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軟土地基上振動沉拔鋼護筒對周圍環(huán)境的振動影響

文檔作者：胡建敏聶慶科王國輝周文龍文檔來源：河北建設勘察研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 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
軟土地基上振動沉拔鋼護筒
對周圍環(huán)境的振動影響
胡建敏聶慶科王國輝周文龍
( 河北建設勘察研究院有限公司)
摘要通過現(xiàn)場振動測試, 研究鋼護筒沉入過程對軟土地基地表的振動影響, 給出加速度時程曲線及其
頻譜曲線, 并對振動加速度沿徑向距離的衰減特征進行分析。振動測試結果表明, 鋼護筒在振動
沉拔過程中將在土體中產生一系列持續(xù)作用的振動波作用, 并向外傳播開去。一般而言, 振動波
的傳播距離比較遠, 但當徑向距離超過15m時峰值加速度很快降到4g以下。
關鍵詞環(huán)境影響軟土地基振動加速度頻率
通過預先打入深長的鋼護筒(如長度達15 ~
20m)在深厚軟土地基上利用旋挖鉆機施工鉆孔灌
注樁是一項新的工藝。但是, 鋼護筒振動沉拔過程
中引起的強烈振動, 會以應力波的形式向外傳播和
擴散, 從而造成對成樁區(qū)及其鄰近地基土的擾動影
響。這一作用也會對周圍環(huán)境造成不良的影響。
關于振動對周圍環(huán)境的影響, 已有一些文獻進
行過討論[ 1] , 如強夯沖擊引起的振動[ 2, 3]、預制樁打
入引起的振動[ 4]、車輛荷載引起的振動等[ 5 ]。對于
振動沉拔鋼護筒施工工藝, 振動源可看作是循環(huán)變
化的簡諧波(強迫振動), 由地層表面和深處向周圍
及地表傳播, 而振動源是沿著整個入土護筒的深度
范圍內。研究該類振源作用下引起的軟土地基地表
振動的影響還不多見, 而它對周圍環(huán)境安全以及施
工質量的影響是十分值得關注的問題。因此, 這方
面的研究是一個有意義的課題。
1 場測試概況
安徽省蕪湖電廠位于長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粘土、淤泥質
粉質粘土、粉細砂, 局部地段逐漸過渡到中粗砂, 厚
度51~ 53m。
護筒沉入所用振動錘為普通振動打樁錘, 其基
本性能參數(shù)為: 型號DZ- 45A; 激振力360kN; 轉速
1150 r# min- 1; 功率45kN; 重量3800kg。所采用的
鋼護筒是由厚度10mm 的鋼板卷制, 護筒直徑為
110m。在距護筒中心距離為1, 3, 5, 10, 15, 20, 25,
30m處分別布置了8個加速度傳感器(即同時有8
個測試通道), 以測定地表的垂直向振動加速度。
本次測試采用FOCUS II動態(tài)信號采集分析系統(tǒng), 并
采用RTPRO5157實時分析軟件以及RTPRO6106實
時分析軟件進行數(shù)據(jù)采集和分析。
2 加速度時程曲線及頻譜曲線
圖1給出護筒由地表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, 垂直向加速度時程曲線是十分規(guī)
則的, 離護筒中心最近距離測點的峰值加速度可達
45g。
圖沉入時加速度時程曲線
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給出護筒由地表0m下沉至2m過程中, 8 個測
試通道對應的頻譜曲線。其中, 圖2( a)為徑向距離
1, 3, 5, 10m處4個通道的頻譜曲線, 圖2( b)為徑
向距離15, 20, 25, 30m 處4 個通道的頻譜曲線。
由頻譜圖(圖2)可以看出, 地面振動主要頻率成分
約50H z。分析表明, 盡管測試點的徑向距離相差很
大, 但表現(xiàn)出的激振主頻率均為約50Hz, 也是加速
度最大值所對應的頻率。其它頻率均是50H z的倍
頻率。圖3為由12m上拔至6m時, 振動測試得到
的垂直向加速度時程曲線和頻譜曲線。可見, 其加
速度時程曲線及頻譜曲線與護筒打入時類似, 表明
護筒沉拔的整個過程中對周圍環(huán)境的振動影響始終
處于同一個數(shù)量級別。
3 振動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分別給出護筒沉入和上撥過程中,
振動加速度沿徑向距離衰減變化規(guī)律。可以看出,
振動加速度沿徑向距離呈現(xiàn)明顯的衰減特征?？拷?
護筒處(如距離護筒中心1m)的加速度最大值可達
35g。當徑向距離超過5m時, 振動加速度降至20g
以下(由0m下沉至2m時除外, 即曲線0~ 2m); 當
徑向距離超過15m時, 振動加速度很快降到4g以
下。可見, 振動錘沉拔法下入護筒過程中, 其引起的
振動效應是十分明顯的。值得注意的是, 當沿徑向
距離大于15m時, 振動加速度略有增大。這可能與
地層土性條件有關, 也可能與振動波的反射有關
(該方向徑向距離100m遠處有建筑物存在)。
圖4 沉入時振動加速度沿徑向距離的衰減
圖4中各條曲線分別為護筒不斷沉入地層深處
6個過程(如0~ 2m, 2~ 4m, , , 10 ~ 12m) 的測試
結果。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)時的振
動加速度比護筒達到一定深度時在地表產生的振動
加速度稍大些。而在后面的幾個階段中, 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)
象與地表處土質較為堅硬, 護筒不宜沉入有直接關
系。
由圖5可以看出, 上撥時振動加速度沿徑向距
離衰減規(guī)律與沉入時(圖)呈現(xiàn)類似的規(guī)律。當由
地層深度6 處上撥至地表時(曲線6~ )比
由地層深度處(護筒底部)上撥至地表6 時
35
4
m 0m 0m
12m m
探討與分析GEOTECHNICAL ENG INEERINGWORLD VOL. 11 No. 2
圖5 上撥時振動加速度沿徑向距離衰減
(曲線12~ 6m)的加速度要大, 同時也比由地表沉
入時(圖4, 曲線0~ 2m)的加速度要大。但是, 沉入
時的影響距離和程度要比上拔時小些, 如當徑向距
離超過3m時, 加速度就降至20g以下。
312 振動沉拔過程中對環(huán)境的影響
鋼護筒下沉所引起的地基土的振動可用下面5
個參數(shù)來加以描述: 質點位移、質點速度、質點加速
度、頻率和振動傳播速度。目前, 一般是通過控制地
基土體的位移場、速度場和加速度場來對振動產生
的影響和危害進行監(jiān)測和評價。如果僅考慮瑞利波
效應以及由于土體并非完全彈性體而引起的振動能
量的耗散, 則表面振動情況下土中振幅的衰減關系
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為振動衰減系數(shù), 表征土體對能量
的吸收作用(m- 1 )。振動速度衰減規(guī)律也可用公式
( 2)來表達:
v = v0
r0
r
exp[A( r - r0 ) ] ( 2)
式中, V為距打樁點距離為r 處地面振動速度值
(mm# s- 1 ), V0 為距打樁點距離為r0 處地面振動速
度值(mm# s- 1 ), A為振動衰減系數(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)場振動加速度的衰減規(guī)律
來看(圖4), 在15m的范圍內振動加速度較大, 而
在遠離15m的距離, 振動加速度衰減很快, 整個過
程也大致成指數(shù)衰減規(guī)律。對于本項施工工藝, 為
保證現(xiàn)場施工的安全, 施工地點100m范圍內應該
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加速度衰減方程:
a = a0
r0
r
exp[ - A( r - r0 ) ] ( 3)
式中, a 為距打樁點距離為r 處地面振動加速度
( g), a0 為距打樁點距離為r0 處地面振動加速度
( g), A為振動衰減系數(shù)(m- 1 )。對于蕪湖電廠現(xiàn)場
測試結果, 可取r0 = 1, a 0 = 3215, A= 0106。
4 結論
( 1) 振動測試結果表明, 護筒在振動沉拔過程
中將在土體中產生一系列持續(xù)作用的振動波作用,
并向外傳播開去。一般而言, 振動波的傳播距離比
較遠。但當徑向距離超過15m時, 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
文建立了描述振動加速度衰減的數(shù)學方程, 給出該
振源條件下軟土地基振動衰減系數(shù)的參考取值, 為
類似工程的評價提供了依據(jù)。
參考文獻
[ 1] 白冰, 肖宏彬. 軟土工程若干理論與應用. 北京: 中國水利水
電出版社, 2002. 4.
[ 2] 雷學文, 白世偉, 孟慶山. 強夯引起的振動規(guī)律及對建筑物的
影響分析, 建筑技術開發(fā)2002, 29( 12): 20- 21.
[ 3] 任錫泰. 強夯施工地震效應測試與分析. 西北地震學報,
2002, 24( 4): 352- 355.
[ 4] 楊寶玉, 祝龍根. 打樁振動環(huán)境效應的現(xiàn)場監(jiān)測技術. 工程勘
察, 1999, ( 4): 17 - 24.
[ 5] 白冰, 李春峰. 地鐵列車振動作用下近距離平行隧道的彈
塑性動力響應. 巖土力學, 2007, 28( 4 ) : 336 - 340.
第一作者通訊地址: 石家莊市建華南大街58號河北建設勘
察研究院有限公司郵編: 050031
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