软土地基上振动沉拔钢护筒对周围环境的振动影响.pdf

探讨与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 〔 收稿日期 〕 2007 - 7 - 03 软土地基上振动沉拔钢护筒 对周围环境的振动影响 胡建敏 聂庆科 王国辉 周文龙 河北建设勘察研究院有限公司 摘 要 通过现场振动测试,研究钢护筒沉入过程对软土地基地表的振动影响,给出加速度时程曲线及其 频谱曲线,并对振动加速度沿径向距离的衰减特征进行分析。振动测试结果表明,钢护筒在振动 沉拔过程中将在土体中产生一系列持续作用的振动波作用,并向外传播开去。一般而言,振动波 的传播距离比较远,但当径向距离超过15m时峰值加速度很快降到4g以下。 关键词 环境影响 软土地基 振动加速度 频率 通过预先打入深长的钢护筒如长度达15～ 20m在深厚软土地基上利用旋挖钻机施工钻孔灌 注桩是一项新的工艺。但是,钢护筒振动沉拔过程 中引起的强烈振动,会以应力波的形式向外传播和 扩散,从而造成对成桩区及其邻近地基土的扰动影 响。这一作用也会对周围环境造成不良的影响。 关于振动对周围环境的影响,已有一些文献进 行过讨论 [1] ,如强夯冲击引起的振动 [2, 3 ]、 预制桩打 入引起的振动 [4 ]、 车辆荷载引起的振动等[5 ]。对于 振动沉拔钢护筒施工工艺,振动源可看作是循环变 化的简谐波强迫振动 , 由地层表面和深处向周围 及地表传播,而振动源是沿着整个入土护筒的深度 范围内。研究该类振源作用下引起的软土地基地表 振动的影响还不多见,而它对周围环境安全以及施 工质量的影响是十分值得关注的问题。因此,这方 面的研究是一个有意义的课题。 1 场测试概况 安徽省芜湖电厂位于长江岸边第四系冲积物地 层上,沉积韵律较明显,有明显的水平层理,局部有 斜层理。厂址自上而下地基土为粉质粘土、 淤泥质 粉质粘土、 粉细砂,局部地段逐渐过渡到中粗砂,厚 度51～53m。 护筒沉入所用振动锤为普通振动打桩锤,其基 本性能参数为型号DZ - 45A;激振力360kN;转速 1150 rmin - 1 ;功率45kN;重量3800kg。所采用的 钢护筒是由厚度10mm的钢板卷制,护筒直径为 110m。在距护筒中心距离为1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30m处分别布置了8个加速度传感器即同时有8 个测试通道 , 以测定地表的垂直向振动加速度。 本次测试采用FOCUS II动态信号采集分析系统,并 采用RTPRO5157实时分析软件以及RTPRO6106实 时分析软件进行数据采集和分析。 2 加速度时程曲线及频谱曲线 图1给出护筒由地表0m下沉至2m过程中,不 同径向距离的峰值加速度时程曲线。由图1可以看 出,偏心锤激振频率约为50Hz,为典型的谐振振源。 此外,还可以看出,垂直向加速度时程曲线是十分规 则的,离护筒中心最近距离测点的峰值加速度可达 45g。 图1 沉入时加速度时程曲线 43 岩土工程界 第11卷 第2期探讨与分析 图2给出护筒由地表0m下沉至2m过程中, 8个测 试通道对应的频谱曲线。其中,图2 a为径向距离 1, 3, 5, 10m处4个通道的频谱曲线,图 2 b 为径 向距离15, 20, 25, 30m处4个通道的频谱曲线。 由频谱图图 2 可以看出,地面振动主要频率成分 约50Hz。分析表明,尽管测试点的径向距离相差很 大,但表现出的激振主频率均为约50Hz,也是加速 度最大值所对应的频率。其它频率均是50Hz的倍 频率。图3为由12m上拔至6m时,振动测试得到 的垂直向加速度时程曲线和频谱曲线。可见,其加 速度时程曲线及频谱曲线与护筒打入时类似,表明 护筒沉拔的整个过程中对周围环境的振动影响始终 处于同一个数量级别。 3 振动加速度沿径向距离衰减特征 311 加速度沿径向距离变化规律 图4和图5分别给出护筒沉入和上拨过程中, 振动加速度沿径向距离衰减变化规律。可以看出, 振动加速度沿径向距离呈现明显的衰减特征。靠近 护筒处如距离护筒中心 1m 的加速度最大值可达 35g。当径向距离超过5m时,振动加速度降至20g 以下由0m下沉至2m时除外,即曲线0～2m ;当 径向距离超过15m时,振动加速度很快降到4g以 下。可见,振动锤沉拔法下入护筒过程中,其引起的 振动效应是十分明显的。值得注意的是,当沿径向 距离大于15m时,振动加速度略有增大。这可能与 地层土性条件有关,也可能与振动波的反射有关 该方向径向距离100m远处有建筑物存在。 图4 沉入时振动加速度沿径向距离的衰减 图4中各条曲线分别为护筒不断沉入地层深处 6个过程如0～2m, 2～4m,⋯, 10～12m的测试 结果。显然,在第1阶段由地表沉入深度2m处, 即曲线0～ 2m 和第2阶段即曲线2～ 4m 时的振 动加速度比护筒达到一定深度时在地表产生的振动 加速度稍大些。而在后面的几个阶段中,加速度变 化规律相差不大,而其最大值一般要小些。这一现 象与地表处土质较为坚硬,护筒不宜沉入有直接关 系。 由图5可以看出,上拨时振动加速度沿径向距 离衰减规律与沉入时图 4 呈现类似的规律。当由 地层深度6m处上拨至地表0m时曲线6～ 0m 比 由地层深度12m处护筒底部上拨至地表6m时 53 探讨与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 图5 上拨时振动加速度沿径向距离衰减 曲线12～ 6m 的加速度要大,同时也比由地表沉 入时图4,曲线0～ 2m 的加速度要大。但是,沉入 时的影响距离和程度要比上拔时小些,如当径向距 离超过3m时,加速度就降至20g以下。 312 振动沉拔过程中对环境的影响 钢护筒下沉所引起的地基土的振动可用下面5 个参数来加以描述质点位移、 质点速度、 质点加速 度、 频率和振动传播速度。目前,一般是通过控制地 基土体的位移场、 速度场和加速度场来对振动产生 的影响和危害进行监测和评价。如果仅考虑瑞利波 效应以及由于土体并非完全弹性体而引起的振动能 量的耗散,则表面振动情况下土中振幅的衰减关系 可用式1表示 [1 ]。 Ar A0 r0 r exp[α r - r0 ] 1 式中,Ar为距振源r处土体的振幅; A0为距振源r0 处土体的振幅;α为振动衰减系数,表征土体对能量 的吸收作用 m - 1 。振动速度衰减规律也可用公式 2来表达 v v0 r0 r exp[α r - r0 ] 2 式中,V为距打桩点距离为r处地面振动速度值 mm s - 1 , V0为距打桩点距离为r0处地面振动速 度值 mm s - 1 , α为振动衰减系数 m - 1 。 上述分析表明,随着距振源距离的增大,振幅的 衰减是明显的。从本文现场振动加速度的衰减规律 来看图4 ,在15m的范围内振动加速度较大,而 在远离15m的距离,振动加速度衰减很快,整个过 程也大致成指数衰减规律。对于本项施工工艺,为 保证现场施工的安全,施工地点100m范围内应该 避免有重要的建筑物。由图4给出的加速度衰减规 律可以得到下面的振动加速度衰减方程 a a0 r0 r exp[ -α r - r0 ] 3 式中,a为距打桩点距离为r处地面振动加速度 g , a0为距打桩点距离为r0处地面振动加速度 g ,α为振动衰减系数 m - 1 。对于芜湖电厂现场 测试结果,可取r01, a03215,α0106。 4 结论 1振动测试结果表明,护筒在振动沉拔过程 中将在土体中产生一系列持续作用的振动波作用, 并向外传播开去。一般而言,振动波的传播距离比 较远。但当径向距离超过15m时,峰值加速度很快 降到4g以下。这一量值虽然仍然有非常明显的震 感,但对周围桩体并没有太大的不利影响。 2随着离振源距离的增大,振动加速度的衰 减是明显的,大致与振源距离成指数衰减特征。本 文建立了描述振动加速度衰减的数学方程,给出该 振源条件下软土地基振动衰减系数的参考取值,为 类似工程的评价提供了依据。 参考文献 [1 ] 白 冰,肖宏彬.软土工程若干理论与应用.北京中国水利水 电出版社, 2002. 4. [2 ] 雷学文,白世伟,孟庆山.强夯引起的振动规律及对建筑物的 影响分析,建筑技术开发2002, 2912 20 - 21. [3 ] 任锡泰.强夯施工地震效应测试与分析.西北地震学报, 2002, 244 352 - 355. [4 ] 杨宝玉,祝龙根.打桩振动环境效应的现场监测技术.工程勘 察, 1999, 4 17 - 24. [5 ] 白 冰,李春峰.地铁列车振动作用下近距离平行隧道的弹 塑性动力响应.岩土力学, 2007, 284 336 - 340. 第一作者通讯地址石家庄市建华南大街58号河北建设勘 察研究院有限公司 邮编 050031 63