郭嘉源，鄭志華

(1.中鐵三局天津建設(shè)工程有限公司，天津 300350；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引言

近年來，公路、鐵路或房屋建筑等工程施工活動引起的環(huán)境振動越來越受到關(guān)注。振動來源主要包括壓路機(jī)、重載車、強夯、打入樁、鑿巖機(jī)以及巖土體爆破等。施工振動往往造成民房損傷或其他不良影響，由此引起的糾紛層出不窮。還有不少案例顯示施工振動導(dǎo)致?lián)碛芯軆x器設(shè)備的學(xué)校、醫(yī)院或工廠正常生產(chǎn)秩序受到影響，損失明顯。實際上，針對上述問題前人已經(jīng)開展了多次現(xiàn)場實測，結(jié)果散見于諸多文獻(xiàn)中[1-13]。不過由于主觀或客觀因素影響，已有研究的測試結(jié)果離散很大。如果事前能夠?qū)κ┕ひ鸬恼駝佑休^可靠的估計，對影響范圍有合理的規(guī)劃，就可以避免較大的影響。本文對已經(jīng)發(fā)表文獻(xiàn)中的典型案例進(jìn)行梳理，通過可靠的實測驗證，為恰當(dāng)估算振動影響范圍提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究現(xiàn)狀

張云鵬[1]等對測試的壓路機(jī)地面振動衰減做了回歸分析，并考慮了高差地形的影響。黃菊花[2]等用解析法研究了動力機(jī)器水平擾力作用下地面振動衰減規(guī)律，將體波(縱波和橫波)與面波(瑞利波)的影響分開考慮，對《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB 50040—96》[3](以下簡稱《動規(guī)》)的公式提出了修正意見。劉必?zé)鬧4]等探討了大型地震模擬振動臺運行對周圍場地的影響，實測振動衰減與《動規(guī)》基本吻合，計算和測試表明典型的中硬場地的固有頻率為8～15Hz，在用《動規(guī)》公式估算時，可取10Hz。程琳[5]等通過現(xiàn)場實測評估了壓路機(jī)振動對精密儀器場區(qū)的影響，回歸了衰減關(guān)系。蒯行成[6]等通過有限元法分析了壓路機(jī)振動引起的地面建筑物和地下淺埋涵洞的動力影響。姚文斌[7-8]等推導(dǎo)了壓路機(jī)振動衰減關(guān)系的簡化公式并與豫西的施工現(xiàn)場實測結(jié)果作了對比。潘林山[9]等通過現(xiàn)場測試，給出了各類民房承受壓路機(jī)振動影響上限的建議值。張志峰[10-11]等通過量綱分析，導(dǎo)出振動強度隨距離增加呈現(xiàn)負(fù)冪指數(shù)函數(shù)衰減并通過實測驗證了隔振溝減小壓路機(jī)振動影響的效果。

上述文獻(xiàn)所報告結(jié)果的共性是振動隨距離呈負(fù)冪指數(shù)衰減，即

a=αr-β

(1)

式中，r為距振源的距離，a為距振源r處振動幅值，α和β是回歸系數(shù)。振動強度隨距離的衰減典型曲線如圖1所示。上述研究中關(guān)于壓路機(jī)振動測試結(jié)果最多，現(xiàn)匯總?cè)缦?。?列出了有關(guān)文獻(xiàn)采用的壓路機(jī)參數(shù)。表2給出了代表性測試結(jié)果。從表2可以看出，盡管壓路機(jī)參數(shù)相當(dāng)，但振動幅值相差很大。為便于比較，按照各自測試的回歸曲線折算成距振源10.0m處的振動幅值并列于表3，各自的回歸系數(shù)也同時列出。其中β代表衰減快慢。表3顯示，有的衰減呈現(xiàn)與距離平方成反比，有的呈現(xiàn)與距離成反比。從10.0m處的振動幅值看，高低相差近5倍，這對于評價振動對房屋的影響會得出截然不同的結(jié)論。

為了提高測試結(jié)果的可用性，本文用《動規(guī)》給出的衰減公式，即公式(2)來評價，并選擇幾處代表性場地的測試結(jié)果作驗證。

圖1 振動強度隨距離的衰減典型曲線Fig.1 Typical curve of vibration intensity attenuation with distance

表1 已完成振動影響測試的壓路機(jī)參數(shù)

表2 典型壓路機(jī)振動測試結(jié)果匯總

表3 典型壓路機(jī)振動10m處等效振幅及回歸系數(shù)

(2)

式中:r為測點到震源中心距離，m；r0為震源半徑，m；A0為震源振動幅值，m/s；Ar為測點處振動幅值，m/s；ξ為與震源半徑有關(guān)的幾何衰減系數(shù)；α0為土層能量吸收系數(shù)；f0為震源擾動頻率，Hz。

2 測試儀器

本次測試使用941B振動傳感器及放大器，配接SigLab數(shù)據(jù)采集器。

2.1 941-B型拾振器主要技術(shù)指標(biāo)

941-B型拾振器及放大器主要技術(shù)指標(biāo)如表4和表5所示。941B直接輸出的是與速度成比例的電信號，經(jīng)過放大器調(diào)制、濾波后，傳給SigLab變成數(shù)字信號并保存在電腦中。

本次測試經(jīng)過現(xiàn)場比選，確定采用3檔(中速度)，靈敏度為2.4V·s/m；與941B振動傳感器配接的941放大器通頻帶為0.025～35Hz，放大器的各個檔位的放大倍數(shù)見表5，該倍數(shù)與一次靈敏度2.4V·s/m相乘得到總靈敏度。實際記錄器采集得到的信號電壓最大值除以總靈敏度就得到以m/s為單位的速度最大值，為便于與國家標(biāo)準(zhǔn)比較，把實測速度單位換算成cm/s。

表4 941B型拾振器主要技術(shù)指標(biāo)

表5 放大器各檔位的放大倍數(shù)

2.2 SigLab數(shù)據(jù)采集器簡介

SigLab數(shù)據(jù)采集器是由美國Spectral Dynamics公司開發(fā)的一種高性能振動信號記錄分析儀器，它有4通道A/D輸入和2通道模擬輸出(信號發(fā)生器)，分辨率為16Bit，各道獨立采樣，經(jīng)過高陡度模擬、數(shù)字抗混濾波以后，每道可采集上至20kHz的信號；SigLab的信號采集、分析完全基于Matlab語言，能調(diào)動Matlab的強大分析功能，并且可實現(xiàn)多通道同步采集、分析。

3 壓路機(jī)振動測試結(jié)果

測試地點為榆林市紅石橋鄉(xiāng)。測試場地為低山丘陵，地表覆蓋層為10～30m厚度不等的黃土、沙土，其下為風(fēng)化程度不等的砂巖?，F(xiàn)場采用XG6201型振動壓路機(jī)模擬震源，對距震源由近及遠(yuǎn)的場地地表的振動進(jìn)行了測試。當(dāng)壓路機(jī)駛過時，腳下感覺明顯震顫。依據(jù)國家相關(guān)振動強度標(biāo)準(zhǔn)，需要獲取現(xiàn)場實際振動量值才能評估振動對房屋的影響，此外依據(jù)不同距離的振動強度回歸了振動衰減關(guān)系。具體操作時，分別測試了垂直方向和徑向水平方向的速度。整理后的測試結(jié)果列于表2和表3中。

測試現(xiàn)場如圖2所示。壓路機(jī)以5km/h的速度行駛，自輪緣外側(cè)1.0m開始，垂直道路布設(shè)三組傳感器，各測點平面布置示于圖3。

圖2 測試壓路機(jī)振動時測振儀垂直道路布置Fig.2 Vertical road layout of vibration measurer for roller vibration test

圖3 各測點與振源的距離Fig.3 Distance between each measuring point and vibration source

圖4是測點1處的垂直振動，當(dāng)壓路機(jī)距測點1最近時地面振動峰值達(dá)到5.98cm/s，當(dāng)壓路機(jī)駛離時振動幅值呈負(fù)冪指數(shù)衰減。圖4(b)顯示了振動時程的細(xì)節(jié)，這里可以讀出振動頻率為21Hz，與壓路機(jī)的工作頻率一致，體現(xiàn)明顯的強迫振動特點。圖5是距壓路機(jī)水平距離19.6m處地面振動時程，最大速度峰值為0.42cm/s。在圖3展示的幾何關(guān)系中，壓路機(jī)駛離測點1以后，相對測點4的距離并未顯著增加，所以測點4的振動幅值沒有像測點1那樣衰減。

圖4 測點1垂直振動速度時程Fig.4 Velocity time history of vertical vibration at test point 1

圖5 測點4垂直振動速度時程Fig.5 Velocity time history of vertical vibration at test point 4

表2列出了包含本文的共計5次壓路機(jī)測試結(jié)果，從幅值上看，如果等效到10m距離處可以得到表3的結(jié)果，本文給出的速度為0.82m/s，與張云鵬的1.1cm/s以及姚文斌的0.64m/s接近，而另外兩次分別為0.17cm/s和0.3cm/s，相差近5倍。為確保數(shù)據(jù)可靠，本文測試前后對傳感器和放大器的靈敏度及頻響都做了嚴(yán)格標(biāo)定，結(jié)果是可信的。如果作為初步估計，壓路機(jī)振動影響在10m處速度約為0.8cm/s，參照國標(biāo)《爆破安全規(guī)程》[12]，其中關(guān)于土窯洞、土坯房、毛石房和一般民用建筑物的振動允許值列于表6。表2顯示壓路機(jī)激振頻率多在30Hz左右，對應(yīng)表6的10Hz≤f≤50Hz，對于最脆弱的房屋，即土窯洞、土坯房、毛石房，振動允許值上限為0.9cm/s。由于簡諧振動速度幅值與頻率成正比，所以需要依據(jù)實測壓路機(jī)頻率進(jìn)行差值計算安全允許值。30Hz頻率經(jīng)差值計算得到的質(zhì)點振動速度安全允許值為0.67cm/s。如此看來，壓路機(jī)振動對于10m處的土窯洞、土坯房、毛石房是超標(biāo)的，而對于一般民用建筑物是安全的。另一個相關(guān)國標(biāo)《建筑工程允許振動標(biāo)準(zhǔn)》[13]也類似，雖然沒有明確規(guī)定土窯洞、土坯房、毛石房等脆弱房屋，但指出居住建筑受交通振動影響上限是0.5cm/s，受施工振動影響上限是0.6cm/s。

表6 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

從振動衰減快慢來看，表3給出了5次測試的衰減回歸系數(shù)。其中α與振源強弱有關(guān)，β直接反映衰減快慢。本文和姚文斌的結(jié)果顯示衰減大致與距離成反比，而另外三次測試結(jié)果顯示衰減大致與距離平方成反比。

為了校核測試結(jié)果與公式(2)的一致性，做了如下計算。在公式(2)中，測點到壓路機(jī)震源中心距離取12.1m，震源半徑取1.0m，震源振動幅值取本文在1.0m處的實測值5.98cm/s，幾何衰減系數(shù)取0.55，按照新沉積的松散砂，取土層能量吸收系數(shù)為1.8×10-3，震源擾動頻率為21Hz。結(jié)果顯示12.1m處振動速度幅值0.69cm/s，而本文的實測速度值為0.71cm/s，二者吻合很好。

多次測試實踐表明，如果公式(2)參數(shù)選取得當(dāng)，可以對衰減做出可靠的估計。在使用時，A0的取值不能局限于震源的振動幅值，比如已知距震源10m處的幅值，估算更遠(yuǎn)距離的振動強度時，就可以將A0取為10m處的振動幅值，相應(yīng)的震源半徑r0也要取為10m。

4 結(jié)論

為了恰當(dāng)評價或估計工程施工活動的影響，本文對既有測試和分析成果進(jìn)行了梳理，針對常見的壓路機(jī)振動影響做了實測驗證，檢驗《動規(guī)》給出的振動衰減公式的可靠性。結(jié)果表明，既有成果只有一部分與《動規(guī)》的公式相吻合，本文的測試顯示只要《動規(guī)》公式中各參數(shù)的取值合理，計算結(jié)果是可信的。對于常見型號的壓路機(jī)而言，其振動在10m處的峰值速度對于脆弱的土窯洞、土坯房、毛石房將超標(biāo)，對于其他房屋則不構(gòu)成威脅。測試和計算顯示振動衰減大致與距離成反比。所得結(jié)果可供施工振動影響規(guī)劃或評價已經(jīng)實施的振動影響時參考。