丁文湘，丁海滨，徐长节，杨园野

（1.浙江省工业设计研究院，杭州 310052；2.华东交通大学 岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌 330013）

强夯加固地基土振动传播特性及隔振孔隔振分析

丁文湘1，丁海滨2，徐长节2，杨园野2

（1.浙江省工业设计研究院，杭州 310052；2.华东交通大学 岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌 330013）

随着强夯法的广泛应用，强夯引起的环境振动问题越来越受到重视，通过理论分析，进行数值模拟，通过与实际施工情况进行比对，确认模拟的有效性。然后通过模拟改变单一变量，研究了强夯施工中的施工参数夯锤锤径、夯击能组合对环境振动的影响，并采用同样的方法，分析非连续性隔振屏障，隔振孔的三项参数孔径、孔间距及孔深，对于隔振效果的影响。发现同等锤重条件下，大锤径有利于减小环境振动，同等夯击能下，轻锤高落有益于减小环境振动；隔振孔孔深达到一定值时，孔径和孔间距比值越大，隔振效果越佳。研究结论对于强夯施工中的环境振动控制具有一定的参考价值。

振动与波；强夯；振动传播；夯锤；隔振孔

强夯施工作为一种经济有效的地基土加固措施，在铁路、公路、机场地基处理及山区城市扩建工程中被广泛的采用。然而，随着振动危害越来越受到人们的广泛关注，强夯施工引起的环境振动日益受到国内外学者的重视。在振动研究领域中，一般进行激振源的特性、振动在介质中的传播规律、受振结构的响应及隔振四个方面的分析研究。

对于强夯振动的研究，高宏兴等通过分析强夯振动加速度产生的附加力，提供了一个定量计算强夯振动对岸坡稳定性影响的计算方法[1]。任书考通过实际工程案例，重点分析了加速度的变化规律，提出了确定强夯施工的最小安全距离及有效加固深度的“图解法”[2]。吴铭炳等首次采用数值分析法研究了强夯加固机理[3]。吴绵拔、黄志鹏、蒋鹏、刘利平、施有志等对不同土体的强夯加固机理及振动规律进行分析[4–8]。在此基础上，陈超等采用三维数值模拟法对强夯加固回填土地基振动特性进行研究，得出速度和加速度的分布规律[9]。徐通、张涛等对强夯振动对周边环境的影响进行研究[10–12]。

分析强夯振动的传播特性，控制强夯振动的传播以及确定隔振屏障在强夯施工中的作用，对于减小强夯施工对环境的影响具有重要意义。文中基于浙江省淳安某工程，采用Abaqus软件，研究强夯施工中，不同模式下，强夯振动对环境的影响，并分析了隔振孔参数对隔振效果的影响。

1 工程概况

拟建工程位于浙江淳安建德市，地貌属于丘陵洼地，场地揭露地层以粘质粉土和粉土为主。工程采用强夯法处理该地基，使用夯锤的质量为22 000 kg，锤底半径为1.1 m，落距h为22 m，分三遍强夯。

为了更好研究强夯施工，为强夯施工提供参考，在强夯施工前和强夯施工完成后，分别对场地进行取样，进行常规土工试验，获得土样数据，为相关研究提供第一手资料，为简化计算，有限元计算中的相关参数调整后如表1所示。

2 三维数值分析

2.1 简化荷载模式

强夯的主要加固机理是，通过施工机械将夯锤提升到设计高度后，通过自动脱钩器，让夯锤自由下落，夯击加固点，使土体快速固结。

根据强夯的作用过程，吴铭炳等学者将强夯的瞬态冲击荷载概化成三角形或半正弦形式[3]，该形式经过强夯接触应力的实测，证实在夯锤和地表的冲击碰撞过程中，应力波确为一尖峰，符合三角形或半正弦的概化形式。模拟采用半正弦形式，如图1所示。

图1 强夯瞬态荷载形式

其中tN和Pmax可以用如下公式进行估算[3]

式中v0为夯锤到达地表的锤击速度；m和r分别为夯锤质量和夯锤半径；S为弹性常数，计算式为S=2rE/(1-μ2)；E和μ分别为变形模量和泊松比。

强夯锤的刚度大，底面平整，可认为其施加在作用面上的是均布动荷载。

2.2 土体本构模型

Mohr-Coulomb模型被大量运用于岩土分析中，已被证实具有足够的精度。数值模拟采用Abaqus非线性动力分析模式。Mohr-Coulomb模型的主要土体参数有：初始弹性模量E0、内摩擦角φ、膨胀角ψ、泊松比µ、屈服塑性应变εp、黏聚力c、以及密度ρ等，有限元分析中土体参数如表1所示。

表1 强夯有限元计算的主要参数

2.3 强夯加固区内的土体弹性模量

强夯加固区随着夯击次数的增加，加固区范围亦不断扩大。数值模拟将此区域在空间上等效成以夯锤底面为上表面的规则四棱台。在每次夯击后，将土体塑性应变值大于5%的区域视作土体的加固区，作为下次夯击分析的基础[13]。随着夯击次数的增加，塑性区扩大，在隔振孔隔振效果分析中，取第10次夯击作为主要研究对象。

在一般夯击过程中，加固区内土体弹性模量随着夯击次数逐渐增大，钱家欢等提出用以下经验公式进行拟合[14]

式中N为夯击次数；E为夯击N次后加固区内土体的弹性模量；

2.4 单元类型及计算模型

本次模拟主要研究强夯的振动传播特性随强夯模式的变化规律及隔振孔施工参数对隔振效果的影响。Abaqus中1阶单元比2阶单元能更好模拟应力波的传播，故考虑采用1阶八节点的三维实体减缩积分单元（C3D8R）。经分析试算，模型尺寸取为62 m长，62 m宽，31 m高，单元格长边尺寸不大于1 m，如图4所示。

图2 强夯分析模型与单元格划分

2.5 数值模拟与现场检测数据对比

根据工程实际，采用22 t夯锤，夯锤半径为1.1 m，落距为22 m，进行强夯模拟，计算振动衰减规律，与现场检测数据对比，如图3所示。

图3 数值模拟与现场实测数据对比曲线

可以看出，现场得到的实测数据和数值模拟方法所得出的结果虽然略有差距，但总体具有良好的一致性，说明本次模拟是有效的。

3 强夯振动的传播特性分析

国内外大多采用振动速度值或振动加速度值来衡量强夯振动效应，普遍采用振动速度幅值不超过0.050 8 m/s且加速度幅值不超过0.1 g作为建筑物安全振动控制标准。文中同样以速度和加速度作为参数，对强夯振动中波的传播特性进行分析。

3.1 夯锤半径对振动传播的影响

图4与图5所示为在锤重和落距相同的情况下，采用不同夯锤半径（1.0 m、1.5 m和2.0 m）时，最大竖向速度和加速度随水平距离的衰减曲线。

图4中可以看出，强夯地表振动的强度对夯锤半径的变化比较敏感，表现为在近场振动时振动强度变化较大，随距离的增大衰减较快。在相同的夯击能下，较小的夯锤半径对应的施工安全距离更大；图5中可以看出夯锤的半径对近场土体振动加速度峰值的影响较大，夯锤半径越小，产生的振动加速度峰值越大，振动的影响范围也更广些。因此，在满足工程其他要求的前提下，为减小强夯施工振动对环境的影响，同等锤重下，优先选用较大半径的夯锤进行施工。

图4 不同夯锤半径工况下最大竖向速度随水平距离的衰减曲线

图5 不同夯锤半径工况下最大竖向加速度衰减曲线

3.2 不同夯击能组合对振动传播的影响

图6与图7所示分别为夯击能和夯锤半径相同的情况下，不同夯锤组合工况下最大竖向速度和最大竖向加速度随水平距离的衰减曲线。计算三种不同的夯击能组合形式，分别为20 t×20 m、25 t×16 m以及32 t×12.5 m。可以看出，重锤低落距方式在近场产生的振动速度和加速度较轻锤高落距方式大些，但速度峰值相差较大，加速度峰值相差较小。由此可得，夯锤半径和夯击能相同的情况下，采用轻锤高落的方式进行施工，可减小振动对环境的影响。

图6 不同夯锤组合下最大竖向速度随水平距离的衰减曲线

4 隔振孔的隔振特性

图7 不同组合方式下最大竖向加速度随水平距离的衰减曲线

隔振沟以其经济性和对阻断面波传播的有效性在施工隔振中被广泛应用。但隔振沟通常存在自稳的问题。而隔振孔作为非连续性屏障，却极少有学者进行研究。本次模拟采用22 t夯锤，夯锤半径为1.1 m，落距为22 m，隔振孔布置如图8所示。

图8 隔振孔平面布置图

4.1 隔振孔孔径与孔间距对隔振效果的影响

在距夯击点水平距离10 m的位置设置隔振孔，隔振孔深30 m，隔振带长40 m。在不同的孔径和孔间距下，地表各点的速度和加速度如图9与图10所示。

图9 地表振动速度峰值随孔径和孔间距的变化曲线

可以看出：隔振孔对于隔振带前的土体，隔振效果较小；对于隔振带以后土体的隔振效果随着隔振孔参数的变化，隔振效果变化较大。

图10 地表各点振动加速度随孔径和孔间距的变化曲线

通过图9、图10可以看出，孔径为1 m、间距为1.5 m工况下的竖向振动速度和加速度峰值衰减曲线和孔径为0.5 m、间距为0.75 m工况下的衰减曲线很相近；孔径为1 m、间隔为2 m时的竖向振动速度和加速度峰值衰减曲线与孔径为0.5 m、间距为1 m时的曲线很相近；而孔径为1 m、间隔为3 m时的竖向振动速度和加速度峰值衰减曲线与孔径为0.5 m、间距为1.5 m时的曲线基本重合。可知在孔深足够深、隔振带足够长的情况下，隔振孔的隔振效果受孔径大小的影响较小，而与孔径与孔间距的比值成正相关关系，隔振孔直径与隔振孔间距比值越大，隔振效果越好。

计算开挖方量可知，当隔振带分布长度、隔振孔深度相同的情况下，达到相同的隔振效果，采用孔径小的隔振孔土方开挖量要小。因此在工程中，在施工机械允许的条件下，隔振孔的布置应优先采用小孔密布的形式。

4.2 隔振孔深度对隔振效果的影响

图11和图12所示的是孔径为1 m、间距为2 m时，孔深分别为5 m、10 m、30 m情况下的速度和加速度随着水平距离的衰减曲线，从图中可以看出：孔深为10 m时衰减明显比孔深为5 m时快，而孔深变为30 m时，衰减曲线和孔深为10 m时的衰减曲线很贴近。

图11 地表各点振动速度随孔深的变化曲线

可知，当隔振孔孔径与孔间距比值不变时，隔振孔的隔振效果随孔深度的增加在一定范围内变化较为明显，但当孔深超过一定范围时，隔振孔孔深的增加对隔振效果没有明显影响。因此在施工中，在优先选用小孔密布形式的同时，选择合适的孔深即可，并非越深越好。

图12 地表各点振动加速度随孔深的变化曲线

5 结语

依据强夯的作用机理，结合工程实例，建立数值分析模型，对强夯施工过程中引起的振动问题进行研究，并与工程中实测数据进行比较，证明了模拟的有效性；并研究了隔振孔各项参数的变化对于隔振效果的影响，研究表明：

(1)在相同的锤重和落距情况下，夯锤的半径对近场土体振动速度和加速度峰值的影响较大，夯锤半径越小，产生的振动加速度和速度峰值越大，振动的影响范围也更广，对应的施工安全距离更大。在满足工程其他要求的前提下，为减小强夯施工振动对环境的影响，同等锤重情况下，优先选用较大半径的夯锤进行施工。

(2)在相同夯击能条件下，重锤低落距方式在近场产生的振动速度和加速度较轻锤高落距方式大。采用相同的夯击能条件时，优先选用轻锤高落的方式进行施工，可减小振动对环境的影响。

(3)在隔振带分布范围足够广、隔振孔深度足够深时，隔振孔的隔振效果与孔径的大小基本无关，与孔径与孔间距的比值成正相关关系，隔振孔直径与隔振孔间距比值越大，隔振效果越好。在工程中，在施工机械允许的条件下，隔振孔的布置应优先采用小孔密布的形式。

(4)当隔振孔孔径与孔间距比值一定时，在一定范围内，隔振孔的隔振效果随孔深度增加变化较为明显，但当孔深超过一定范围时，隔振孔孔深增加对隔振效果没有明显影响。在施工中，选择合适的孔深即可，并非越深越好。

[1]高宏兴，洪武铮，翁慧勤.强夯振动对岸坡稳定的影响及其分析[J].水运工程，1982(05)：13-16.

[2]任书考.强夯振动测试与资料分析研究[J].工程勘察，1983(4)：46-51.

[3]吴铭炳，王钟琦.强夯机理的数值分析[J].工程勘察，1989(3)：1-5.

[4]吴绵拔，李俊如.强夯对环境的振动影响研究[J].土工基础，1992(2)：13-18.

[5]黄志鹏，肖本职.强夯施工地面振动特性的试验研究[A].全国复杂地基处理与岩土工程测试新技术研讨会，1998，广州.

[6]蒋鹏，李荣强，孔德坊.强夯振动影响的数值分析[J].地下空间，2001(S1)：544-548+592-593.

[7]刘利平，刘晶晶，石明禄.强夯作用下饱和软土地层的沉降和变形性状[J].地下空间与工程学报，2011(6)：1222-1226+1232.

[8]施有志.强夯引起的振动规律及环境效应分析[J].岩土工程技术，2007(3)：144-148.

[9]陈超，徐长节，蔡袁强.强夯加固回填土地基振动特性的三维数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报，2009(12)：119-122.

[10]徐通.强夯施工振动对周边环境影响的三维数值分析[J].广东土木与建筑，2014(8)：45-48.

[11]张涛，吕淑然，杨凯.强夯振动对周边环境的影响研究[J].中国安全科学学报，2014(11)：127-132.

[12]张涛，吕淑然.强夯振动波形特征及衰减规律探究[J].绿色科技，2015(1)：259-260.

[13]蔡袁强，陈超，徐长节.强夯加固回填土地基的三维数值模拟[J].岩土力学，2007(6)：1108-1112.

[14]钱家欢，帅方省.边界元法在地基强夯加固中的应用[J].中国科学(A辑数学物理学天文学技术科学)，1987(3)：329-336.

Analysis of Vibration Propagation Characteristics and Effect of Vibration Isolation Holes in Soil Foundation Reinforced by Dynamic Consolidation

DING Wen-xiang1,DING Hai-bin2,XU Chang-jie2,YANG Yuan-ye2
(1.Zhejiang Industry Design and Research Institute,Hangzhou 310013,China;2.Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety Control in Geotechnical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

With the wide application of dynamic consolidation method,the problem of environmental vibration induced by this method gets more and more attention.By comparing with the actual engineering construction,the validity of theoretical analysis and numerical simulation is confirmed.Through changing the parameters of the dynamic consolidation one by one,the influences of tamper diameter and tamping energy combination on the environment vibration are simulated and analyzed.In the same way,the influence of three parameters of vibration isolation holes in discontinuous barriers,such as diameter,spacing and depth of the hole,on the vibration isolation effect of the barriers is analyzed.The results demonstrate that the larger tamper diameter with the same weight and light tamper with higher drop distance are beneficial for reducing the environmental vibration.When the depth of the isolation holes reaches a certain value,increase of the diameter-to-spacing ratio of the holes can raise the isolation effect of the barriers.This research has a guiding significance for the construction of dynamic consolidation and environment vibration control.

vibration and wave;dynamic consolidation;vibration propagation;tamper;vibration isolation hole

TU435

A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.024

1006-1355(2017)04-0121-05

2016-12-29

青年科学基金资助项目（51508192）；江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室开放基金资助项目（20161BCD40010）；国家自然科学基金资助项目（51338009）

丁文湘，男，杭州市人，高级工程师，主要研究方向为土动力学。

E-mail:5745546@qq.com