高能级强夯地基振动传播规律研究

李晓雷，唐龙龙

（1.沧州市黄骅港务局，河北沧州 061100；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

强夯法是加固地基的常用方法之一，具有加固效果显著、适用性广、施工便捷和费用低等优点[1]。强夯时产生的剧烈振动，对周围环境及建（构）筑物有着不可忽视的影响[2]。实践表明强夯时的地面振动会产生衰减。如果能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、施工以及安全评价提供依据，具有重要的理论和实践意义[3-5]。国内外大量学者为此进了不懈努力，并取得了很多成果。笔者结合某强夯试验将这些成果中的各个方法优劣进行了比较分析，在此基础上提出了新的衰减公式，最后探讨了强夯振动衰减的影响因素。

1 工程概况

拟建工程主要包括52 座储油罐、4 座消防水罐区及配套的管线管廊、道路、消防站、事故处理设施及相应的建（构）筑物。拟建场地地貌单元原属于海岸带地貌，为原有海域或养殖池经人工回填整平而成。

为判断置换强夯法在本场地进行地基处理的适宜性；确定处理后的有效加固深度范围内的地基承载力和变形指标；确定夯点间距、夯击遍数、最后两击沉降量平均值和间隔时间等相关参数；确定强夯施工振动、侧向挤压等对周边环境和工程的影响；确定与周边工程的最小安全距离；确定二期工程内的强夯范围进行强夯试验。

2 振动测量方案

本次试验测定两种锤形三种夯击能共计4 个工况的振动参数。

工况2：锤型为平锤，落锤质量40 t，落距15 m，夯击能为6 000 kN·m，锤径2.8 m；

工况3：锤型为柱锤，落锤质量30 t，落距34 m，夯击能为10 000 kN·m，锤直径1.5 m；

工况4：锤型为平锤，落锤质量40 t，落距30 m，夯击能为12 000 kN·m，，锤直径2.8 m。

各工况分别夯击8 次，强夯区距最近建筑物为80 m，以上4 种工况分别距离夯点10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m 处布置径向、切向及垂向布置测点，共计24 个测点。[6]

3 振动测量结果及分析

3.1 测试结果

强夯施工引起的地面振源的振动强度可用夯击能量来衡量，本次测试夯击能量分别为 6 000 kN·m、10 000 kN·m、12 000 kN·m。距离夯点每10 m 进行震动测试，分别记录不同工况下各个测点的振动速度峰值和主频，统计结果见表1。

表1 各工况各测点振动测试统计结果（夯击1 次数据）

从结果可以看出随着夯击能增大峰值振动速度变化不显著，相反，锤型的改变对于峰值振动速度变化影响较明显；柱锤的径向振动峰值振动速度最大，竖向次之，切向最小；平锤的径向峰值振动速度与竖向振动峰值速度较大，切向较小；表明地表振动以径向向前传播为主。

3.2 指数函数拟合

在众多对振动衰减公式的研究中，尤以幂函数最广，其通用函数如下：

式中：

冯飞常务副省长赴省国土资源厅调研（省厅新闻宣传中心 ） ...........................................................................2-4

k 为当量系数；

β 为振动衰减系数；

R 为测点距夯点距离；

V 为振动峰值速度。

试验拟合结果见表2。

表2 各个工况下拟合结果

从拟合结果可以看出，利用幂函数拟合得到的结果中参数β 相对稳定，均在1.32 至2.71 之间，而参数k 离散型较大。各个工况各个方向的拟合结果较好，相关系数大于等于0.9684。

3.3 指数函数拟合

有关研究表明强夯地表振动衰减更符合指数函数的规律，其通用函数如下：

式中：

k 为振动系数，α 为振动衰减系数；

R 为测点距夯点距离；

V 为振动峰值速度。

试验拟合结果见表3。

表3 各个工况下拟合结果

由拟合结果可以看出，利用指数函数拟合得到的结果中参数α 均在0.07 至0.26 之间，有一定的离散型，参数k 离散型较大，这与锤型、振动方向及夯击能有关。而各个工况各个方向的拟合结果与幂函数拟合比较稍差，相关系数大于等于0.8605。

3.4 幂指数函数拟合

然而无论是幂函数还是指数函数，用于描述振动的衰减规律都是不够准确的。因此本文将幂函数与指数函数相结合，得到幂指数函数，其通式如下：

式中：

k、α、β 均为振动衰减系数；

R 为测点距夯点距离；

V 为振动峰值速度。

本次试验拟合结果见表4。

表4 各个工况下拟合结果

由拟合结果可以看出利用指数函数拟合得到的结果中参数α、β 均有一定离散型，参数k 离散型较大，但与其他拟合结果相比拟合效果最好，其相关系数大于等于0.9838。

4 结语

本次试验可以得到以下几点结论，从拟合结果整体来说幂指数函数拟合最好，幂函数拟合其次，指数函数拟合最次，这说明强夯振动在地表衰减过程中是以幂指数函数的形式衰减，其中幂函数衰减为主要衰减形式，指数衰减为次要衰减形式；衰减函数中参数α 作为幂函数衰减的过程中的影响因子，主要与振动的传播介质有关，夯击能、振动方向以及锤型影响稍小，其影响程度中振动方向最强，锤型次之，夯击能影响最弱；参数β 作为指数衰减过程中的影响因子，其主要与传播介质有关，与夯击能、振动方向以及锤型无关；参数k 作为衰减规律的综合影响因子，与各个方面因素均有关，但主要影响因素为传播介质及振动的方向。