黄 璇，许彩琦

(1.宁夏工程物探勘察研究院有限公司， 宁夏 银川 750001；2.宁夏地质调查院， 宁夏 银川 750021)

某公益性水库是宁夏中部干旱带脱贫攻坚水源工程之一，设计总库容200×104m3，在灌溉空挡期蓄水入库，到用水高峰期将水库的水补充到渠道中，缓解生态移民区灌溉高峰期用水压力。

水库选址地处于湿陷性黄土区，地表被主要由黄土、风积沙组成的第四系覆盖，湿陷性黄土在水和外力的作用下会发生显著的附加下沉，为提前完成沉降,提高库区地基土的强度并降低其压缩性增加土体密度，决定采用在湿陷性黄土地基处理建设中广泛应用的强夯法进行施工[1-2]，选择YTQH450型强夯机，重锤为50 t，夯击能量10 000 N·m。

强夯法[3-4]即强力夯实法，又称动力固结法，最早于20世纪60年代由法国Menard技术公司创用，施工过程滞后由强夯机重锤提升到一定高度后自由落下，给土体以冲击力和振动进行强力夯实，迅速提高土体的承载力及压缩模量，形成比较均匀的、密实的地基，并在一定深度范围内改变土体的孔隙分布[5-9]，达到改善抗振动液化能力并消除土体的湿陷性的目的。

该方法具有经济高效的优点，但是大吨位重锤在自由落下时会在极短时间内对土体施加巨大冲击能量，大部分能量作用于夯击面，形成垂直和水平两个方向作用力，同时部分能量以纵波、横波以及面波的形式，从夯击点向四周传播，引起地表的强烈振动，振动强度达到一定数值后[10-15]，就会对一定距离内的地面构筑物产生不同程度的损害。

为避免强夯产生的有害振动破坏周围正在使用中的房屋、渡槽等建筑物结构，影响到建筑物的功能和使用，造成不良的影响，在水库工程坝基强夯施工场地指定的场区进行振动监测，获得了完整准确的振动监测数据，客观评价了强夯施工产生振动对建筑物的影响。

1 振动观测设备及评价依据

1.1 振动观测设备

本次振动观测采用3台YL-VMI振动监测仪，该仪器采集时自适应量程，无须调整，采集时间可根据实际需要单独设置，可以在现场通过仪器本身的功能读出特征值，大致预览已经采集到的信号波形，数据记录为连续模式,能同时显示振动速度、主频及记录发生时刻，3台振动监测仪经一致性对比，误差满足观测质量要求，可用于野外监测数据采集。

1.2 评价依据与标准

国内外大量的工程实践表明，地面结构物、建筑物的破坏程度与振动引起的地面质点峰值速度相关性最好，地面质点速度值可以作为衡量建筑物振动效应的判别标准。

依据《机械振动与冲击 建筑物的振动 振动测量及其对建筑影响的评价指南》[16](GB/T 14124—2009)和《建筑抗震设计规范》[17](GB 50011—2010) ，结合水库坝基夯击场地及周围地表构筑物实际，确定本次监测对地表构筑物不会产生结构性破坏影响的安全距离为振动峰值速度不大于0.5 cm/s的范围。

2 观测方法与试验

2.1 观测测线布设

强夯场地(见图1)呈规则矩形，场地北侧已开挖1条宽1 m深度接近1 m的减震沟，场地西北角距离出水渡槽370 m，中北部距离村庄480 m，东北角距离渡槽150 m，在强夯点与受影响建筑物之间按照最近原则布设监测测线3条，兼顾强夯场地周围不同建筑物的分布。

图1 振动监测测线及观测点布置示意图

振动监测观测点按以下原则布设，在距离强夯机小于100 m的范围内，沿测线按10 m等距离间隔布设观测点，在距离强夯机100 m～300 m的范围内，沿测线按20 m等距离间隔布设观测点，距离强夯机超过300 m，沿测线按40 m等距离间隔布设观测点。

在测线设计的观测点位置振动监测仪器，安放振动监测传感器时保持水平径向方向与测线方向一致，从近到远，对强夯施工产生的振动进行实时监测，每个观测点使用3台仪器同步观测2次～3次，求取平均值，以减少随机误差。

2.2 夯击次数试验

观测点位于施工场地的中北部，完成14个点的数据监测，从观测结果分析(见图2)，随着夯击次数的增加，松散的土体逐渐被夯实、土体密实度的提高使其自身抵抗外力的能力加大，在强夯能量保持不变的前提下，土体变形逐渐减弱直至趋于稳定，夯击的能量也从压实土体逐渐转移到引起土体振动上，振动速度峰值逐渐增大，最终不增加或呈小幅度波动。此时，夯击振动产生的地震波，对安全距离外的地面构筑物的破坏力达到最大，同时，相同夯击能力下，再增加夯击次数，也不会对土体的挤密起到多少作用。当夯击8次以上，夯机产生的振动能量趋于稳定，为保证数据的准确性，确定在每个观测点采集数据前先夯击8次以上。

图2 夯击次数振动分析

2.3 能量传播的各向均一性试验

在场地开阔区域，以夯机为中心，距离夯机半径50 m,按45°角均匀布置8个观测点，观测夯击振动能量的横向均一性。从不同方位记录的振动速度峰值统计图，见图3，可以看出夯击产生的振动能量向四周传播基本一致,西部地表由于灌水，土质较密实，监测到的数据略大于其它方向，而南部、东南部地势相对较低，监测到的数据略小。

图3 不同方位振动速度分析

2.4 减震沟能量衰减分析

在已开挖的减震沟两侧分别布置观测点，夯机距离减震沟分别为30 m、50 m、70 m、90 m进行夯击对比，减震沟靠近夯击点一侧布设观测点1个，另一侧间隔10 m共布设观测点2个(见图4),从观测数据的振动速度衰减图(见图5)分析，减震沟两侧振动速度衰减明显大于正常衰减，而且减震沟越靠近夯击点，衰减曲线斜率越大，衰减速度变化越快，从观测数值上，水平方向的振动速度峰值下降更为明显，从地震波传播理论分析，如果增加减震沟深度，使得地震波绕射到达减震沟另一侧的路径增大，加大能量的损失，效果应该会更加明显。

图4 减震沟观测示意图

3 实测成果分析

强夯场地实测测线3条(见图2)，分别编号L1、L2和L3，从观测数值上，强夯引起的瞬时冲击振动频率在5 Hz～15 Hz之间，振动持续时间小于1 s，强夯产生的地震波沿地表分为垂直和水平两个方向振动分量，以低频面波对周围地表构筑物的振动影响最大，地震波在同一测点上，水平径向振动最大，振动位移也最大，垂直向次之，水平切向最小，振动速度的大小反映了振动的能量的强弱。

图5 减震沟振动速度衰减分析

从振动速度曲线上，基本可划分为2段，靠近夯击点表现为近似直线的快速陡降段，远离夯击点逐渐呈现为近水平的直线，说明强夯引起的地面振动随着传播距离的增大不断衰减，而且近处衰减较快，衰减随距离变化存在衰减拐点，结合夯击次数试验结果，可以指导强夯施工夯击次数。

不难知道，柱面坐标下三重积分的体积微元dv=rdrdθdz，因此可将一般形式的三重积分转化为柱面坐标下的三重积分，即：

L1线观测数据(见图6)表明，距离夯机0～60 m，振动能量衰减很快，速度从7.763 cm/s衰减至1.527 cm/s；距离夯机70 m～220 m,振动能量衰减较快，速度从1.469 cm/s衰减至0.327 cm/s；距离夯机240 m～380 m,振动能量衰减区域平缓，监测速度峰值变化不大，速度从0.211 cm/s衰减至0.165 cm/s；而出水渡槽距离夯机最近点374 m,强夯产生的振动不会对其产生结构性损伤。

图6 L1线振动速度图

L2线观测的结果(见图7)与L1线类似，距离夯机0～60 m，振动能量衰减很快，速度从10.948 cm/s衰减至1.818 cm/s；距离夯机70 m～220 m,振动能量衰减较快，速度从1.467 cm/s衰减至0.407 cm/s；距离夯机240 m～580 m,振动能量衰减趋于平缓，振动速度峰值从0.313 cm/s衰减至0.097 cm/s；夯机离村庄最近距离为486 m,观测到的振动速度为0.191 cm/s，夯机施工不会对建筑物的结构产生破坏性影响。

综合L1和L2两条测线的观测结果，距离夯击点210 m以后，强夯产生的振动速度峰值下降到0.5 cm/s，达到项目设定的进入安全距离的评价标准值，即210 m就是本强夯场地的安全距离。

图7 L2线振动速度图

L3线的观测结果(见图8)显示，距离夯机0～50 m，振动能量衰减很快，速度从7.676 cm/s衰减至1.733 cm/s；距离夯机60 m～140 m,振动能量衰减较快，速度从1.683 cm/s衰减至0.915 cm/s；距离夯机140 m～160 m,振动能量衰减区域平缓，监测速度变化不大，速度从0.745 cm/s衰减至0.687 cm/s；距离夯击点50 m～140 m的范围内，表浅层地层为黄沙，观测到的振动速度相对较小。L3线上的渡槽离夯击场地的最小距离为150 m左右,观测到的对应振动速度为0.745 cm/s，处于监测速度的拐点位置，夯机振动对建筑物的结构会产生破坏性影响，建议加大开挖减震沟的深度，或再开挖一条减震沟组成双减震沟，提高减震效果，并经振动观测，满足安全允许振动速度后再进行强夯施工，避免对渡槽产生损伤。

图8 L3线振动速度图

4 结 论

(1) 强夯施工对夯击点周围地物不可避免的会产生地震效应，地面观测到的振动速度的大小反映了强夯施工振动的影响程度，可根据实际场地情况并依据相关规范文件确定安全振动速度和安全距离。

(2) 振动监测过程中的夯击次数对比和速度衰减拐点可以作为夯机施工参数的参考依据，对不满足安全距离的强夯施工，需要采取开挖减震沟削减夯击产生的振动，有效降低振动对地表构筑物的损伤。

(3) 振动产生的地震波以水平方向对建筑物损害最为明显，理论分析认为减震沟的深度将直接影响减震效果，且深度越深，对水平峰值的影响越大，对垂直峰值影响相对较小，减震沟的长度需大于夯击面与地面构筑物正对的边线，减震沟越靠近夯击点，减震效果越明显，建议施工过程中通过现场振动监测确定实际效果。

(4) 强夯施工过程中，多台夯机同时作业易产生能量叠加，增加对建筑物结构损伤的风险，应尽量避免，或通过振动监测予以准确测定安全距离及减震措施实效。