影响强夯地面振动衰减的因素分析_孙进忠

注: v 的单位为 cm / s; r 的单位为 m。
0. 956 0. 996 0. 978 0. 929 0. 964
的趋势 , 但不明显。 图 3是李岗西灰场强夯处理黄
土地基时 , 不同夯击能作用引起的地面振动速度随
距离的衰减关系曲线。测点位于距离夯击点 10～ 30 m 范围内 , 夯锤直径 2. 6 m , 锤重 25 t①。 表 2是对 应的回归分析结果。 从表中可以看出 U值变化规律
表 2 图 2中各曲线回归分析结果 Table 2 Regression results of the curves in Fig. 2
夯击能 /k J
回归公式
相关系数
图 1 夯击能与地面强夯振动强度的关系 Fig . 1 Curv es o f v ibratio n amplitude vs. tam ping energ y
的强夯振动监测测线布置示意图 , 该场地地基部分 土体已经过强夯处理。 如图所示 , 测线 1有部分测 点经过已强夯区 , 而测线 2所有测点均在未强夯区 内 , 因此两条测线所纪录的是具有显著差异的土体 所对应的强夯地面振动。 两条测线上由夯击点到最 近一个测点的夯检距均为 10 m , 测点间距为 5 m。
振动分析中一般用到的基本量纲有 3个: 长度
[ L ]、 时间 [ T ] 和质量 [ M ]。由基本量纲推导出来 的量纲称为导出量纲。 它一般可用 3个基本量纲的
指数乘积形式来表示。 如 x 为任一物理量 , 其量纲
可用下式表示 , 即
[x ] = [ LW TλM_ ]
( 1)
( 1) 式称为量纲公式。 物理量 x 的性质可由量纲指
差很大 , 这说明它们不满足相同的衰减规律。 前一
个场地分析时用的测点为近测点 , 所有测点都位于 距夯击点 5 m的范围内 ; 后一个场地分析时用的测 点为远测点 , 所有测点都位于距夯击点 10～ 30 m
图 2 山西化肥厂强夯振动速度随距离衰减关系曲线 Fig. 2 Cu rv es of vib rati on veloci ty vs. dis tance caused
uT5 cU5 WV5d, c6= uT6 cU6 WV6 t。根据量纲一致性原则得:
T1 = 0
T2 = 1
T3= 1
U1 = - 1 U2 = - 2 U3= - 1
V1= 0
V2= 0
V3 = 0
图 3 李岗 西灰场强夯振动速度随距离衰减关系曲线 Fig . 3 Curv es o f v ibration v elocity v s. distance caused by heav y tamping at Lig ang xi
2 夯检距对强夯地面振动衰减的影响
图 2是山西化肥厂强夯处理黄土地基时 , 不同 夯击能作用引起的地面振动速度随距离的衰减关系 曲线。测点位于距离夯击点 0. 5～ 5 m 范围内 , 夯锤
收稿日期: 1999— 10— 09
第 2期 孙进忠等: 影响强夯地 面振动衰减的因素分析
直径 2. 8 m, 锤重 25 t。 表 1是对应的回归分析结 果 , 其中 U值、 k 值虽表现出随夯击能的增加而增大
6250 5000 3750 2500 1250
v= 18586. 6 r- 3. 22 v= 17107. 1 r- 3. 23 v= 13711. 3 r- 3. 25 v= 3571. 33 r- 2. 82 v= 1044. 76 r- 2. 47
仍为无量纲数 , 因此有:
v c
=
h
ua c2
,
uf c
,
r u
,
u3Wc2d,
ct u
( 2)
取 c4、 c5 进行如下组合 , 得到新的无量纲数 c7:
c7 =
(c34c5 ) 1 /3 =
( c2d)wenku.baidu.com1 /3
r W 1/3
( 3)
对于某一场地来说 ,d和 c可近似为常数。 从而 ,由
式 ( 2)和式 ( 3) 可以认为 v～
影响
图 4是为了研究场地介质条件变化对强夯地面 振动的影响对李岗西灰场坝基强夯处理工程所进行
衰减较快 , 但其影响范围较大。综合山西化肥厂、 李
岗西灰场和济南遥墙机场的强夯振动和变形观测资 料 , 夯锤直径为 2. 5～ 2. 8 m, 以 1 000～ 6 250 k J的
① 河北省电力勘测设计研究院 . 韩峰电厂一期李岗西 灰场工 程坝基强夯试验报告 , 1998。
值为 0. 397～ 0. 533; 而在 10～ 30 m的范围内 , 强夯 3 场地条件对强夯地面振动衰减的
振动衰减的速度明显加快 , U值为 2. 47～ 3. 25。 根据以上观测事实 , 可以区分出近场和远场两
种强夯振动。 近场强夯振动衰减缓慢 , 但其影响区 局限于夯击点附近较小的范围内 ; 而远场强夯振动
= 6。 于是 , 令 x4 = v , x 5= a , x 6= f , x 7= r, x 8= d, x 9= t , 可得到 6个无量纲 c数: c1 = uT1 cU1WV1 v , c2= uT2 cU2WV2a , c3 = uT3 cU3 WV3 f , c4= uT4cU4 WV4 r , c5=
数 W、 λ、 _ 来反映 ; 若 W、 λ、 _ 有一个不为零 , 则
x 为有量纲的量 ; 若 W、 λ、 _ 均为零 , 则 x 称无量纲 量或无量纲数。
强夯振动过程受震源、 场地介质条件和测点距
夯击点的远近三因素控制 , 因此可以认为强夯振动 过程涉及到的重要物理量有 9个 (表 4) [4 ]。
23 1
表 1 图 1中各曲线的回归分析结果 Table 1 Regression results of the curves in Fig. 1
夯击能 /k J
回归公式
6250 5000
v= 33. 39 r- 0. 533 v= 30. 38 r- 0. 514
4000 3000 2000 1000
23 2
现代地质— — 中国地质大学研究生院学报 2000年
夯击能 W 为 3个基本物理量 , 即 x1 = u , x 2= c, x 3
= W ,它们不能组合成一个无量纲量 ,满足量纲分析
对基本物理量的要求。由表 4, 所分析问题的物理量
总数 n= 9; 基本量纲数 m= 3, c数为 n- m = 9- 3
第 14卷 第 2期 2000年 6月
现 代 地 质
GEO SCIEN CE
Jou rnal of Graduat e Sch ool , Chi na U niv ersi ty of Geos ciences
影响强夯地面振动衰减的因素分析
V ol. 14 N o. 2 Jun. 2000
孙进忠 1) 谭捍华2) 祁生文 3) 慎乃齐 1)
识。
1 夯击能量对地面振动强度的影响
利用同一场地同一测点的地面振动观测资料研 究夯击能变化对强夯地面振动强度的影响 , 可以消 除夯击能以外的其他因素的干扰。 图 1反映了山西 化肥厂强夯地基处理场地在不同夯击能 ( W ) 作用 下 ,同一测点地面振动速度的变化情况 [3 ]。从图中可 以看出 , 就同一测点而言 , 强夯振动速度随着夯击 能的增加而增大 , 呈二次曲线关系。 在较小的夯检 距上曲线较陡 ; 而在较大夯检距上曲线较缓 , 说明 近距离测点的强夯地面振动强度对夯击能量的变化 相对较敏感。 另外 , 从不同夯检距的曲线组合形态 看 , 曲线向较小的夯击能方向聚拢 , 而向夯击能较 大的方向撒开 , 说明对应不同的夯击能量 , 强夯地 面振动具有不同的衰减规律。 夯击能量越大 , 强夯 地面振动衰减越快。
图 5为李岗西灰场两条测线的地面振动速度随 距离衰减曲线的对比图 ,表 3是对应的分析结果。表 中的结果清楚地表明 , 在强夯振动的远场区内 , 地 面振动随距离的衰减公式中当量系数 k 值的大小与 强夯夯击能和场地介质条件有关 ; 而衰减指数 U值 的大小主要与场地介质条件有关。
4 强夯地面振动衰减的量纲分析
强夯法将 8～ 30 t的重锤起吊到高 6～ 30 m 的 空中 , 让其自由落下冲击地面。 冲击作用使地基土 体得以固结。 因强夯法施工简单 , 费用低 , 在许多 情况下能满足工程要求 , 所以在世界范围内得到了 广泛应用 [1 ]。然而 ,强夯在土体中所产生的强大应力 波必然会引起周围土体的振动 , 对周围建筑物、 仪 器仪表、 人体等造成损害。 因此 , 在进行强夯地基 处理时需要对其振动效应进行评价。 震源作用— 介 质传递— 测点振动是强夯振动传播扩散的基本物理 模式。 强夯振动传播和衰减的规律研究是强夯振动 效应评价的基础。 研究表明 , 强夯引起的地面振动 的振幅值随着夯检距离增大按负幂函数曲线的形式 急剧衰减 , 可以用公式 v = kr-U表示。 式中 , U为衰 减指数 ; k 为当量系数 ; v 为测点最大振动速度 (单 位为 cm /s) ; r 为测点至夯击点的水平距离 (夯检 距 , 单位为 m ) [ 2]。分析不同因素对强夯振动衰减参 数 U和 k 的影响方式不仅对于强夯振动效应的评价 具有重要意义 , 而且可望获得工程岩土体的物理力 学性质与其动力学表现之间本构关系的更深入认
( 1) 中国地质大学工程技术学院 北京 100083; 2) 贵州省交通设计院 贵阳 550001; 3) 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100101)
摘 要: 夯 击能量和地基土体特性是影响强夯地面振动衰减的两个重要因素。观测和分析表明 ,夯 击 能量越大 , 地面振动衰减越快。 在较小的夯检距上 , 强夯地面振动的强度对夯击能量的变化 相 对较敏感 , 表现为在近距离上地面振动强度随夯击 能量增加的速率较大。地面振动随距离的 负 指数幂衰减公式中当量系数 k 值的大 小与强夯夯击能和场地介质条件有关 ; 而衰减指数 U值 的 大小主要与场地介质条件有关。这些规律对于强夯振动效应的评价和岩土体动力学特性的研 究 具有重要意义。 关 键词: 强 夯振动 ; 衰减 ; 影 响因素 ; 夯击能量 ; 地基土体特性 中 图分类号: T U 4 文献标识码: A 文 章编号: 1000— 8527 ( 2000) 02— 0230— 05 作 者简介: 孙进 忠 ( 1955— ) , 男 , 教授 , 工程地质学专业 , 目前主要从事岩土体动力学的研究 和 教学工作。
不明显 , 而 k 值随夯击能的减小而急剧减小了两个
数量级 , 可见 k 值随夯击能的增加而增大的规律是 存在的。 可以推断 , 在其他条件相同的情况下 , 夯 击能大则 k 值大 ; 夯击能小则 k 值小。而夯击能对 U 值的影响不明显。
同为黄土场地 , 夯击能相近 , k 值、 U值不应相
差太大。但对比表 1和表 2的结果发现 k 值、 U值相
v= 27. 08 r- 0. 482 v= 23. 46 r- 0. 436 v= 19. 44 r- 0. 432 v= 15. 27 r- 0. 397
注: v 的单位为 cm / s; r 的单位为 m。
相关系数
0. 992 0. 991 0. 989 0. 984 0. 995 0. 997
by heavy tampi ng at th e ferti lizer plant of Shanxi
的范围内。 可以看出 , 在夯击点周围不同距离范围 内的测点的振动衰减规律是有差别的。 从以上观测 夯击能作用于黄土或粉土地基时 , 强夯远、 近场边 结果可见 , 在 5 m的范围内 , 强夯振动衰减缓慢 , U 界距夯击作用中心点的距离为 6 m 左右 [2]。
根据 c定律 , 可选取地表振动位移 u、 波速 c和
T4 = - 1
T5= 3
T6= - 1
U4 = 0 U5 = 2 U6= 1
V4= 0
V5= - 1 V6= 0
故 c1 = v /c, c2= ua /c2 , c3 = uf /c, c4 = r /u , c5=
du3 c2 /W , c6= ct /u。 不同无量纲 c数的乘积和乘方