Study on Vibration Effect of Combined Heavy Tamping on Soft Soil Foundation in City
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摘要: 为研究组合锤法强夯振动对周边场地环境的影响，对南昌市某软土地基进行现场原位试验。考虑距强夯点的距离、振动方向及锤击次数的影响，在各监测点分别布置水平东西、南北向和竖向振动传感器。结果表明：采用组合锤法进行地基强夯施工时，场地竖向振动是需重点监测的内容，振动响应随监测点与强夯点距离的增大而减小；距强夯点50 m范围处地面振动速度衰减至0.2 cm/s以下，可根据地面振动速度确定安全施工范围；地面加速度受锤击次数的影响较大，且水平向加速度对锤击次数的敏感性略高于竖向，锤击次数对地面水平向振动的影响不可忽略；基于试验数据和波源振动理论建立的振动加速度衰减模型综合考虑了距强夯点的距离、振动方向和修正系数（锤击次数的影响），经算例验证具有较强的适用性，可为同类场地采用组合锤法强夯施工提供参考。Abstract: In order to study the vibration effect of composite hammer method on the surrounding environment and its influencing factors, a soft soil foundation in Nanchang was tested. In the test, the influence of different distance, vibration direction and hammer times from the tamping point is considered, and the horizontal east-west, north-south and vertical vibration sensors are arranged at each measuring point respectively.The results show that the vertical vibration of the site is the key content to be monitored during the dynamic compaction of foundation by the combined hammer method, and the vibration response decreases with the increase of the distance between the monitoring point and the hammer point.The vibration velocity of the ground out the 50 m range attenuates to less than 0.2 cm/s, and the safe construction range can be determined according to the vibration velocity of the ground.The ground acceleration is greatly affected by the number of hammer blows (the maximum increase is 61.0%), and the sensitivity of horizontal acceleration to the number of hammer blows is slightly higher than that of vertical. The impact of the number of rammers on the horizontal vibration of the ground cannot be ignored.The attenuation model of vibration acceleration based on test data and wave source vibration theory takes into account the influence of distance, vibration direction and correction coefficient (the number of hammer strikes), which is proved to have strong applicability by calculation examples, and provides a certain reference for similar sites using combined hammer method.
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引言
组合锤法是针对软土地基加固的新型地基处理技术，分别采用柱锤、中锤和扁锤对施工场地深层、中层和表层地基土进行不断夯击，对土体中原有固相颗粒进行结构重组，使其紧密排列，分层挤密压实，进而形成上大下小的楔形墩体。通过组合锤法对欠固结、高压缩性土及深厚回填土等软土地基进行夯实挤密，形成低压缩性的墩体，使墩体与墩周土共同组成复合地基，施工简便，在不使用钢筋和混凝土等建筑材料的情况下可较好地提高地基承载力，处理效果显著，具有广泛应用空间。采用组合锤法对地基进行夯实处理时，除部分能量被强夯点吸收外，大部分能量从强夯点向四周波动扩散，引起土体振动，当振动超过一定限值时，可能给周边环境带来一定影响（李俊如等，2002）。
吴绵拔等（1992）研究了砂土中强夯振动速度衰减规律，发现强夯过程中，砂土振动速度小于黏土振动速度时，不易引起建筑物破坏；夏瑞良等（2001）通过现场测试，发现地动位移衰减趋势规律性较强；Pan等（2002）进行了松散土中动荷载强夯响应研究；尚军雷等（2006）和杨明等（2011）分析了不同振源对建筑物的影响机理，研究强夯施工产生的振动对周边厂房及住宅的影响，提出了相应减振措施；谭捍华等（2001）和韩俊艳等（2020）通过负幂函数拟合垂直振动速度及振动加速度的衰减趋势，拟合结果较理想，但未对地层条件、锤型、夯击能量及测距等因素进行分类讨论；周洋等（2018）、张力闻（2017）和王鹏程等（2015）依托实际工程，研究强夯振动对结构稳定性的影响，并分析不同因素对安全距离的影响，提出相应的安全距离；张露露等（2016）和张宏博等（2015）根据工程实测，研究不同夯击能量及夯击次数对速度及振动频谱的影响，发现夯击能量越大、夯击次数越多，对场地的影响越大；林伟斌等（2018）研究发现，当夯击能量较小时，速度衰减较快，监测点速度随着锤击次数的增加先增大后减小；王斯海等（2016）提出了2种场地条件下振动速度衰减公式及不同夯击能量下的安全距离，但该研究中的2种地区土层条件较复杂，场地强夯振动响应可能与土层综合性质及土层间的共同作用有关，仅定性分为“上硬下软”地基和“上软下硬”地基可能不准确；时伟等（2019）通过在粉细砂场地进行强夯试验，研究强夯振动对建筑物不同楼层振动的影响，得到不同楼层处环向振动速度最大的结论。
组合锤法是综合改进普通强夯法、强夯置换法和柱锤冲扩桩法的新型施工工法，虽在工艺、施工效果及经济性上具有显著工程价值，但其施工引起的土体振动对周边环境的影响尚不明晰，因此，研究组合锤法振动成因、影响范围、影响因素对其推广应用具有重要意义。为此，本文选取南昌市某软土工程场地作为试夯区域，沿试夯点东西测线方向布置4个监测点，监测水平向及竖向加速度峰值，根据速度、加速度峰值变化趋势、频谱分布特征，确定组合锤法施工影响范围。
1. 现场监测
1.1 测试场地概况与振动影响评判依据
本文对组合锤法振动效果进行3次现场测试，地质勘察报告揭示的工程场地地层自上而下分别为：①素填土：层厚1.60～6.00 m；②粉质黏土：可塑，中等压缩性，层厚5.1～7.2 m；③淤泥质土：层厚0.60～3.30 m；④细砂：饱和，松散～稍密，层厚0.80～10.10 m；⑤中砂：饱和，稍密～中密，层厚1.50～5.00 m，以下岩土层略。试验场地地下水位为0.80～3.00 m。
目前，对场地振动动力特性测试并无统一规定，由于场地属于半无限域地质体，与地基等结构物的动力特性有所区别。强夯法引起的地面振动频率一般在20 Hz以内（Hwang等，2006），与爆破引起的振动频率、建（构）筑物和施工机械设备的固有频率接近，故选用《爆破安全规程》（GB 6722—2014）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015）规定的爆破振动安全允许距离进行安全标准评判及允许距离控制。
1.2 试验仪器与监测点布置
本试验采用扁锤进行强夯，锤重10 t，锤高1 m，落距为30 m。现场振动监测主要采用891型振动测量传感器、891型信号放大器和数据采集器等仪器，其中，891型振动测量传感器加速度测量范围为±1.0 g，加速度灵敏度为1 000 mV/g，采样频率为0.5～80 Hz；891型信号放大器用于配合测取场地振动加速度信号，使用频率为0.15～100 Hz，满足本次试验测试要求。
分别在距强夯点15、30、50、100 m处各布置3个891型振动测量传感器，水平东西向、水平南北向和竖向各布置1个（图1）。在距组合锤法设备15、30、50、100 m处测量水平东西向振动加速度时程、水平南北向振动加速度时程及竖向振动速度时程，分别研究单点单次加速度变化规律及锤击次数对加速度与场地振动的影响。
2. 振动测试结果分析
施工工况为组合锤法设备无配重正常施工，偏心距30 cm，通过振动测试仪器进行现场振动测试，采集监测点处场地地表振动加速度时程曲线。
2.1 单点单次加速度与频谱分析
监测点加速度时程曲线和频谱曲线如图2～4所示，图中15 m HWE表示15 m监测点处水平东西向，以此类推。对加速度进行时域积分获得速度，加速度与速度峰值如表1所示。
图 2 监测点水平东西向加速度时程曲线与频谱曲线Figure 2. Time history analysis curve and spectrum curve of horizontal east-west acceleration at different distances
图 3 监测点水平南北向加速度时程曲线与频谱曲线Figure 3. Acceleration time history analysis curves of horizontal north-south direction at different distances
图 4 监测点竖向加速度时程曲线与频谱曲线Figure 4. Acceleration time-history analysis curves and spectrum curves of vertical direction at different distances表 1 监测点加速度峰值与速度峰值Table 1. Peak acceleration and peak velocity at monitoring points监测点 水平东西向 水平南北向 竖向 加速度峰值/cm·s−2 速度峰值/cm·s−1 加速度峰值/cm·s−2 速度峰值/cm·s−1 加速度峰值/cm·s−2 速度峰值/cm·s−1 15 m 99.9 2.5 74.1 2.8 139.1 3.1 30 m 58.9 1.8 71.6 2.0 99.5 2.6 50 m 7.2 0.3 27.1 0.4 7.5 2.0 100 m 5.9（剔除异常点） 0.1 2.4 0.1 2.6 0.3 （1）组合锤法施工引起的地面竖向振感明显高于水平东西向、南北向，距强夯点15 m的监测点，竖向加速度峰值为139.1 cm/s2，水平东西向、南北向加速度峰值分别为99.9、74.1 cm/s2，可知采用组合锤法施工时竖向振动加速度和速度应为主要监控量。
（2）距强夯点较近的2个监测点，竖向加速度峰值分别为139.1、99.9 cm/s2，均大于水平向加速度，但距强夯点100 m处监测点加速度峰值均衰减至6 cm/s2以内，可知组合锤法施工会引起周边土层及监测点振动，且在强夯过程中持续造成影响。
（3）距强夯点15、30、50 m处监测点各方向加速度时程曲线基本一致，距强夯点100 m处监测点各向加速度时程曲线呈低幅值的近似白噪声曲线，速度峰值呈缓慢减小的趋势，至100 m处均降至0.3 m/s以下。随距强夯点距离的增大，水平向、竖向加速度总体呈衰减趋势，仅在距强夯点100 m处，监测点水平东西向加速度峰值在尾部出现异常，产生异常的原因主要是在锤击完成收锤阶段产生了明显的收锤动能，达到80 cm/s2左右，可在加速度时程曲线上明显看出。
（4）由频谱曲线可知，距强夯点15、30 m处基频约为50 Hz，整体基频段较稳定，距强夯点50 m处基频为100 Hz左右，距强夯点100 m处基频为70 Hz左右，高频分量所占比重越来越大，由此可见，采用高频组合锤法可降低对周边环境的影响，此外，可通过增设隔振沟（填充阻尼材料）减少施工振动的影响。
（5）借助Matlab软件对加速度时程数据进行积分求解，获得速度时程曲线。分析速度峰值可知，距强夯点50 m处的监测点竖向振动速度衰减至2 cm/s以下，依据《爆破安全规程》（GB 6722—2014）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015）规定，当f≤10 Hz，对于土坯房，毛石房屋允许振动速度为0.15～0.45 cm/s，一般民用建筑物允许振动速度为1.5～2.0 cm/s，故认为组合锤法施工可能对距强夯点50 m范围内的建筑物造成一定影响，应避免此范围内出现建筑物和人员密集的公共区域。
2.2 锤击次数对场地振动的影响
为研究锤击次数对场地振动的影响，对连续锤击6次的场地振动参数进行测试并记录。限于篇幅，本文取1、3、5锤的振动加速度峰值进行分析（图5）。考虑强夯法引起的地面振动频率一般＜20 Hz（Hwang等，2006），与爆破引起的振动频率、建（构）筑物和施工机械设备的固有频率相近，强夯法具有冲击型点振源，土层以垂直振动为主，主要引起纵波（沿深度发展的压缩波）和横波（与质点前进方向垂直），土体受到的垂直振动往往大于水平振动，本文监测数据也证实了此特点（表1），故单独绘制竖向速度峰值在不同锤击次数下随距离衰减曲线，如图6所示。
图 5 监测点加速度峰值随距离衰减曲线Figure 5. Attenuation curve of peak acceleration of monitoring points with distance
图 6 监测点竖向速度峰值随距离衰减曲线Figure 6. Attenuation curve of peak vertical velocity of monitoring points with distance由图5可知，不同锤击次数下，振动加速度衰减趋势较相似。场地振动加速度峰值随着锤击次数的增加而增大，且增幅在距强夯点15～50 m处较明显，至距强夯点100 m处时增幅已较小，衰减曲线从50 m处的陡降逐渐变缓，这主要是因为在强夯过程中土体产生了压缩变形，随着锤击次数的增加，土体逐渐密实，振动能量波扩散传递速度提高，但被加固的土层几乎集中在强夯点周围15 m范围内，因此距强夯点越远，增幅越小。
距强夯点距离为15 m时，锤击次数由1次增至5次时，监测点水平东西向、南北向及竖向振动加速度峰值分别由99.9、74.1、139.1 cm/s2增至152.8、119.8、182.5 cm/s2，增幅为50%、61%、31.2%，水平向振动加速度峰值变化幅度总体大于竖向，由此可见，水平向振动加速度对锤击次数更敏感。
由图6可知，不同锤击次数下，测点竖向速度峰值变化趋势基本相同，呈较稳定且平缓衰减的趋势。
3. 振动加速度衰减模型与验证
3.1 振动加速度衰减模型建立
振动传播及衰减与土性质、振源特征、振动能量、振源频率等因素密切相关，根据《动力地基与基础》中杨先健等提出的观点（王杰贤，2001），可采用近似关系将动力面源引起的地面振动传播表示为与波源距离r、几何衰减系数ξ0、土能量吸收系数β等因素相关的以爆破振动为主的函数，如式（1）所示，函数左侧
$ {A}_{r} $ 表示振动加速度。$$ {A}_{r}={A}_{0}\sqrt{\frac{{r}_{0}}{r}\left[1-{\xi }_{0}\left(1-\frac{{r}_{0}}{r}\right)\right]{\rm{exp}}\left[-\overline {\beta }\left(r-{r}_{0}\right)\right]} $$ (1) 式中：
$A_r $ 表示与波源距离为r的振动加速度；$A_0 $ 表示震源加速度；${\xi }_{0} $ 表示几何衰减系数；$ \overline {\beta }$ 表示土能量吸收系数。使用式（1）的振动衰减模式作为地面振动传播的参考，并利用模拟振动衰减数据拟合曲线建立预测模型。由于无法全面考虑所有因素，因此，将地面竖向振动加速度项、振源传给地面的波动随距离衰减项、振动修正因子作为主控因素，用于考虑点源振动对地面振动的预测，建立水平向及竖向振动加速度衰减经验公式：
$$ {A}_{(x,y,z)}=A+{A}_{xy}{\mathrm{e}}^{-\beta \frac{r}{{r}_{_0}}}+\varDelta $$ (2) 式中，A(x,y,z)表示地面水平向及竖向振动加速度；A表示距离衰减系数；Axy表示振源竖向加速度；β表示土能量吸收系数；
${A}_{xy}{\mathrm{e}}^{-\beta \frac{r}{{r}_{_0}}}$ 表示地面波动随距离的衰减项；Δ表示振动修正因子。基于现场振动测试结果，选用r0=1 m作为波源半径，所以Δ=0，采用最小二乘法对各监测点不同方向加速度峰值进行非线性回归分析，获得不同方向振动加速度衰减公式，具体计算过程不再赘述。
水平东西向振动加速度衰减公式：
$$ {A}_{x}=-48.671\;4+225.927\;5{\mathrm{e}}^{(-0.027\;9r/{r}_{_0})} $$ (3) 水平南北向振动加速度衰减公式：
$$ {A}_{y}=-12.171\;8+138.790 \;3{\mathrm{e}}^{(-0.026\;3r/{r}_{_0})} $$ (4) 竖向振动加速度衰减公式：
$$ {A}_{z}=-11.184\;2+277.478\; 4{\mathrm{e}}^{(-0.038\;0r/{r}_{_0})} $$ (5) 使用非线性回归分析获得不同方向加速度衰减公式，式（3）~（5）计算结果均方差分别为0.071，0.326，0.189，相关系数分别为0.945，0.962，0.971，说明拟合的衰减公式精度较高。
3.2 振动加速度衰减模型验证
利用第5次锤击次数下的加速度峰值对衰减公式进行验证，考虑拟合曲线参数b、c用于控制曲线形态，参数a用于控制曲线截距，由前文可知，锤击次数在一定程度上影响了加速度峰值，故通过固定参数b、c，调整参数a进行拟合，拟合曲线如图7所示，衰减公式及相关系数如表2所示，实测值与模型预测结果吻合较好，证明振动加速度衰减模型适用于该场地条件下组合锤法施工振动影响预测。
表 2 衰减曲线回归分析结果Table 2. Results of regression analysis of attenuation curveResults of regression analysis of attenuation curve方向 加速度衰减公式 相关系数 水平东西向 ${A_x} = - 21.325 + 225.927\;5{ {\rm{e} }^{\left({ - 0.02\;9r/{r_{_0}}{\rm{} } } \right)} }$ 0.915 水平南北向 ${A_y} = 27.256 + 138.790\;3{ {\rm{e} }^{\left({ - 0.026\;3r/{r_{_0}}{\rm{} } } \right)} }$ 0.927 竖向 ${A_z} = 37.231 + 277.478\;4{ {\rm{e} }^{\left({ - 0.038\;0r/{r_{_0}} } \right)} }$ 0.935 4. 结论
本文通过对南昌市某软土地基各测线方向加速度峰值变化趋势及频谱分布特征进行分析，获得加速度峰值衰减规律、组合锤法施工影响范围及锤击次数对场地振动的影响，在现场测试的基础上建立了振动加速度衰减分析模型，并进行了算例验证，主要得出以下结论：
（1）采用组合锤法进行地基强夯施工时，场地竖向振动是需要重点监测的内容，监测点振动加速度（速度）随与强夯点距离的增大而减小，进行单点单次夯锤时，距强夯点50 m处地面振动速度衰减至0.2 cm/s以下，故在此范围内进行组合锤法施工时，可能对周边环境造成一定影响。
（2）根据地表加速度频谱分析可知，可通过改变组合锤法及场地土固有频率减小强夯对场地振动的影响。
（3）土体受持续夯击而压实挤密，其密实程度与锤击次数成正相关关系，因此，随着振动能量波扩散传递速度提高，在其影响范围内加速度峰值增加趋势明显，最大可产生61.0%的增幅。此外，水平向加速度对锤击次数的敏感性略高于竖向加速度，竖向速度衰减趋势受锤击次数的影响较小。
（4）基于现场测试结果及面波振动函数，将地面竖向振动加速度项、振源传给地面的波动随距离衰减项、振动修正因子作为主控因素，通过非线性回归分析构建不同方向振动加速度衰减模型，并通过算例验证了其合理性，可为同类场地采用组合锤法强夯施工提供参考。
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图 2 监测点水平东西向加速度时程曲线与频谱曲线
Figure 2. Time history analysis curve and spectrum curve of horizontal east-west acceleration at different distances
图 3 监测点水平南北向加速度时程曲线与频谱曲线
Figure 3. Acceleration time history analysis curves of horizontal north-south direction at different distances
图 4 监测点竖向加速度时程曲线与频谱曲线
Figure 4. Acceleration time-history analysis curves and spectrum curves of vertical direction at different distances
图 5 监测点加速度峰值随距离衰减曲线
Figure 5. Attenuation curve of peak acceleration of monitoring points with distance
图 6 监测点竖向速度峰值随距离衰减曲线
Figure 6. Attenuation curve of peak vertical velocity of monitoring points with distance
表 1 监测点加速度峰值与速度峰值
Table 1. Peak acceleration and peak velocity at monitoring points
监测点 水平东西向 水平南北向 竖向 加速度峰值/cm·s−2 速度峰值/cm·s−1 加速度峰值/cm·s−2 速度峰值/cm·s−1 加速度峰值/cm·s−2 速度峰值/cm·s−1 15 m 99.9 2.5 74.1 2.8 139.1 3.1 30 m 58.9 1.8 71.6 2.0 99.5 2.6 50 m 7.2 0.3 27.1 0.4 7.5 2.0 100 m 5.9（剔除异常点） 0.1 2.4 0.1 2.6 0.3 
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表 2 衰减曲线回归分析结果
Table 2. Results of regression analysis of attenuation curveResults of regression analysis of attenuation curve
方向 加速度衰减公式 相关系数 水平东西向 ${A_x} = - 21.325 + 225.927\;5{ {\rm{e} }^{\left({ - 0.02\;9r/{r_{_0}}{\rm{} } } \right)} }$ 0.915 水平南北向 ${A_y} = 27.256 + 138.790\;3{ {\rm{e} }^{\left({ - 0.026\;3r/{r_{_0}}{\rm{} } } \right)} }$ 0.927 竖向 ${A_z} = 37.231 + 277.478\;4{ {\rm{e} }^{\left({ - 0.038\;0r/{r_{_0}} } \right)} }$ 0.935
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