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吹填砂場地強夯振動特性研究及安全評估

文檔作者：張朋輝韓賽超張小東葛曉菲文檔來源： 1．北京振沖工程股份有限公司 2．北京勘察技術(shù)工程有限公司 3．中國地質(zhì)大學(xué)			點擊數(shù)：
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58 探礦工程(巖土鉆掘工程) 2014年第41卷第8期
吹填砂場地強夯振動特性研究及安全評估
張朋輝 ，韓賽超 ，張小東 ，葛曉菲
(1．北京振沖工程股份有限公司，北京100102；2．北京勘察技術(shù)工程有限公司，北京100192；3．中國地質(zhì)大學(xué)(北
京)，北京100083)
摘要：針對曹妃甸工業(yè)園區(qū)液化天然氣儲罐地基加固過程中所引起的地面振動進行了深入研究，通過對現(xiàn)場強
夯振動觀測記錄進行統(tǒng)計分析、頻域分析以及規(guī)律擬合，給出了吹填砂場地上強夯所引起的地面振動衰減規(guī)律、振
幅(振速)隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律以及強夯振動的主頻變化規(guī)律，并就場地周圍已存的海堤工程和天然氣儲罐工程
進行了振動安全評估，為現(xiàn)場強夯施工參數(shù)的選取提供了理論支撐，同時也彌補了國內(nèi)對于類似場地振動特性研
究不足的局面。
關(guān)鍵詞：強夯；吹填砂；振動；衰減規(guī)律；振幅；夯擊能
中圖分類號：TU472，3 1 文獻標識碼：A 文章編號：1672—7428(2014)08—0058—04
Vibration Characteristics of Dynamic Compaction and Safety Assessment in Hydraulic Fill Site／ZHANG Peng—hui ，
HAN Sai—chao ，ZHANG Xiao—dong ，GE Xiao (1．Beijing Vibroflotation Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100102，Chi—
na；2．Bering Explo—Tech Engineering Co．，Ltd．，Bering 100192，China；3．China University of Geosciences，Beijing
100083，China)
Abstract：The ground vibrationin in LNG storage tank foundation reinforcement of Caofeidian industrial zone is studied．By
the statistical analysis，frequency domain analysis and the law fitting based on dynamic compaction vibration observation re—
cords in the field．the attenuation law of ground vibrationin caused by dynamic compaction，the variation of amplitude(vi—
bration velocity)changing with the frequency of tamping and the main frequency variation of dynamic compaction are
shown．The safetv assessment of vibration is made on the existing seawall and gas tank projects around the field to provide
theoretical support for the selection of dynamic compaction parameters，which also makes up the researches on the similar
ground vibration characteristics in China．
Key words：dynamic compaction；hydraulic fill sand；vibration；attenuation law；amplitude；tamping energy
0 引言
強夯法又稱為動力固結(jié)法，是由法國Menard技
術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法? 。強
夯地基加固的主要原理是將夯錘提升一定高度后自
由下落，強烈沖擊地面使得地基土的原有結(jié)構(gòu)發(fā)生
改變，從而達到提高地基承載能力或抗液化能力的
目的。該方法由于施工簡單、經(jīng)濟高效、節(jié)省材料等
特點，迄今已為國內(nèi)外廣泛采用。但是強夯法自身
也存在著不足之處：夯錘與土體相互作用時引起地
面強烈震動，對周圍的建(構(gòu))筑物、儀器儀表及人
體等造成損害 。當然，不同類別的場地土層強夯
震動的衰減速率不同，對周圍環(huán)境的影響也不盡相
同。例如：吳綿撥等對河南鶴壁火力發(fā)電廠回填粘
土強夯振動記錄進行了分析，給出了不同夯擊能條
件下強夯振動的影響半徑 ；張孟喜等人對蘭州中
川機場濕陷性黃土地基強夯振動記錄進行了研究，
劃分了不同的擾動區(qū)域，同時對強夯所引起周圍建
筑物的環(huán)境公害進行了分析，提出了強夯擾動影響
系數(shù)的概念，為強夯振動的擾動評價提供了依
據(jù) ；李俊如等根據(jù)砂土中的強夯振動結(jié)果，分析
了砂土中強夯振動的衰減規(guī)律，并對周邊建筑物的
強夯振動效應(yīng)進行了安全評價 。
近些年來，隨著海港工業(yè)的興起，強夯法在海港
工程中得到普遍應(yīng)用，強夯振動效應(yīng)評價問題也越
來越受到業(yè)主和施工單位的重視。本文以曹妃甸工
業(yè)區(qū)液化天然氣儲罐地基加固工程為依托，對吹填
砂場地中強夯振動的衰減規(guī)律、頻譜特性以及影響
范圍進行了深入研究，針對該種類型場地土體的振
動特性，為以后類似場地選擇強夯施工參數(shù)以及安
全評估提供借鑒和支撐。
收稿日期：2014—02—25；修回日期：2014—06一】3
作者簡介：張朋輝(1984一)，男(漢族)，河北人，北京振沖工程股份有限公司技術(shù)負責(zé)人，巖土工程專業(yè)，從事巖土工程開發(fā)、設(shè)計、地災(zāi)治
理、評價以及巖土工程施工工作，北京市朝陽區(qū)望京西園221號博泰大廈12層，zphllj@163．con。
2014年第41卷第8期 探礦工程(巖土鉆掘工程) 59
1 工程概況
唐山市液化天然氣地基加固工程位于河北省唐
山市曹妃甸工業(yè)園區(qū)，距大陸海岸線約18 km。場
地的地貌特征屬于濱海淺灘，地層分布主要為第四
系的海相沉積沙層。場地周圍視野相對空曠，分布
有數(shù)千米的海堤工程和已完工的天然氣儲罐工程。
場地具體位置及周圍環(huán)境(未來規(guī)劃完成的鳥瞰
圖)如圖1所示。
圖1 場地環(huán)境鳥瞰圖
本區(qū)域強夯工程所采用的夯擊能為6000 kN·
m，錘重60 t，落距10 m。夯點成正方形布置，相鄰
兩次夯擊的時間間隔約為2 min，且夯后夯坑不做平
整。
2 現(xiàn)場強夯振動觀測
此次強夯振動觀測儀器采用SWG多功能地震
探測儀，選配891～4型拾振器和891型六線放大
器。SWG多功能地震探測儀具有12個模擬通道，
每道采樣點數(shù)512～8192個，采樣時間間隔為8 s
～ 15 s，可任意選用設(shè)置。儀器增益0～96 dB，可按
6 dB的增量度各個通道分別進行調(diào)解。儀器頻帶
在0．5～20 kHz間，高低通濾波分8擋可選。
考慮到現(xiàn)場測試盡量不對強夯施工造成影響，
同時又能滿足測試要求，所以將i貝0線的布置方向選
擇為夯點的反向延長線上，如圖2所示。每條測線
布置12個拾振器，相鄰兩個拾振器相距10 m，最小
的夯間距為8 m。為了獲得能夠真實反映場地性質(zhì)
圖2 強夯振動檢測測線布置平面圖
的波形，測試過程中進行了多次激發(fā)，選擇振幅大小
合適、初動時刻明顯、各通道信號連續(xù)的波形進行存
儲，盡量避開其他振動的干擾。
3 強夯振動測試結(jié)果分析
3．1 振動記錄時域分析
描述振動的參數(shù)主要有3個，即振幅、頻譜和持
時，稱為振動三要素 。在強夯振動信號的時域分
析過程中，作為三要素之一的振幅自然是本次研究
的一個重要方面。本文將從振幅大小、振幅衰減規(guī)
律以及振幅隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律3個方面進行研
究。通過對各個測點上的振動記錄進行處理，得到
強夯振動的典型時域波形，如圖3所示。
0 500 l00() l500 2000 2500
t／ms
圖3 強夯振動記錄波形圖
強夯地面振動的振幅隨夯擊點到觀測點距離的
增大而減小，這種現(xiàn)象稱為強夯振動衰減。強夯振
動幅值大小是巖土體振動能量的反映，振幅的變化
反映了振動強弱的變化，提取波形圖中振幅(振動
速度)的最大值進行統(tǒng)計，得到表1中不同夯擊次
數(shù)所對應(yīng)的地面振動強度。通過對距離與振速進行
關(guān)系擬合(如圖4)可以發(fā)現(xiàn)：吹填砂場地中強夯振
動的衰減仍然服從負冪函數(shù)的衰減規(guī)律(公式1)，
并且隨著夯擊次數(shù)的增加，地面振動強度也隨之增
大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是和吹填砂場地的性
質(zhì)相關(guān)。由于砂體之間的粘聚力很小，隨著夯擊次
數(shù)的增加，砂體顆粒之間的固結(jié)作用并不是像粘土
那樣明顯，相反還有可能造成砂體變得越來越松散，
從而造成每次夯擊時場地的初始條件變化不大，所
以出現(xiàn)了夯擊次數(shù)對地面振動強度影響不大的現(xiàn)
象
⑧ ⑧ ⑩ ⑨ ⑧ ⑦ ⑥ ⑤ ④ ③ ② ①
探礦工程(巖土鉆掘工程) 2014年第41卷第8期
表1 強夯地面振動強度(振速)
測點距離R 些亙堡 墮鏖 ! ：!： 2
／m 第1次夯擊 第3次夯擊 第6次夯擊
圈4 吹填砂場地強夯地面振動衰減曲線
式中： ——測點最大振動速度； ——當量系數(shù)；
r——夯間距； ——衰減指數(shù)。
3．2 強夯振動的影響范圍及安全評估
受到文獻[7]～[9]的啟發(fā)：夯錘下落與高聳建
筑物爆破拆除塌落過程基本相似，所以本文對公式
(1)做了進一步推導(dǎo)，形如下式：
[ ] (2)
式中： ——塌落引起的地面振動速度； 、J8——塌落
振動速度系數(shù)當量和衰減指數(shù)； —— 觀測點至沖
擊地面中心的距離；f 下落構(gòu)件的質(zhì)量；g——
重力加速度； 構(gòu)件的高度； ——地面介質(zhì)的
破壞強度，一般取1 MPa。
借鑒我國現(xiàn)行國家標準《爆破安全規(guī)程》(GB
6722—201 1)中對爆破安全允許距離的規(guī)定：對于單
次或短期強夯控制振速在3．0 em／s以下，對于頻繁
的強夯引起的振動帶來的疲勞問題，取控制振速的
一半，即強夯振動速度在1．5 cm／s以下將不會對建
筑物造成損害和《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》
(GB 50068—2001)規(guī)定：對安全等級為一級或設(shè)計
使用年限分別為100年及以上時，重要性系數(shù)分別
不應(yīng)小于1．1。依據(jù)上面的規(guī)范，利用公式(2)反求
距離R值就可以確定本次夯擊強夯地面振動的影
響范圍。關(guān)于公式(2)的具體表達式以及不同夯擊
次數(shù)所對應(yīng)的影響半徑如表2所示。
表2 強夯地面振動的回歸關(guān)系及影響半徑
經(jīng)測量，海堤工程距最近夯點的距離為31 m，
已建天然氣儲罐工程距離夯點450 m，所以本區(qū)域
內(nèi)的強夯地基加固工程不會對周圍建筑產(chǎn)生損害。
3．3 振動頻譜分析
對強夯振動信號記錄通過matlab軟件進行傅
里葉變換，從而可以在頻域內(nèi)分析。頻譜又是另一
個反映強夯質(zhì)量的關(guān)鍵元素，因此在頻域內(nèi)，將從振
幅隨頻率衰減關(guān)系、主振頻率分布范圍及頻率衰減
函數(shù)等方面進行分析。經(jīng)過快速傅里葉變換，得到
各個測線質(zhì)點振動振幅譜(如圖5)。
強夯引起的質(zhì)點振動是由多種不同頻率的簡諧
振動疊加而成，是一個瞬態(tài)沖擊振動過程。其中振
動主振頻率是指振動頻譜中的最大振幅所對應(yīng)的頻
率，是影響建構(gòu)筑物發(fā)生共振的主要因素之一。因
此說明譜峰振幅的主頻比其他分量重要，從圖5中
12個測點數(shù)據(jù)可以看到，強夯產(chǎn)生的最大振幅值基
本隨距夯擊點間距離增大而減小，并且主振頻率成
增大趨勢，但很緩慢，主要分布在6—9 Hz。進而振
幅譜也反應(yīng)不同頻率成分的強夯振動強度不同。
4 結(jié)論
經(jīng)過本文分析可以總結(jié)出以下結(jié)論：在吹填砂
場地上，強夯振動速度同樣呈現(xiàn)負冪函數(shù)曲線形式
極速衰減關(guān)系，但隨著夯擊次數(shù)的增加夯實度不是
很明顯。以地表振速為判斷標準，夯擊能為6000 kJ
在不同夯擊次數(shù)下的影響半徑依次為24．37、
26．18、28．叭m；隨著夯擊次數(shù)的增加影響范圍也不
斷的變大。在頻域分析中，距夯點約為120 m平面
內(nèi)，其強夯振動主頻為6—9 Hz。
針對這個吹填砂場地進行分析，利用爆破坍塌
物振動速度公式對場地的安全范圍進行評價。利用
強夯振動是研究場地工程巖土體性質(zhì)的一個重要途
徑
2014年第41卷第8期 探礦工程(巖土鉆掘工程)
()．6
0 4
0．2
f／Hz
測點4
t／ltz
測點7
f／Hz
測點2
f／Hz
測點5
f／Hz
測點8
f／Hz
測點3
f／Hz
測點6
測點9
測點10 測點11 測點l2
圖5 強夯振動速度振幅譜
[7] 周家漢，爆破拆除塌落振動速度計算公式的討論[J]．工程爆
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