强夯振动对临近建筑物振动影响的数值模拟研究

更新时间：2009-03-28

0 引言

随着国家西部大开发及中航工业航空产业园建设的持续进行，工程项目遍布北京、上海、天津、四川、江西、陕西等地，这些地区广泛分布着回填土、软土、新近填土、湿陷性黄土。由于这些场地一般都具有面积大、地基承载力低、均匀性差、压缩性高、湿陷性、变形持续时间长等特点，在外荷载作用下，所产生沉降及次固结沉降变形一般都较大，难以满足建设工程的设计要求。因此，对上述这些新近回填土或软弱地基土场地，需要进行地基处理。

政策四：8月30日，国家发展和改革委员会办公厅发布《关于建立特色小镇和特色小城镇高质量发展机制的通知》(下称《通知》)。

强夯法加固地基具有设备简单、效果显著、经济易行、原理直观、施工周期短、适用范围广、节省材料等优点，在我国很多地区得到了广泛的应用。特别是在我国西北、西南等西部大开发地区，因大规模的削山填谷，人工造地，强夯法应用得更为广泛。

强夯法亦称为动力固结法，起源于20世纪60年代末，是法国梅那德技术公司首创的一种地基加固方法，且在国内外地基领域得到广泛应用和发展。在我国，1978年，强夯法开始应用于天津新港三号公路软土地基的处理，接着在秦皇岛某码头堆场粉细砂地基中进行了试验研究。20世纪80年代，强夯法应用于大连湾某石化基地抛石填海地基加固，并获得的成功，开始在沿海地区推广应用。1992年，我国在三门峡火力发电厂工程项目中采用高能级强夯技术，旨在消除工程区内黄土的湿陷性。同时，在过去十年中，仅美国西部5个州就先后有9个工程使用强夯法处理湿陷性黄土地基。此外，在处理液化地基中，强夯法同样被广泛使用，美国开发署使用强夯法处理了多个液化路堤工程。近几年，英国、法国、西班牙、比利时等国家纷纷采用强夯法处理填埋场和固体废弃物［1］。

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式中，λ为体积弹性模量为剪切弹性模量为弹性模量；ν为泊松比；A为截面积；cp为压缩波阻力常数；cs为剪切波阻力常数。

目前，强夯理论研究还远落后于工程实践。由于强夯涉及的因素较多，加固机理复杂,虽然工程师们研究强夯已经几十年,也做过大量的测试、试验和理论研究，但是目前的理论都不能很好地解释强夯的机理。人们对强夯加固机理的认识主要分为4类：Menard动力固结理论，振动波压密理论，结构动力学理论和固体微观力学机理。这4种理论对饱和软土、饱和砂性土、和非饱和土的加固都能针对性地作出解释，但仍然有局限性，近年来国内外很多学者对其进行了进一步的改进和补充［3］。

本文依托某一强夯工程项目，根据实际工程所处的环境条件、设计要求，制定研究技术路线，利用数值模拟分析方法研究强夯振动影响下临近建筑物的受力、变形特征，探讨强夯振动对临近建筑物的影响程度，进而提出合理的强夯设计施工参数、强夯安全施工距离及有效的减振隔振措施。

实施实验室管理规范化、科学化工作中，提高人员素质是关键。管理是一种社会行为，是人与人之间发生作用的过程，在管理过程的各个环节，只有人才是主体，是决定管理效率的关键，而决定管理水平的高低又取决于人员素质，人员素质是指管理人员在承担一定的管理事务中所必须具备的基本条件，在实验室管理规范化、科学化工作中要求工作人员应具有政治素质、心理素质和业务素质等基本素质。

1 强夯振动计算模型

1.1 计算模型

采用BIM技术中MIDAS软件模拟在强夯冲击荷载作用下，强夯振动对临近建筑物受力和变形的影响。其中，地层土体的特性采用Mohr-Coulomb本构模型模拟；建筑物砌体结构的特性采用弹性本构模型模拟。

本场地的地层表层为人工填土层，其下为一般第四纪全新统的淤泥质粉质黏土、粉质黏土、砂土和碎石土，第三纪基岩。填方材料为中粗砂，填砂厚度约为2.0～4.0 m；场地表层存在较厚层松散回填砂且局部存在淤泥土，3.0～6.0 m以下为一般黏性土。计算深度取地表下约20 m，地层主要计算参数如表1所示。本场地上的建筑物为一物流办公楼，地上5层楼，无地下层。建筑物为框架结构，其主要计算参数如表2所示。

根据该工程实际情况建立强夯振动计算模型。有限元模型中，地层的计算范围为84.9 m×71.3 m×20.1 m，建筑物的尺寸为64.9 m×15.3 m×21.1 m。模型网格划分采用四面体单元，网格单元的剖分精度取为1.0 m。模型剖分后网格的节点数为11 740，单元数为584 251，剖分后的有限元网格如图1所示。

图1 有限元计算模型M0

某工程场地地势较平坦，无其他障碍物，通视条件较好。强夯试验场地选在某物流办公楼范围内，表层为鱼塘回填后的砂土地基和碎石土地基，其下为一般第四纪全新统的淤泥质粉质黏土、粉质黏土、砂土和碎石土，第三纪基岩。各层土从上到下分别为：①素填土、①-1淤泥质粉质黏土、②粉质黏土、③中砂、③-1粗砂、③-2中砂、④细砂。其中，①素填土、①-1淤泥质粉质黏土为软弱土，其他土层力学性质较好。

1.2 计算模型参数

“你讲的也许没错，可是这对我来说却是一个错误。你知道当年和我一起值班，看见盗贼逃跑，后来被开除的那个年轻人在哪里，他现在过得怎样了吗？”

拉尔夫摇摇头：“不，是战争教给我对待生活的另外一种态度。”接着中尉解释说，二战期间，他所在的小分队负责清除地雷，很多次，他亲眼看见刚刚还走在身边的战友转瞬间被炸得面目全非。

表1 地层计算参数

编号埋深（m）层厚（m）容重（kN/m3）弹性模量（MPa）泊松比1 2 3 4 4.5 6.7 14.9 20.1 4.5 2.2 8.2 5.2 17.4 18.8 19 19 3 5 1 5 15 0.38 0.38 0.3 0.3

表2 建筑物计算参数

泊松比0.2长（m）64.9宽（m）15.3高（m）21.1容重（kN/m3）22弹性模量（GPa）10 000

1.3 边界条件

要进行冲击荷载时程分析，首先需计算模型的特征值。本文采用弹性边界定义模型的边界条件，用曲面弹簧来模拟地层边界上的振动。曲面弹簧系数按照下式计算：

强夯试验所用的夯锤为平底锤，其直径约2.0 m、重量约20 t。根据接触应力的理论分析和实测结果可知，在夯锤冲击碰撞地基的过程中，接触应力在时程曲线上只存在一个明显的峰值，且历时非常短，一般在0.1 s左右。根据相关理论和实测结果，本文将冲击荷载简化为三角形的形式，如图2所示。在图2中，tR，tN和Pmax主要是通过在夯锤上安置拾振器，由实测夯锤的加速度时程曲线估算得到。

竖向地基反力系数：水平地基反力系数：

压缩波（P波）：

式中和Ah分别是计算模型的竖直方向和水平方向面的截面积，E0为地基的弹性模量，α一般取1.0。

由于弹性边界条件会由于波的反射作用而产生较大误差，因此时程分析采用Lysmer提出的黏性边界条件，即计算模型x，y，z方向上的阻力比。阻力比计算公式如下：

类似蒙古语的“从格”也在青海汉话里普遍存在，但使用的语音形式不尽相同。西宁等地使用[da]，循化地区却用[xt]。它们一般是用在名词或者代词之后表示动作行为由“原点”开始、移动、分离。例如：“他北京+[da]回来了”(他从北京回来了)、“[xu](那时)+[da]他再不[f]话了！”(从那时起他再不说话了！)在循化汉话里，则用[xt]，例如：“这是他+[xt]借[xa]的。”(这是从他那儿借来的)、“这事你老师[xt]问吧！”(这件事你问老师去)等。试比较：

对家乡的爱还表现在积极关注现实社会、了解民情、体贴民意、推动社会发展、国家进步，不消极厌世、无所作为、冷眼旁观、消极应对。其中一个方面表现为敢于追求社会的公平正义敢于为民请命。南通民间流传着许多为民请命的故事，一些人物甚至不惜与基层官吏对抗。在南通全境流传着曹瘦脸了的传说。在天灾频仍，收成亏欠的情况下，通州境内余西盐场的盐民颗粒无收，基层官吏仍然不减税收，赋税照催如故。曹秀升解到情况后非常生气，就将余西盐场连同另外当地十个征税的盐总当作被告，进行上告，基层不理会，又告到扬州运盐都司。最后官府惧怕事情闹大，就免了遭灾地区的盐税。

剪切波（S波）：

随着强夯法的广泛应用，强夯能量也越越来越大，最大已达到15 000 kN·m，这对强夯法的应用起到了巨大的推动作用。但是，随着环境意识的加强，强夯振动对环境的影响也得到越来越多的关注。目前，大部分大型项目均采用分期投资建设，建设周期长，通常需要3～5年甚至更长时间。因此，在后续的建筑物地基处理施工过程中，将会面临强夯对相邻建筑物影响。因此，有必要对强夯振动对环境影响因素进行深入研究。深入分析和研究不同场地条件下强夯振动的影响范围及其衰减规律，对于强夯法在工程应用中的环境保护具有重要意义［2］。

由上述公式计算地层边界条件参数如表3所示。

表3 地层边界条件计算参数