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吹填砂場(chǎng)地強(qiáng)夯振動(dòng)特性研究及安全評(píng)估

文檔作者：張朋輝韓賽超張小東葛曉菲文檔來(lái)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(guó)地質(zhì)大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月08日
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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(chǎng)地強(qiáng)夯振動(dòng)特性研究及安全評(píng)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(guó)地質(zhì)大學(xué)(北
京)，北京100083)
摘要：針對(duì)曹妃甸工業(yè)園區(qū)液化天然氣儲(chǔ)罐地基加固過(guò)程中所引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)
夯振動(dòng)觀測(cè)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、頻域分析以及規(guī)律擬合，給出了吹填砂場(chǎng)地上強(qiáng)夯所引起的地面振動(dòng)衰減規(guī)律、振
幅(振速)隨夯擊次數(shù)的變化規(guī)律以及強(qiáng)夯振動(dòng)的主頻變化規(guī)律，并就場(chǎng)地周圍已存的海堤工程和天然氣儲(chǔ)罐工程
進(jìn)行了振動(dòng)安全評(píng)估，為現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯施工參數(shù)的選取提供了理論支撐，同時(shí)也彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)于類似場(chǎng)地振動(dòng)特性研
究不足的局面。
關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯；吹填砂；振動(dòng)；衰減規(guī)律；振幅；夯擊能
中圖分類號(hào)：TU472，3 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qiáng)夯法又稱為動(dòng)力固結(jié)法，是由法國(guó)Menard技
術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法? 。強(qiáng)
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(qiáng)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(dá)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)省材料等
特點(diǎn)，迄今已為國(guó)內(nèi)外廣泛采用。但是強(qiáng)夯法自身
也存在著不足之處：夯錘與土體相互作用時(shí)引起地
面強(qiáng)烈震動(dòng)，對(duì)周圍的建(構(gòu))筑物、儀器儀表及人
體等造成損害 。當(dāng)然，不同類別的場(chǎng)地土層強(qiáng)夯
震動(dòng)的衰減速率不同，對(duì)周圍環(huán)境的影響也不盡相
同。例如：吳綿撥等對(duì)河南鶴壁火力發(fā)電廠回填粘
土強(qiáng)夯振動(dòng)記錄進(jìn)行了分析，給出了不同夯擊能條
件下強(qiáng)夯振動(dòng)的影響半徑 ；張孟喜等人對(duì)蘭州中
川機(jī)場(chǎng)濕陷性黃土地基強(qiáng)夯振動(dòng)記錄進(jìn)行了研究，
劃分了不同的擾動(dòng)區(qū)域，同時(shí)對(duì)強(qiáng)夯所引起周圍建
筑物的環(huán)境公害進(jìn)行了分析，提出了強(qiáng)夯擾動(dòng)影響
系數(shù)的概念，為強(qiáng)夯振動(dòng)的擾動(dòng)評(píng)價(jià)提供了依
據(jù) ；李俊如等根據(jù)砂土中的強(qiáng)夯振動(dòng)結(jié)果，分析
了砂土中強(qiáng)夯振動(dòng)的衰減規(guī)律，并對(duì)周邊建筑物的
強(qiáng)夯振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了安全評(píng)價(jià) 。
近些年來(lái)，隨著海港工業(yè)的興起，強(qiáng)夯法在海港
工程中得到普遍應(yīng)用，強(qiáng)夯振動(dòng)效應(yīng)評(píng)價(jià)問(wèn)題也越
來(lái)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(chǔ)罐地基加固工程為依托，對(duì)吹填
砂場(chǎng)地中強(qiáng)夯振動(dòng)的衰減規(guī)律、頻譜特性以及影響
范圍進(jìn)行了深入研究，針對(duì)該種類型場(chǎng)地土體的振
動(dòng)特性，為以后類似場(chǎng)地選擇強(qiáng)夯施工參數(shù)以及安
全評(píng)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(jiǎn)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(fù)責(zé)人，巖土工程專業(yè)，從事巖土工程開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、地災(zāi)治
理、評(píng)價(jià)以及巖土工程施工工作，北京市朝陽(yáng)區(qū)望京西園221號(hào)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(chǎng)
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(chǎng)地周圍視野相對(duì)空曠，分布
有數(shù)千米的海堤工程和已完工的天然氣儲(chǔ)罐工程。
場(chǎng)地具體位置及周圍環(huán)境(未來(lái)規(guī)劃完成的鳥(niǎo)瞰
圖)如圖1所示。
圖1 場(chǎng)地環(huán)境鳥(niǎo)瞰圖
本區(qū)域強(qiáng)夯工程所采用的夯擊能為6000 kN·
m，錘重60 t，落距10 m。夯點(diǎn)成正方形布置，相鄰
兩次夯擊的時(shí)間間隔約為2 min，且夯后夯坑不做平
整。
2 現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯振動(dòng)觀測(cè)
此次強(qiáng)夯振動(dòng)觀測(cè)儀器采用SWG多功能地震
探測(cè)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(cè)儀具有12個(gè)模擬通道，
每道采樣點(diǎn)數(shù)512～8192個(gè)，采樣時(shí)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(gè)通道分別進(jìn)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(chǎng)測(cè)試盡量不對(duì)強(qiáng)夯施工造成影響，
同時(shí)又能滿足測(cè)試要求，所以將i貝0線的布置方向選
擇為夯點(diǎn)的反向延長(zhǎng)線上，如圖2所示。每條測(cè)線
布置12個(gè)拾振器，相鄰兩個(gè)拾振器相距10 m，最小
的夯間距為8 m。為了獲得能夠真實(shí)反映場(chǎng)地性質(zhì)
圖2 強(qiáng)夯振動(dòng)檢測(cè)測(cè)線布置平面圖
的波形，測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行了多次激發(fā)，選擇振幅大小
合適、初動(dòng)時(shí)刻明顯、各通道信號(hào)連續(xù)的波形進(jìn)行存
儲(chǔ)，盡量避開(kāi)其他振動(dòng)的干擾。
3 強(qiáng)夯振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析
3．1 振動(dòng)記錄時(shí)域分析
描述振動(dòng)的參數(shù)主要有3個(gè)，即振幅、頻譜和持
時(shí)，稱為振動(dòng)三要素 。在強(qiáng)夯振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分
析過(guò)程中，作為三要素之一的振幅自然是本次研究
的一個(gè)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(gè)方面進(jìn)行研
究。通過(guò)對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的振動(dòng)記錄進(jìn)行處理，得到
強(qiáng)夯振動(dòng)的典型時(shí)域波形，如圖3所示。
0 500 l00() l500 2000 2500
t／ms
圖3 強(qiáng)夯振動(dòng)記錄波形圖
強(qiáng)夯地面振動(dòng)的振幅隨夯擊點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)距離的
增大而減小，這種現(xiàn)象稱為強(qiáng)夯振動(dòng)衰減。強(qiáng)夯振
動(dòng)幅值大小是巖土體振動(dòng)能量的反映，振幅的變化
反映了振動(dòng)強(qiáng)弱的變化，提取波形圖中振幅(振動(dòng)
速度)的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表1中不同夯擊次
數(shù)所對(duì)應(yīng)的地面振動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)距離與振速進(jìn)行
關(guān)系擬合(如圖4)可以發(fā)現(xiàn)：吹填砂場(chǎng)地中強(qiáng)夯振
動(dòng)的衰減仍然服從負(fù)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(dòng)強(qiáng)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(chǎng)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(lái)越松散，
從而造成每次夯擊時(shí)場(chǎng)地的初始條件變化不大，所
以出現(xiàn)了夯擊次數(shù)對(duì)地面振動(dòng)強(qiáng)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(qiáng)夯地面振動(dòng)強(qiáng)度(振速)
測(cè)點(diǎn)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(chǎng)地強(qiáng)夯地面振動(dòng)衰減曲線
式中： ——測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度； ——當(dāng)量系數(shù)；
r——夯間距； ——衰減指數(shù)。
3．2 強(qiáng)夯振動(dòng)的影響范圍及安全評(píng)估
受到文獻(xiàn)[7]～[9]的啟發(fā)：夯錘下落與高聳建
筑物爆破拆除塌落過(guò)程基本相似，所以本文對(duì)公式
(1)做了進(jìn)一步推導(dǎo)，形如下式：
[ ] (2)
式中： ——塌落引起的地面振動(dòng)速度； 、J8——塌落
振動(dòng)速度系數(shù)當(dāng)量和衰減指數(shù)； —— 觀測(cè)點(diǎn)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(qiáng)度，一般取1 MPa。
借鑒我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》(GB
6722—201 1)中對(duì)爆破安全允許距離的規(guī)定：對(duì)于單
次或短期強(qiáng)夯控制振速在3．0 em／s以下，對(duì)于頻繁
的強(qiáng)夯引起的振動(dòng)帶來(lái)的疲勞問(wèn)題，取控制振速的
一半，即強(qiáng)夯振動(dòng)速度在1．5 cm／s以下將不會(huì)對(duì)建
筑物造成損害和《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》
(GB 50068—2001)規(guī)定：對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)
使用年限分別為100年及以上時(shí)，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(qiáng)夯地面振動(dòng)的影
響范圍。關(guān)于公式(2)的具體表達(dá)式以及不同夯擊
次數(shù)所對(duì)應(yīng)的影響半徑如表2所示。
表2 強(qiáng)夯地面振動(dòng)的回歸關(guān)系及影響半徑
經(jīng)測(cè)量，海堤工程距最近夯點(diǎn)的距離為31 m，
已建天然氣儲(chǔ)罐工程距離夯點(diǎn)450 m，所以本區(qū)域
內(nèi)的強(qiáng)夯地基加固工程不會(huì)對(duì)周圍建筑產(chǎn)生損害。
3．3 振動(dòng)頻譜分析
對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)信號(hào)記錄通過(guò)matlab軟件進(jìn)行傅
里葉變換，從而可以在頻域內(nèi)分析。頻譜又是另一
個(gè)反映強(qiáng)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(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換，得到
各個(gè)測(cè)線質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)振幅譜(如圖5)。
強(qiáng)夯引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)是由多種不同頻率的簡(jiǎn)諧
振動(dòng)疊加而成，是一個(gè)瞬態(tài)沖擊振動(dòng)過(guò)程。其中振
動(dòng)主振頻率是指振動(dòng)頻譜中的最大振幅所對(duì)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(shuō)明譜峰振幅的主頻比其他分量重要，從圖5中
12個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看到，強(qiáng)夯產(chǎn)生的最大振幅值基
本隨距夯擊點(diǎn)間距離增大而減小，并且主振頻率成
增大趨勢(shì)，但很緩慢，主要分布在6—9 Hz。進(jìn)而振
幅譜也反應(yīng)不同頻率成分的強(qiáng)夯振動(dòng)強(qiáng)度不同。
4 結(jié)論
經(jīng)過(guò)本文分析可以總結(jié)出以下結(jié)論：在吹填砂
場(chǎng)地上，強(qiáng)夯振動(dòng)速度同樣呈現(xiàn)負(fù)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(shí)度不是
很明顯。以地表振速為判斷標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)約為120 m平面
內(nèi)，其強(qiáng)夯振動(dòng)主頻為6—9 Hz。
針對(duì)這個(gè)吹填砂場(chǎng)地進(jìn)行分析，利用爆破坍塌
物振動(dòng)速度公式對(duì)場(chǎng)地的安全范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用
強(qiáng)夯振動(dòng)是研究場(chǎng)地工程巖土體性質(zhì)的一個(gè)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(cè)點(diǎn)4
t／ltz
測(cè)點(diǎn)7
f／Hz
測(cè)點(diǎn)2
f／Hz
測(cè)點(diǎn)5
f／Hz
測(cè)點(diǎn)8
f／Hz
測(cè)點(diǎn)3
f／Hz
測(cè)點(diǎn)6
測(cè)點(diǎn)9
測(cè)點(diǎn)10 測(cè)點(diǎn)11 測(cè)點(diǎn)l2
圖5 強(qiáng)夯振動(dòng)速度振幅譜
[7] 周家漢，爆破拆除塌落振動(dòng)速度計(jì)算公式的討論[J]．工程爆
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