鹿子林, 夏 暖, 張士鵬, 竇連波, 徐文星

（1.山東省地震工程研究院，山東 濟南 250021；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006）

強夯振動對高鐵橋墩造成的地震效應檢測

鹿子林1, 夏 暖1, 張士鵬2, 竇連波2, 徐文星1

（1.山東省地震工程研究院，山東 濟南 250021；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006）

為確保高鐵設施的安全，針對強夯振動的特點，根據場地的地質條件，選取離橋墩最近的夯點進行檢測，在附近三個橋墩處設置三組檢測點，每組三個分向（徑、切、垂），對強夯造成的地面振動速度進行了檢測，結果顯示，根據國家標準，該次強夯振動不會對橋墩產生破壞性影響。

強夯；振動；橋墩；檢測

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.015

1674-8565（2017）04-0081-06

山東省地震局合同制科研項目“地球物理勘探信息系統(tǒng)建設”（16Y103）

2017-04-12

2017-08-12

鹿子林（1980- ），男，山東省淄博市人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學（北京），碩士，工程師，現主要從事地球物理勘探、活斷層研究等方面的工作。E-mail：lvlin3956@163.com

0 引言

隨著城市基礎設施建設推進、工礦企業(yè)的資源開發(fā)加劇，現場施工及各種設施的運行產生的干擾，對人類的影響越來越大，尤其是振動干擾[1-2]，比如強夯、爆破等對周圍建（構）筑物特別是涉及到安全運行的設施、有人居住的小區(qū)、民房等都會造成一定的影響[3-6]，在一定范圍內激化了社會矛盾。為了把振動干擾控制在一定的范圍內，就需要對振動進行檢測，采取措施確保振動不超標，保證各設施的安全。

某在建商場項目在高鐵附近，正在進行強夯施工，某鐵路工務段工作人員在對高速鐵路基礎設施例行安全巡檢時,發(fā)現該在建商場強夯施工產生的振動波有可能對已運行一年的高鐵橋墩產生影響,為了確保高鐵基礎設施安全,我方對該強夯產生的振動進行了檢測。

1 現場概況

1.1 地形地貌

場地所屬地貌單元為第四系沖洪積地貌特征，地層為沖洪積成因，地形平坦，地面標高最大值為33.70m，最小值為31.88m，地表相對高差1.82m。地下水屬于孔隙潛水，勘探期間地下水埋深1.90～2.70m，平均埋深2.16m；相應標高29.78～31.60m，平均30.76m。

1.2 場地土層結構

場地鉆孔揭露深度范圍內，上部地層為第四系沉積物，下部基巖為燕山晚期輝長巖。地層從上而下分為10層：（1）雜填土（Q4

ml）；（2）粉質粘土（Q4al+pl）；（3）粉質粘土（Q3

al+pl）；（4）粘土（Q3al+pl）；（5）粉質粘土（Q3

al+pl）；（6）殘積土（Q3el）；（7）全風化輝長巖（γ5

3）；（8）強風化輝長巖（γ53）；（9）中風化輝長巖（γ53）。

圖1為場地典型工程地質剖面圖，從圖中可以看出淺部覆蓋層主要為第四系粉土及粉質粘土，主要層位基本連續(xù)、近水平層狀分布，局部有較小起伏和夾層，下伏輝長巖分為全風化、強風化及中風化三層，各孔的風化程度不一致，基巖面略有起伏，但起伏較為平緩。

圖1 場地工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological section

1.3 場地穩(wěn)定性評價

根據場地鉆孔工程地質剖面圖及地層描述來看，場地地形地貌單一，第四系地層主要為雜填土、粉質粘土、粉土和碎石土，下伏基巖為燕山晚期輝長巖，地層分布較連續(xù)，結構較簡單，屬同一個工程地質單元。無不良地質現象，物理力學性質較均勻，穩(wěn)定性較好，基巖分布連續(xù)，厚度穩(wěn)定，所揭露的地層沒有錯動和位移跡象。覆蓋層厚度小于30m，場地土的等效剪切波速為211.7m/s，場地土類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅱ類。

2 強夯振動的特點

2.1 夯擊能量的影響

強夯錘體從空中自由墜落時，大部分能量轉變成夯擊能，使地基得到加固，其中部分能量轉變?yōu)榈卣鸩?，以波的形式從夯擊點向各個方向傳播，引起地面振動，這種波包含壓縮波（P 波）、剪切波（S波）和瑞利波（R 波），其中壓縮波約占振動能量的7%，剪切波約為 26%，瑞利波所占的比例最大，約為67%。瑞利波是一種表面波，由于瑞利波積聚的能量較大，且沿自由表面?zhèn)鞑ィ鋫鞑サ木嚯x也較大，是強夯施工對周邊環(huán)境產生振動影響的主要能量，當振動強度超過一定水平時，就會造成建筑物的破壞。一般的，夯擊能量越大，在同一點造成的振動越大，夯擊能與振動速度呈二次曲線關系，夯檢距較小時，曲線較陡，隨著夯檢距的增大，曲線變緩，即近夯點時，隨著夯擊能的增大，振動速度增加的較快；遠夯點時，則隨著夯擊能的增大，振動速度增加的較慢。這表明，近夯擊點的振動強度對夯擊能量的變化較為敏感，這與夯擊振動的衰減規(guī)律密切相關。

2.2 夯檢距的影響

研究表明，離夯擊點越近，地面振動的強度越高，反之，強度就越低。強夯引起的地面振動的振幅值隨著夯檢距離增大按負冪函數曲線的形式急劇衰減，隨著距夯點距離的增大，衰減速度逐漸降低[7]。故強夯振動主要影響夯擊點附近較小的區(qū)域。國內外許多學者通過大量的研究給出了針對一般建筑物的大致安全距離，但作者認為就個案而言，不同的地質情況、不同的夯擊能量，不同的振動頻率等多種因素對建筑物的影響是多方面的，不能單獨就振動強度來確定安全距離，必須進行現場檢測，特別是臨近有重要建筑時，不可憑經驗武斷確定。當夯擊施工無法避免的要影響到臨近建筑物時，可以采取挖掘防震溝，減小夯擊能等措施，降低振動影響。

2.3 夯擊次數的影響

理論上,同一夯擊點上,隨著夯擊次數的增多,土層逐漸密實,地面同一點的振動幅值一般是隨著擊數的增大而增大,最后土層密實到一定程度后，振動幅值趨于定值，夯擊次數與振動強度呈二次曲線關系，但受各種因素的影響,錘體觸地時的姿態(tài)、落點并非與上一次完全一致，所以振動幅值并非像理想中那樣逐漸增大,而是隨著擊數的增大，振動幅值整體趨于二次曲線分布，即呈現逐步增大且增速逐漸變小的趨勢，并伴有個別減小的現象。

2.4 夯擊振動的方向和頻率特征

不同研究者就強夯產生的地面振動極值有不同見解，有學者測的徑向最大，有學者測的垂向最大，作者認為：強夯施工的介質一般為土體，而土體為非彈性、非均勻性介質，瑞利波在土體中的傳播較在彈性介質中的傳播要復雜的多，再加上錘體的形狀、落地的姿態(tài)，波傳播過程中遇到的特殊地質體，隱伏的建構筑物基礎等因素，最終導致在地面實測的最大分量可能會不同。

強夯施工激發(fā)的主振頻率較低，通常主頻在2～16Hz內，一般與強夯點的場地條件有關，硬度較大的場地測得的主振頻率較高；近夯擊點測得的主振頻率高頻分量大，隨著振動傳播距離的增大，其高頻成分逐漸衰減，振動主頻相對變低，強夯施工對周圍固有頻率較低的建、構筑物造成的影響也不能忽視。

夯擊產生的脈沖地震波與爆破產生的地震波具有相似性，都是瞬時達到振動峰值，并且持續(xù)時間很短，一般在2s以內，包含不同頻率成分，所以其產生的破壞可按《爆破安全規(guī)程》相關標準進行判定（表1）。

表1 爆破振動安全允許標準[8]

3 振動檢測

3.1 現場工作布置

在建商場位于高鐵線以東。最近的夯擊點距離高鐵橋墩約100m，地勢較為平坦，但工地與橋墩之間、沿鐵路線方向有不連續(xù)土堆。工地北側為國道車輛密集，南側為普通道路，車輛較少，東側為市內交通要道，車輛較多。

圖2 現場檢測布置圖Fig.2 Field detection layout

本次強夯設備為宇通400型，錘重20t，提升高度15m，單擊夯擊能力3000KN.m，每個夯擊點夯擊次數基本在9～10次，選取設計強夯區(qū)域離橋墩側最近的點進行夯擊檢測，在距離夯點較近的三個橋墩處分別放置一組檢測點，每組檢測點記錄三個分向（徑、切、垂）的振動，現場檢測點布置見圖2，全過程記錄相鄰3個夯擊點完整周期的振動。

3.2 現場檢測

數據采集儀使用北京東方噪聲和振動研究所生產的INV306D型，拾震器使用中國地震局工程力學研究所生產的891-2型。拾震器已經過中國計量科學研究院檢定合格。因場地處于鬧市區(qū)，交通、施工等干擾較多，故選擇在凌晨干擾較少的時段進行檢測。

對三組夯擊振動分別進行連續(xù)記錄，采樣頻率1024Hz，總記錄時長約2410s。夯擊點1夯擊次數9，夯擊點2夯擊次數10，夯擊點3夯擊次數9。按照規(guī)范要求讀取各檢測點的極大值，具體參數如表2所示。

表2 各測點實測情況

從實測數據看，三個分向的振動速度基本都在一個數量級，差別不大，但總體上水平向的振動幅度較大（表2），圖3-5分別是A、B、C三個檢測點檢測到的最大振動速度時的時程及其對應的頻譜，對所有振動時程進行頻譜分析后發(fā)現，本次振動的主頻在6～10Hz之間分布，三個點最大振動速度分別為0.11cm/s、0.10cm/s、0.12cm/s，檢測點A距離夯點較近，但檢測到的振動速度比C點小，估計是受地表與鐵路線平行分布的土堆影響所致，土堆對地震波的傳播起到了一定的衰減作用。

圖3 測點A最大振動速度時程（左）及其頻譜（右）Fig.3 Maximum vibration velocity time course of point A ( left ) and its spectrum ( right )

圖4 測點B最大振動速度時程（左）及其頻譜（右）Fig.4 Maximum vibration velocity time course of point B ( left ) and its spectrum ( right )

圖5 測點C最大振動速度時程（左）及其頻譜（右）Fig.5 Maximum vibration velocity time course of point C ( left ) and its spectrum ( right )

根據GB6722-2014《爆破安全規(guī)程》中對新澆大體積混凝土（C20）的振動安全允許標準（表1），f≤10Hz時齡期7～28d的振動允許標準是7cm/s, 各測點最大振動速度為0.12cm/s,數值遠遠小于標準值，故本次強夯施工所產生的地面振動對橋墩不會產生破壞性影響。

3.3 數據特征分析

表3為檢測點A的實測數據，由數據可知，垂向和切向的振動峰值都出現在負半軸即波谷的位置，切向振動峰值出現在正半軸即波峰的位置，其余檢測點也具有該特征；三個分向的振動絕對幅值差別不大，但水平向的振動絕對幅值要普遍大于垂直向，切向和徑向的絕對幅值差別不大，極值出現在切向的波谷位置。

表3 檢測點A實測數據

隨著夯擊次數的增加，三個分向的振動絕對幅值總體呈增大趨勢，增大的速度逐漸放緩，增大到一定的數值后，基本保持恒定。圖6為同一檢測點（A）記錄的相鄰3個夯擊點（夯擊點1～3，夯檢距相同）的夯擊過程（每個夯擊點8～9擊），由圖6可以看出在第一次夯擊時，相鄰夯擊點的地質條件基本相同，產生的振動速度大小是基本一致的，隨著夯擊次數的增多（以塑性變形為主的階段內），錘體觸地的一致性變差，故幅值不會按理想狀態(tài)來分布，但是幅值在總體趨于增大的過程中會逐漸趨向一致，即經過足夠次數的夯擊之后，介質物性指標會變得趨于一致，振動幅值趨于穩(wěn)定。

圖6 夯擊次數與振動強度的關系（垂向）Fig.6 The relationship between the number of ramming times and the vibration intensity ( vertical )

4 結論與建議

（1）檢測點的振動速度遠遠小于國家標準規(guī)定的數值，強夯對橋墩不會造成破壞性影響。

（2）水平向的振動幅值總體要比垂直向的大，且垂向和切向的峰值出現在負半軸，徑向的峰值出現在正半軸。

（3）強夯主振頻率較低，對固有頻率與強夯主振頻率相近的建、構筑物影響不容忽視。

（4）強夯施工離周圍建、構筑物太近無法規(guī)避時，可以采取挖掘防震溝、降低夯擊能等措施降低對其影響。

[1]陸偉東，韓曉健，楊放.強夯施工環(huán)境振動影響的評價方法[J].南京工業(yè)大學學報，2002，24（5）：65-68.

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[8]中國工程爆破協會.爆破安全規(guī)程（GB6722-2014）[S].北京:中國標準出版社，2014.

Seismic Effect Detection of High Speed Railway Bridge Piers Caused by Dynamic Compaction

LU Zi-lin1，XIA Nuan1，ZHANG Shi-peng2，DOU Lian-bo2，XU Wen-xing1

（1. Shandong Institute of Earthquake Engineering，Shan dong Jinan 250021，China 2.The 7th Institute of Geology and Mineral Exploration of Shandong Province，Shan dong Linyi 276006，China）

In order to ensure the safety of high-speed railway facilities，the nearest dynamic compaction point is selected to detect the pierbased on the characteristics of dynamic compaction vibration.Three sets of test points are set in the vicinity of the three piers, Each group consists of three parts（ radial,tangential and vertical），and the ground vibration velocity caused by dynamic compaction is tested.According to the national standard, the dynamic compaction vibration will not have a destructive effect on the bridge piers.

dynamic compaction;vibration; bridge piers;detection