打桩对周围建筑物振动影响的

打桩对周围建筑物振动影响的研究与实例分析林建生 吴淑美 王源毅 叶传潜 林子健摘要 研究了打桩过程中土层质点振动速度的监测方法，打桩振动对周 围建筑物影响程度的评价标准，并结合工程实例探讨了有关因素对检测 结果的影响，及施工中应采取的相应减振措施。关键词 打桩振害；监测方法；减振措施Research of the vibration influence during piling process onnearby buildings and the example analysisLin Jiansheng,Wu Shumei,Wang Yuanyi,Ye Chuanqian and Lin Zijian(Engineering Seismic Research Center of Fujian Province,SeismologicalBureau of Fujian,Quanzhou 362000,China)AbstractThe observation method of the oscillating velocity of particles in soil layer and the appraisal standard of vibration influence on nearby buildings during piling process are studied in the paper.By combining the engineering example,the influences of some factors on detection results are analyzed and some relevant reducing vibration mesures during the piling process are also discussed in this paper.Key words:piling damage,observation method,reducing vibration measures引言桩基础是我国现代工程中最重要的一种基础形式，近年来在各类建 筑的基础工程中得到广泛的应用。但是桩基施工中打桩过程对周围建筑 的振动影响问题亦随着城市的改造与扩建，而日益受到人们的关注。特 别是当打桩点与周围房屋的距离较小且房屋的抗震能力较低时，为了安 全施工，人们必须及时考虑如何使这些振源与周围房屋保持合适的距离 或采取相应的隔振措施，以便有效地把这些振动影响控制在允许范围之 内。因此，科学地监测和评估打桩振动对周围建筑的影响，及时作出相 应的防治对策，对保证工程建设的安全和顺利施工是一项非常必要的工 作。近年来关于各种振动对建筑结构的破坏问题，国内外学者曾做过许 多研究，其结果大多是以最大质点速度来作为破坏的判别标准，虽然不 同作者由于其研究背景(振源特性、传播介质、结构类型等)不同，得出 的破坏标准不完全一致，但我们近年在这方面的研究中，为了便于与国 内外的有关研究结果及评判标准进行比较和分析，亦选取质点速度值作 为打桩振动影响程度的评价指标，在此本文将对质点速度值的测试技术， 以及振动影响对各类建筑结构破坏标准的评价方法进行相应的讨论，并 将结合具体工程实例探讨场地条件、施工工艺等方面对观测结果的影响 及施工中应采取的相应减振措施。1 测试方法1.1 检测仪器的配套 打桩振动分析中的土层质点速度比土层波速的量级小得多，由于波 速研究的是波在传播中的路程与走时，而质点速度研究的是波在传播中 质点振动的绝对幅值，因此，后者对配套仪器的输出量纲及标定过程有 严格的要求。通常检测设备可采用速度型拾震器直接与光线示波器（采用 线性振子）耦合的方式，或采用速度型拾震器与配有多通道A/D转换板的 数字采集仪及计算机配套组成具有接收、采集、显示、分析与处理功能 的测试系统，用上述配套设备得到的相应记录可反映质点振动的速度值。 为了得到准确的测试结果，测试前必须对测试系统进行标定以得到各通 道的幅频特性曲线。1.2 测试系统的仪器参数 工程检测中当使用检流计时，由于检流计的工作频率可使用到本身自振频率的50%左右，因此，可选用FC6-120型等电流计，其工作频率 约为065 Hz,可满足打桩振动的频率范围。当使用65型拾震器时通 常其振动频率的量测范围约为1 Hz到数10 Hz,因此足够工程使用，但 应注意到65型拾震器机壳的自振频率为80 Hz左右，如果地振动频率接 近此值时会引起寄生振动。当采用数字采集仪时，通常要求仪器应有较 宽的频带范围以便使检测对象的特征频率置于观测仪器的振幅，相位频 率特征曲线的线性范围内，同时还要求仪器应具有较高的灵敏度和分辨 率以保证振动幅值的检测精度。1.3 测线与测点的布设 为了使检测结果能客观地反映打桩振动的影响，首先应了解相应场地的工程地质情况及周围建筑的分布概况，特别应注意一些厚度大，深 度浅的硬夹层，它们往往是对场地振动影响起控制作用的震源位置，同 时测试时应在场地平面内沿周围需要监测的建筑结构的场址方向布设测 线，并沿测线不同距离处设置控制点，一般每个控制点应同时检测三个 分向（即径向、 切向和垂直向）的振动情况，并注意到钻机在各个不同 深度上对不同测线和不同测点中振动幅值的影响程度，这种全方位的观 测对了解打桩全过程场地土层质点振动速度的变化规律是非常必要的。2 建筑物所允许的质点振动速度打桩振动分析会遇到不危及建筑的情况下，安全幅值应取多少的问 题，为解决这个问题，一方面要测定在特定地基土条件下振源随土质密 度和震中距变化的规律，另一方面要根据各类建筑的选型、构造、施工 年代、施工质量等参数对结构动力特性的影响，确定出各类建筑物在不 同桩基施工条件下，相应的安全速度值。根据文献(波林格，1975)，人 的反应与地面质点速度之间的关系大致可分为：可感(0.20.5 cm/s), 感到显著(0.50.97 cm/s)，不适(0.972.0 cm/s)，感到骚扰(2.03.3 cm/s),反感(3.35.08 cm/s)等几个量级；根据文献(彭大用等, 1995),地基土层质点的振动速度垂直向要小于2 mm/s，水平向宜小于 10 mm/ s ,对于住宅、房屋和类似结构振动速度允许的极限值为8 mm/s 为控制振动对周围建筑物的影响,表1列出各类建筑物所允许的质点振 动速度值(张雪亮等,1981),使用中可根据结构的重要程度找出相应的 控制指标。表1建筑物所允许的土层质点振动速度(cm/s)建筑物的现状允许值IIIII钢筋砼或吊板，轻填料金属骨架抗震的工业与民用建筑物建筑质 量较好，构件和结构无残余变形。5710钢筋砼或金属架不抗震的建筑物和构筑物构件中没有残余变形。257砖或块石作填料，填料中有裂缝的骨架建筑物，不抗震的块石或 砖石的新老建筑物建筑质里较好，没有残余变形。1.535骨架中有裂缝，其填料严重破坏的骨架建筑物，砖或大石块砌筑 的在承重墙或间壁中有个别不大的裂缝的新老建筑物。123骨架中有架缝，各构件间联系破坏的新老骨架建筑物，承重墙为 斜缝，对角缝等裂缝所严重破坏的砖石或块石建筑物。0.512填料中有大裂缝，钢架生锈，钢筋砼骨架破坏的建筑物，承重墙 有大量裂缝，内外墙联系破坏的建筑物及其他未加强的大型砌体 建筑物。0.30.51.0注II类：特别重要的工业建筑物及聚人较多的民用建筑物；III类：面积不太大，高度不大于三层的工业和服务业构筑物及聚人不太多的民用建筑物；W类：破坏不致于威胁人们生活和健康的工业与民用建筑。3 实例分析泉州后城改造工程16#楼场址属软土地基,设计时选用桩基础,并采 用沉压加振灌注桩的施工方法，桩基施工桩长约1922 m，桩径0.4 m, 桩机最大振动力为180 kN,设计要求最后两阵持续振动两分钟，每阵最 大贯入度不大于15 m。打桩点距南侧民房最近距离为15 m(其中间经过 一条市区大型排水沟，沟深约3 m,宽约6 m(图1),这些民房多数为无 抗震设防的砖、石、土等材料砌筑的新老建筑，因打桩时场址附近有部 份人可感觉到振动的影响，为避免打桩振动引起的民事纠纷，保证施工 安全，对该工程的打桩振动进行了测试与振害分析工作，其基本概况如下。17ZI匚0$陵图1基础平面及测点分布长（短）轴方向及测点位置（1：1000）L（S）长（短）轴方向及测点位置；打桩的坑号；排水沟；民房;简易桥；闸门；16号楼3.1 工程地质的基本概况该场址原地貌为海积层，地层自上而下分为：杂填土；粉质粘 土；淤泥质粘土；粉质粘土；泥质中细砂；粉（砂）质粘土； 砂砾卵石；残积砂积粘性土；强风化花岗岩。桩基施工中对附近场 地和房屋的振动影响主要来自穿透泥质中细砂层（深度约为9.6 13.8m，厚度约1.84.2 m,中密-稍密状态，以下简称第一振源）和进 入持力层（即砂砾层，深度约为1922 m,以下简称第二振源）时所产生 的振动影响。3.2 测试概况检测设备选用65型拾震器，SC16型光线示波仪（配Fc6型振子）和 RS-1616K型动测仪（具有6通道数字采集的功能）及486DX型笔记本计算 机等仪器，配套后主要检测地面质点运动的速度值，检测前对所有仪器 进行了统一标定，检测中一次使用912个拾震器，每测点按同时测量 其三分向（两水平向（径向和切向）与垂直向）和分别测量其各分向等方法 进行组合，此次检测主要对34#等4根桩的振动全过程进行检测，检测 时主要控制两个方向（图1），即沿16#楼的长轴方向和短轴方向，其中短 轴方向检测了包括跨越排水沟至附近民房的测点在沟内蓄满水与无蓄水 两种情况下的振动情况，整个外业测试总共获得两条测线数10个测点各 三分向的数百条实测曲线，测试结果基本可反映出该场址桩基施工时振 动影响场的基本特征。3.3 监测结果与分析意见（1）表2和表3中的波速值V（cm/s）为各测点各分向在不同振动源振 动下记录到的最大速度值，而V为其三分向中记录到的最大速度值， 由上述各表可见第一振源处的振动对地面振动的幅值强度起控制作用， 第一振源以径向振动的影响为最大，第二振源两水平向的振幅值较接近， 两个不同振源垂直向的振幅值随距离的增加小于水平向，且衰减较水平向快。表2各测点打桩过程中的最大振动效应V(cm/s)振 源轴 向长轴短轴距离/m2581012151736815*15*17* 17*第振源垂直1.11.00.70.40.30.2V0.21.10.60.70.20.2V0.2V0.2径向1.51.10.90.80.60.50.31.51.01.80.40.20.30.2切向1.20.80.70.60.50.50.31.20.70.90.40.20.30.2Vmax1.51.10.90.80.60.50.31.51.01.80.40.20.30.2第振源垂直1.00.70.50.40.20.2V0.21.00.50.60.20.2V0.2V0.2径向0.80.70.50.40.30.30.20.80.60.30.20.2V0.2切向1.10.80.50.40.30.30.21.00.61.00.30.20.2V0.2Vmax1.10.80.50.40.30.30.21.00.60.30.20.2V0.2注短轴向15 m，17 m为沟对岸的测点，*为沟内无蓄水，*为沟内蓄 满水表310 m测点(长轴向)打桩全过程的质点最大振动速度V (cm/s)max振源第一振源第二振源H=2 m其他深度拔管分向垂 直径 向切 向垂 直径 向切 向垂 直径 向切 向垂 直径向切 向垂 直径 向切 向V /cm. s-1max0.40.80.60.40.40.40.51.71.6V0.20.40.40.50.4f 0/Hz25252520202029292911-3014141414注：f 0为卓越频率；第一振源时、频域曲线的典型图例见图2d囲划高4/H2（上三图为垂直向、径向、切向的时域曲线，下三图为上三图相应的频域曲线）（2）表2短轴测线中距离为8 m左右的测点波速值明显增大，主要因 该段距离内土质软，新近填土层较厚，部分地段有封闭型地下管道通过， 对地振动幅值有放大作用；在短轴线9 mV15 m之间为排水沟，跨越排 水沟后的测点检测时按无蓄水和放下闸门并蓄满水两种情况检测，结果 表明前者对隔岸第一振源产生的水平振动（径向和切向）有一定的（不很 明显的）隔震效果，而后者对隔岸不同振源产生的水平振动则有较明显的 减振作用，但两者对纵波（垂直向）的减振作用均不明显。（3）表3测试结果表明：第一二振源处地振动的强度较大，其他深 度处的振动影响较小，但当浅部（如表中2 m深处）遇到石块或旧砼基础 时地面振动的V值将明显增大；拔管过程中地面振动的V值发生在 管道通过泥质中细砂层（即原第一振源处）时，但其V值小于桩入土时 该处的V J直，且强烈振动的振动持续时间也较桩入土时的时间短。（4）本场址打桩过程中土层质点振动的卓越频率f的范围一般在 1130 Hz之间，振动频率高于附近结构的自振频率，因此一般不会出 现共振现象。（5）为了便于工程使用，上述结果可简化为表4。表4 桩基施工过程中的最大振动效应距离/m2551010151515（蓄水）V /cm. s-imax1.5 1.11.10.80.8 0.50.50.2对于下列情况表4中-J直应考虑到其增加的可能性：地表存在 较厚的软土层或大型管道（例如，短轴向79 m地段）；振源深度V9.5 m时，如桩尖遇到旧砼基础划石块等刚度较大的材料；表4的结果一 般是指桩尖匀速钻进的情况，如施工中打桩机突然加速应考虑到其可能 产生的不良影响。（6）根据施工场地周围民用建筑的特点，建筑物所允许的土层质点振 动速度可选用表1中的相应参数作为桩基施工的控制指标。同时为安全 起见建议采用下列减振措施：施工时将排水沟闸门关闭并使沟内蓄满 水以减小水平向的振动影响；打桩点距民房距离较近时如基础浅部遇 旧砼基础或石块时应采用先开挖排除后再施工的方法；保持桩机匀速 钻进，避免因操作不当突然变速或加振；施工时合理地确定场地平面 内桩基的施工顺序以减少打桩引起的侧向位移和孔压膨胀；控制打桩 的台班速率或采取跳打的方式使土层强度有足够的恢复时间，以避免持 续振动引起软土地基的不均匀沉降或结构可能产生的疲劳效应。根据以 上的分析结果并采用上述相应的减振措施后，可以认为该场址的打桩振 动对沟对岸的民用建筑不应产生破坏影响。该工程的研究结果后经实践检验证实了桩基施工方案的可行性，由 于保证了周围建筑的安全，避免了民事纠纷，从而取得较好的社会效益， 并对整个旧城改造中打桩过程的实施步骤具有一定的指导意义。4 结语打桩振动影响是城市建设和旧城改造过程中经常遇到的工程问题， 亦是较敏感的一个社会影响问题，由于检测结果关系到周边建筑物及居 民的安全或关系到桩基施工方案的可行性，因此，在具体工程的实际操 作中应慎重对待并注意到：应保证配套后的仪器所得到的相应记录应 是所要研究或检测的地振动参数；为保证测试幅值的准确性，配套后 的仪器其各通道应进行严格的标定以确定相应频带范围内的幅频特性曲 线；由于评判标准是衡量振动影响的重要依据，因此应注意到所引用 的各种评价指标的适用性与局限性，并结合不同作者对评判标准的研究 结果充分考虑所研究场址的桩机类型，场地地质剖面以及周围建筑的结 构类型，施工年代和施工质量等方面对评价标准可能带来的影响，从而 科学地选取合理的控制指标；打桩振动影响除了可能使周围建筑产生 裂隙破坏之外，还可能使周围场地产生不均匀沉降并导致建筑的地基土 失效，因此，打桩期间必要时应对可能受影响的建筑基础进行定期定点 的沉降变形观测（水准点应从打桩场址影响范围以外引入），以便及时了 解和控制建筑基础及建筑物的变形情况。作者单位:中国福建 362000福建省地震局泉州工程地震研究中心参考文献1 彭大用，袁相端.1995.预制钢筋混凝土桩的施工.见：桩基工程手册，北京：中国建筑工业出版社，4074952 张雪亮，黄树棠.1981.爆破地震效应.北京：地震出版社3波林格G A著，刘锡荟，熊建国译.1975爆炸振动分析北京：科 学出版社