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軟土地基上振動(dòng)沉拔鋼護(hù)筒對(duì)周圍環(huán)境的振動(dòng)影響

文檔作者：胡建敏聶慶科王國(guó)輝周文龍文檔來源：河北建設(shè)勘察研究院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月19日
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探討與分析GEOTECHNICAL ENG INEERINGWORLD VOL. 11 No. 2
收稿日期3
軟土地基上振動(dòng)沉拔鋼護(hù)筒
對(duì)周圍環(huán)境的振動(dòng)影響
胡建敏聶慶科王國(guó)輝周文龍
( 河北建設(shè)勘察研究院有限公司)
摘要通過現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試, 研究鋼護(hù)筒沉入過程對(duì)軟土地基地表的振動(dòng)影響, 給出加速度時(shí)程曲線及其
頻譜曲線, 并對(duì)振動(dòng)加速度沿徑向距離的衰減特征進(jìn)行分析。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明, 鋼護(hù)筒在振動(dòng)
沉拔過程中將在土體中產(chǎn)生一系列持續(xù)作用的振動(dòng)波作用, 并向外傳播開去。一般而言, 振動(dòng)波
的傳播距離比較遠(yuǎn), 但當(dāng)徑向距離超過15m時(shí)峰值加速度很快降到4g以下。
關(guān)鍵詞環(huán)境影響軟土地基振動(dòng)加速度頻率
通過預(yù)先打入深長(zhǎng)的鋼護(hù)筒(如長(zhǎng)度達(dá)15 ~
20m)在深厚軟土地基上利用旋挖鉆機(jī)施工鉆孔灌
注樁是一項(xiàng)新的工藝。但是, 鋼護(hù)筒振動(dòng)沉拔過程
中引起的強(qiáng)烈振動(dòng), 會(huì)以應(yīng)力波的形式向外傳播和
擴(kuò)散, 從而造成對(duì)成樁區(qū)及其鄰近地基土的擾動(dòng)影
響。這一作用也會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良的影響。
關(guān)于振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響, 已有一些文獻(xiàn)進(jìn)
行過討論[ 1] , 如強(qiáng)夯沖擊引起的振動(dòng)[ 2, 3]、預(yù)制樁打
入引起的振動(dòng)[ 4]、車輛荷載引起的振動(dòng)等[ 5 ]。對(duì)于
振動(dòng)沉拔鋼護(hù)筒施工工藝, 振動(dòng)源可看作是循環(huán)變
化的簡(jiǎn)諧波(強(qiáng)迫振動(dòng)), 由地層表面和深處向周圍
及地表傳播, 而振動(dòng)源是沿著整個(gè)入土護(hù)筒的深度
范圍內(nèi)。研究該類振源作用下引起的軟土地基地表
振動(dòng)的影響還不多見, 而它對(duì)周圍環(huán)境安全以及施
工質(zhì)量的影響是十分值得關(guān)注的問題。因此, 這方
面的研究是一個(gè)有意義的課題。
1 場(chǎng)測(cè)試概況
安徽省蕪湖電廠位于長(zhǎng)江岸邊第四系沖積物地
層上, 沉積韻律較明顯, 有明顯的水平層理, 局部有
斜層理。廠址自上而下地基土為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)
粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂, 局部地段逐漸過渡到中粗砂, 厚
度51~ 53m。
護(hù)筒沉入所用振動(dòng)錘為普通振動(dòng)打樁錘, 其基
本性能參數(shù)為: 型號(hào)DZ- 45A; 激振力360kN; 轉(zhuǎn)速
1150 r# min- 1; 功率45kN; 重量3800kg。所采用的
鋼護(hù)筒是由厚度10mm 的鋼板卷制, 護(hù)筒直徑為
110m。在距護(hù)筒中心距離為1, 3, 5, 10, 15, 20, 25,
30m處分別布置了8個(gè)加速度傳感器(即同時(shí)有8
個(gè)測(cè)試通道), 以測(cè)定地表的垂直向振動(dòng)加速度。
本次測(cè)試采用FOCUS II動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng), 并
采用RTPRO5157實(shí)時(shí)分析軟件以及RTPRO6106實(shí)
時(shí)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。
2 加速度時(shí)程曲線及頻譜曲線
圖1給出護(hù)筒由地表0m下沉至2m過程中, 不
同徑向距離的峰值加速度時(shí)程曲線。由圖1可以看
出, 偏心錘激振頻率約為50H z, 為典型的諧振振源。
此外, 還可以看出, 垂直向加速度時(shí)程曲線是十分規(guī)
則的, 離護(hù)筒中心最近距離測(cè)點(diǎn)的峰值加速度可達(dá)
45g。
圖沉入時(shí)加速度時(shí)程曲線
3
1 2 2007- 7 - 0
1
4
巖土工程界第11卷第2期探討與分析
圖2給出護(hù)筒由地表0m下沉至2m過程中, 8 個(gè)測(cè)
試通道對(duì)應(yīng)的頻譜曲線。其中, 圖2( a)為徑向距離
1, 3, 5, 10m處4個(gè)通道的頻譜曲線, 圖2( b)為徑
向距離15, 20, 25, 30m 處4 個(gè)通道的頻譜曲線。
由頻譜圖(圖2)可以看出, 地面振動(dòng)主要頻率成分
約50H z。分析表明, 盡管測(cè)試點(diǎn)的徑向距離相差很
大, 但表現(xiàn)出的激振主頻率均為約50Hz, 也是加速
度最大值所對(duì)應(yīng)的頻率。其它頻率均是50H z的倍
頻率。圖3為由12m上拔至6m時(shí), 振動(dòng)測(cè)試得到
的垂直向加速度時(shí)程曲線和頻譜曲線。可見, 其加
速度時(shí)程曲線及頻譜曲線與護(hù)筒打入時(shí)類似, 表明
護(hù)筒沉拔的整個(gè)過程中對(duì)周圍環(huán)境的振動(dòng)影響始終
處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)別。
3 振動(dòng)加速度沿徑向距離衰減特征
311 加速度沿徑向距離變化規(guī)律
圖4 和圖5分別給出護(hù)筒沉入和上撥過程中,
振動(dòng)加速度沿徑向距離衰減變化規(guī)律?？梢钥闯?
振動(dòng)加速度沿徑向距離呈現(xiàn)明顯的衰減特征。靠近
護(hù)筒處(如距離護(hù)筒中心1m)的加速度最大值可達(dá)
35g。當(dāng)徑向距離超過5m時(shí), 振動(dòng)加速度降至20g
以下(由0m下沉至2m時(shí)除外, 即曲線0~ 2m); 當(dāng)
徑向距離超過15m時(shí), 振動(dòng)加速度很快降到4g以
下?？梢? 振動(dòng)錘沉拔法下入護(hù)筒過程中, 其引起的
振動(dòng)效應(yīng)是十分明顯的。值得注意的是, 當(dāng)沿徑向
距離大于15m時(shí), 振動(dòng)加速度略有增大。這可能與
地層土性條件有關(guān), 也可能與振動(dòng)波的反射有關(guān)
(該方向徑向距離100m遠(yuǎn)處有建筑物存在)。
圖4 沉入時(shí)振動(dòng)加速度沿徑向距離的衰減
圖4中各條曲線分別為護(hù)筒不斷沉入地層深處
6個(gè)過程(如0~ 2m, 2~ 4m, , , 10 ~ 12m) 的測(cè)試
結(jié)果。顯然, 在第1階段(由地表沉入深度2m處,
即曲線0~ 2m)和第2階段(即曲線2 ~ 4m)時(shí)的振
動(dòng)加速度比護(hù)筒達(dá)到一定深度時(shí)在地表產(chǎn)生的振動(dòng)
加速度稍大些。而在后面的幾個(gè)階段中, 加速度變
化規(guī)律相差不大, 而其最大值一般要小些。這一現(xiàn)
象與地表處土質(zhì)較為堅(jiān)硬, 護(hù)筒不宜沉入有直接關(guān)
系。
由圖5可以看出, 上撥時(shí)振動(dòng)加速度沿徑向距
離衰減規(guī)律與沉入時(shí)(圖)呈現(xiàn)類似的規(guī)律。當(dāng)由
地層深度6 處上撥至地表時(shí)(曲線6~ )比
由地層深度處(護(hù)筒底部)上撥至地表6 時(shí)
35
4
m 0m 0m
12m m
探討與分析GEOTECHNICAL ENG INEERINGWORLD VOL. 11 No. 2
圖5 上撥時(shí)振動(dòng)加速度沿徑向距離衰減
(曲線12~ 6m)的加速度要大, 同時(shí)也比由地表沉
入時(shí)(圖4, 曲線0~ 2m)的加速度要大。但是, 沉入
時(shí)的影響距離和程度要比上拔時(shí)小些, 如當(dāng)徑向距
離超過3m時(shí), 加速度就降至20g以下。
312 振動(dòng)沉拔過程中對(duì)環(huán)境的影響
鋼護(hù)筒下沉所引起的地基土的振動(dòng)可用下面5
個(gè)參數(shù)來加以描述: 質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度、質(zhì)點(diǎn)加速
度、頻率和振動(dòng)傳播速度。目前, 一般是通過控制地
基土體的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)和加速度場(chǎng)來對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生
的影響和危害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。如果僅考慮瑞利波
效應(yīng)以及由于土體并非完全彈性體而引起的振動(dòng)能
量的耗散, 則表面振動(dòng)情況下土中振幅的衰減關(guān)系
可用式( 1)表示[ 1]。
Ar = A0
r0
r
exp[ A( r - r0 ) ] ( 1)
式中, Ar 為距振源r 處土體的振幅; A0 為距振源r0
處土體的振幅; A為振動(dòng)衰減系數(shù), 表征土體對(duì)能量
的吸收作用(m- 1 )。振動(dòng)速度衰減規(guī)律也可用公式
( 2)來表達(dá):
v = v0
r0
r
exp[A( r - r0 ) ] ( 2)
式中, V為距打樁點(diǎn)距離為r 處地面振動(dòng)速度值
(mm# s- 1 ), V0 為距打樁點(diǎn)距離為r0 處地面振動(dòng)速
度值(mm# s- 1 ), A為振動(dòng)衰減系數(shù)(m- 1 )。
上述分析表明, 隨著距振源距離的增大, 振幅的
衰減是明顯的。從本文現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)加速度的衰減規(guī)律
來看(圖4), 在15m的范圍內(nèi)振動(dòng)加速度較大, 而
在遠(yuǎn)離15m的距離, 振動(dòng)加速度衰減很快, 整個(gè)過
程也大致成指數(shù)衰減規(guī)律。對(duì)于本項(xiàng)施工工藝, 為
保證現(xiàn)場(chǎng)施工的安全, 施工地點(diǎn)100m范圍內(nèi)應(yīng)該
避免有重要的建筑物。由圖4給出的加速度衰減規(guī)
律可以得到下面的振動(dòng)加速度衰減方程:
a = a0
r0
r
exp[ - A( r - r0 ) ] ( 3)
式中, a 為距打樁點(diǎn)距離為r 處地面振動(dòng)加速度
( g), a0 為距打樁點(diǎn)距離為r0 處地面振動(dòng)加速度
( g), A為振動(dòng)衰減系數(shù)(m- 1 )。對(duì)于蕪湖電廠現(xiàn)場(chǎng)
測(cè)試結(jié)果, 可取r0 = 1, a 0 = 3215, A= 0106。
4 結(jié)論
( 1) 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明, 護(hù)筒在振動(dòng)沉拔過程
中將在土體中產(chǎn)生一系列持續(xù)作用的振動(dòng)波作用,
并向外傳播開去。一般而言, 振動(dòng)波的傳播距離比
較遠(yuǎn)。但當(dāng)徑向距離超過15m時(shí), 峰值加速度很快
降到4g以下。這一量值雖然仍然有非常明顯的震
感, 但對(duì)周圍樁體并沒有太大的不利影響。
( 2) 隨著離振源距離的增大, 振動(dòng)加速度的衰
減是明顯的, 大致與振源距離成指數(shù)衰減特征。本
文建立了描述振動(dòng)加速度衰減的數(shù)學(xué)方程, 給出該
振源條件下軟土地基振動(dòng)衰減系數(shù)的參考取值, 為
類似工程的評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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第一作者通訊地址: 石家莊市建華南大街58號(hào)河北建設(shè)勘
察研究院有限公司郵編: 050031
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