施工周期短、节省造价等优点而被广泛应用，但是强夯引起的土体振动会对周围的建筑物和构筑物产生巨大的安全隐患，因此研究强夯作用下地基土的振动传播规律具有重要意义[2-5]。

目前，国内外学者主要通过试验结合理论分析的方法对强夯作用下土体振动波的传播规律进行研究。谭捍华等[6]通过统计数据发现强夯振动衰减规律符合关于测点与夯点之间距离的负幂函数关系。陈祖峰等[7]进一步研究了加速度、速度随深度的变化规律，并将现场强夯振动影响划分为3个区。蒋维强等[8]研究发现强夯振动效应以垂直方向为主，当强夯振动主频接近周围建筑物时，极容易产生共振现象。Hwang等[9]指出振动幅值及振动衰减速率都与夯击能有关，夯击能越大，其振动的幅值越大，衰减速率越。Qiao等[10]探究了强夯振动传播机理，并提出了吹填土地基强夯振动速度衰减公式。邹超群等[11]分析不同场地在不同夯击能作用下地基土振动衰减规律，并进行了有无隔振沟试验，分析得到不同深度隔振沟对振动速度峰值的影响。龚成明等[12]通过室内试验，探究了强夯激励下黄土边坡动力响应，结果表明径向加速度沿坡面向上逐渐增加，但竖向加速度增加不明显。王百升[13]通过研究不同高度处边坡动力响应，发现边坡临空面存在放大现象。

但上述研究主要集中在由强夯引起的平面振动规律以及振动沿坡面向上传播规律这两个方面，并未对坡顶面强夯振动沿坡面向下传播规律进行研究。随着回填边坡工程增多，本文以长沙某回填边坡工程为依托，通过现场试验对由坡顶强夯引起的振动沿平面及坡面传播规律进行研究，在此基础上对比分析地形差异、有无隔振措施下土体动力响应特征。

1 试验方案

现场试验主要是为了得到强夯作用下回填土体动力响应，从而探究强夯振动沿平面、坡面传播规律，以及边坡对强夯振动的缩放效应，分析有无夯坑情况下土体动力响应的差异性。

1.1 试验场地概况

试验场地位于长沙市雨花区，属于湘江流域高级阶地地貌，地势呈现东高西低的变化趋势。根据现场勘探揭露的地层岩性和埋藏分布情况，地层共分为6层。场地上下起伏较大，故需对场地进行平整，开挖东侧场地土体（主要为粉质黏土、泥质粉砂岩），分层回填至地势较低的西侧场地，对每层回填土均进行碾压压实，场地地层剖面见图1。

图1 场地地层剖面图Fig.1 Stratigraphic section of the field

1.2 试验设备

本次试验采用DH5983便携式动态信号测试系统，其可以实现32通道动应力、动应变或振动信号并行同步测试和分析，传感器采用磁电式速度传感器。试验设备主要性能参数和技术指标如下：1）DH5983通道数32道；2）采样频率1 kHz；3）触发方式为连续触发；4）2D001型传感器可接收频率0.1～100 Hz。

1.3 测线布置

为了采集强夯振动作用下回填边坡的动力响应，以便评价强夯振动对于回填边坡的影响，共布置3条测线。测线1为水平面测线，测线2为坡面测线，测线3为坡顶面有夯坑隔振坡面测线，每条测线上均采用夯锤直径为2.5 m，夯击能为4 000 kN·m进行试验，测线平面布置见图2。

图2 测线平面布置图Fig.2 Layout of the survey line

测线1共布置8个测点，每个测点均设置水平和竖向2个速度传感器，其中测点6与测点7之间的边坡高1.3 m，坡角为45°。测线2共布置4个测点（测点9、测点10、测点11、测点12），测线3布置5个测点（测点13、测点14、测点15、测点16、测点17），每个测点均设置水平和竖向2个速度传感器，具体布置方式见图3。

图3 各测线布置图Fig.3 Layout of each survey line

2 强夯引起的平面振动分析

2.1 速度沿平面传播规律

根据测线1各测点垂直振动速度、水平振动速度绘制出振动速度随与夯点距离变化曲线见图4。从图4中可以看出无论是垂直振动速度还是水平振动速度均随着与夯点距离的增加而减小，这是由于强夯所产生的冲击能在土体里以波的形式传播，而波在向外传播过程中又受到土体物质阻尼和几何阻尼的共同作用导致其能量不断衰减，即表现为振动速度随着与夯点距离的增加而不断减小。在距夯点7 m范围以内，垂直、水平振动速度衰减较快，在距夯点9 m处两者出现了差异，垂直振动速度持续减小，而水平振动速度出现了一个“台阶”，后续研究表明，这是由于现场填土不均匀所致，同时发现1.3 m边坡对于振动速度起到加速衰减的作用。比较同一测点、同一击数下垂直振动速度与水平振动速度，可以发现水平振动速度要明显大于垂直振动速度。

图4 垂直、水平速度随与夯点距离变化曲线Fig.4 The variation curve of vertical and horizontal velocity with the distance from the tamping point

对第3击、第5击作用下各测点垂直振动速度与夯点距离关系曲线进行拟合。

式中：v为测点最大振动速度（mm∕s）；a为当量系数；r为距夯点距离（m）；b为衰减指数。

第3击拟合结果为v=1 684.3×r-2.09，相关系数R2=0.955。第5击拟合结果为v=2 055.8×r-2.139，相关系数R2=0.944。通过拟合结果可以看出，垂直振动速度按与夯点距离的负幂函数形式衰减。当与夯点中心之间的距离增加到30 m时，由拟合结果可得，第3击时该点垂直振动速度为1.38 mm∕s，第5击时垂直振动速度为1.42 mm∕s，均满足一般建筑物或构筑物的安全允许振动速度标准[14]。

2.2 夯击数对振动速度的影响

图5是距夯点5 m处测点水平振动速度、垂直振动速度与夯击次数关系曲线，由图可见随着夯击次数的增加，水平、垂直速度均逐渐增大，在最后几击中，水平、垂直速度均趋于稳定状态。随着夯击次数的增加，每击所产生的夯击沉降量也不断减小，夯击能消耗于土体挤压致密过程中的能量逐渐减少，这也意味着夯击能越来越多的转化成了使得地基土产生振动的能量，土体振动速度不断增大，同时致使夯击效率不断降低。

图5 振动速度与夯击次数关系曲线Fig.5 Curve of the relationship between vibration velocity and tamping times

3 强夯引起的坡面振动分析

3.1 速度沿坡面向下传播规律

图6给出了坡顶面强夯时，不同击数条件下测线2各测点水平、垂直振动速度。由图6可知，无论是水平还是垂直振动速度均在距夯点最近测点（坡肩）处最大，先快速衰减，再缓慢衰减。水平振动速度在距夯点7 m处较距夯点5 m处衰减了75%以上，垂直振动速度在在距夯点7 m处较5 m处衰减了80%以上。

图6 振动速度沿坡面向下传播衰减曲线Fig.6 The attenuation curve of vibration velocity propagating downward along the slope

比较不同击数下水平振动速度可以发现，在距夯点5 m处坡面水平速度不像平面那样，随着击数的增加而增大，而是先增大后减小，这是由于强夯的夯击能量在土体里主要以体波和面波的形式传播，其中体波占比较大，并且是以半球面向下传播为主。随着夯击次数的增加，夯坑逐渐变深，能量在夯击点处沿半平面向下传播，向上传播的能量很少，因此和初始夯击平面同一高程的坡肩处测点水平振动速度随夯击次数的增加呈现出先增后减的趋势。

比较同一击数下的水平和垂直振动速度可以发现，第1击、第4击的水平振动速度在各测点均大于垂直振动速度，第6击时在距夯点5 m处水平振动速度小于垂直振动速度，水平速度在其他测点均大于垂直速度。这也是前述原因所造成的，而距夯点7 m处测点、9 m处测点、12 m处测点均处于夯坑深度以下，受其影响较小。

3.2 速度沿平面与沿坡面传播比较分析

不同地形条件对强夯振动能量的传播有着较大的影响，因此强夯激励下土体的动力响应也受其影响较大。比较平面（测线1）与坡面（测线2）在第4击作用下各测点水平速度和垂直速度，2条测线的振动速度结果见表1。

由表1可知，测线2中距夯点5 m处的测点水平速度和垂直速度均大于测线1，边坡对于强夯引起的振动速度有很大的影响，测线2坡肩处（距夯点5 m）水平振动速度及垂直振动速度均大于测线1中5 m处测点的速度，其中水平振动速度最为明显。

据表1作出振动速度随距夯点距离关系曲线，见图7。从图7中可以看出水平速度和垂直速度均在坡肩处达到最大值，然后衰减。水平速度从5 m处测点到7 m处测点下降明显，这是由于边坡对振动有缩放效应。当夯点位于坡顶面上时，顺坡而下加速度逐渐变小，在坡肩处也就反映出速度衰减更加明显，边坡临空面对于沿坡面向下的振动有明显的削弱作用，对于水平速度削弱效果大于垂直速度，因此可看出水平速度在5 m到7 m处衰减速率要快于垂直速度，而且坡面上各测点的水平速度均大于垂直速度。

图7 振动速度与距夯点距离关系曲线Fig.7 Curve between vibration velocities and distance from the compaction point

表1 第4击各测点振动速度Tab.1 Vibration velocities of each test point under the fourth stroke

对比两测线，测线2前两测点的衰减速度要快于测线1前两测点的衰减速度，边坡对于坡顶面所引起的振动速度有明显的削弱作用，这种削弱作用要强于平面的削弱作用。通过对比两测线中距夯点5 m的振动速度，边坡对于沿坡面向下传播的振动速度有缩小效果，其中对于水平振动速度的削弱效果要大于垂直振动速度。

3.3 隔振措施对振动速度传播的影响

3.3.1 夯击次数与夯击沉降量的关系

图8给出了单击夯沉量、累计夯沉量与夯击次数关系曲线。从图中可知，随着夯击次数的增加，累计夯沉量逐渐增加，增加的趋势越来越缓，而单击沉降量则越来越小，最后两击夯沉量分别为5 cm、4 cm。

图8 夯击沉降量与夯击次数关系曲线Fig.8 Curve of the relationship between tamping pit settlement and tamping times

3.3.2 隔振措施分析

测线3中测点布置与测线2相似，其中测点13布置在距离夯点5 m处，测点14、测点15、测点16、测点17依次布置在坡肩、坡面以及坡脚处，测点14与夯点中间隔一个直径约为2.5 m、深2 m的夯坑，其中夯坑距夯点5 m，测点13布置在其旁。测线3相当于在距夯点5 m处布置了一个深2 m的隔振空沟，通过测线3可以分析隔振措施对于强夯所引起的边坡动力响应的隔振效果。

图9为不同击数下水平振动速度、垂直振动速度沿各测点传播规律，从图中可知水平振动速度并不是随着测点而减小，而是呈现锯齿形衰减。夯坑后的测点14水平速度衰减明显，在测点14处出现明显的下降，甚至小于测点15的水平速度。测点14水平速度相较于测点1削弱了84.8%、84.4%、85.9%，但由于测点14与测点13之间相隔5 m，不能忽略水平振动速度随距离的衰减，同时坡肩对于水平振动速度有加强的作用，因此2 m深夯坑对于坡肩的水平振动速度有明显的削弱效果。测点15水平速度较测点14更大一些，这是因为强夯能量传播是沿着半平面向下传播的，当振动能量经过夯坑后，对于处于较高位置的坑后坡肩测点所获得的振动能量较少，而与坑底处于同一高程的坡面测点则会获得更多的能量，因此表现出测点15水平振动速度大于测点14。

图9 不同击数下振动速度与测点之间关系Fig.9 Relationship between vibration velocities and measurement points under different strokes

垂直振动速度在各击作用下沿着测点不断衰减，其中测点13处水平振动速度大于垂直振动速度，夯坑后的测点14垂直振动速度大于水平振动速度，水平振动速度在前两测点的衰减速度要快于垂直振动速度，因此夯坑对于水平振动速度的影响更大。

对比在第2击、第4击、第6击作用下测线1、测线2、测线3距夯点5 m处的水平振动速度见表2。从表2中可以看出测线3距夯点5 m处测点的水平振动速度比测线1削弱很多，相较于测线1水平速度在第2击、第3击、第6击作用下分别衰减了58.8%、55.6%、65.4%。由于测线2中测点位于坡肩上，边坡对振动速度有缩小效果，因此测线3相较于测线2距夯点5 m处测点水平速度衰减幅度更加明显。

表2 不同击数下各测线水平振动速度Tab.2 Horizontal vibration velocities of each line under different strokes

4 结论

基于水平和坡面开展强夯作用下回填土动力响应现场试验，分析了强夯振动沿平面及坡面向下的传播规律，并探究了夯坑对强夯振动传播规律的影响，得到以下结论。

1）强夯引起的土体振动速度在平面上沿着径向逐渐衰减，随着夯击次数的增加，振动速度不断增加，增加趋势逐渐减缓，并且垂直振动速度随与夯点距离变化规律符合负幂函数的形式。当与夯点中心之间的距离增加到30 m时，垂直振动速度满足一般建筑物或构筑物的安全允许振动速度标准。

2）边坡相较于平面对于强夯引起的土体动力响应有更明显促进其衰减的“缩小”效应，其中振动速度沿坡面呈现先快后慢的衰减趋势，同时边坡对于水平振动速度的缩小效应强于垂直振动速度。水平振动速度在距夯点7 m处较距夯点5 m处衰减了75%以上，垂直振动速度在在距夯点7 m处较5 m处衰减了80%以上。

3）夯坑形成的隔振措施对于强夯振动传播有一定的影响，其中对水平振动速度影响最大，由于强夯能量主要沿着半球面向下传播，致部分坡面水平振动速度大于坡肩点水平振动速度。