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地基施工振动的环境影响浅析论文

  摘要:文章简述了地基施工振动原理及其对周围环境的影响,分析了我国和世界主要国家的相关振动控制标准的局限性,介绍并讨论了现有的地基施工振动环境影响评估方法的优缺点及降低地基施工振动对周围环境的影响的主要途径。分析发现,我国对建筑物地基施工振动环境影响的相关问题还需要更加系统和科学的认识和研究。
  关键词:建筑施工振动,环境影响分析,振动控制标准
  1前言
  地震由于其可能带来的严重经济、生命损失而一直受到专家学者们的广泛关注。不同于地震这种自然现象引起的地面振动,建筑施工活动引起的地面振动由于其可能造成的危害较小而经常受到忽视。但是近些年来,在人们关注环境问题的同时,施工振动作为一种环境污染所带来的环境影响正逐渐得到人们的重视。施工振动主要来自于采矿爆破、
  爆破拆除、打夯实、深基坑或隧道开挖,以及一般的重型机械施工活动。振动经土壤传播到周围建筑物基础处,引起建筑物的振动响应,从而对生活和工作在建筑物中的人和敏感机械产生干扰,并可能引起建筑结构的损坏,威胁到建筑物的整体性和安全性。另一方面,因为怀疑房屋可能被损坏而引起的业主和项目单位的纠纷也经常会影响到项目的正常进行,从而造成间接的经济损失。针对上述一些问题,文章简述了施工振动环境影响的相关原理、标准和评估方法,并分析了我国施工振动控制方面存在的一些问题。
  2建筑施工振动原理及其环境影响
  2.1施工振动的振源、传播及建筑物响应
  地面振动的振源可以粗略的分为瞬态振动和周期振动。瞬态振动是单个或序列瞬时冲击振动,主要由冲击荷载引起,如施工爆破、冲击法打桩或强夯等。周期振动一般来源于振动打桩、振动碾压、振冲法施工等[1]。一般来说,瞬态振动强度要大于周期振动,也会给周边环境带来更大的影响和危害。施工引起的振动以应力波的形式向场地周围传播,在传播过程中,几何阻尼和材料阻尼的共同作用使得振动波沿着传播路径逐渐衰减。根据Bornitz等式可以求得距离振源和两点之间位移幅值的衰减,如公式(1)所示[2]。
  (1)
  其中,和分别是离振源和处的振幅,n是几何阻尼系数,a是材料阻尼系数。
  振源、土壤、基础和建筑物共同组成了一个复杂的动力系统。当振动传播到建筑物基础处,土与结构的相互作用使得建筑物对地面振动产生响应。如果振源是瞬态振动,建筑物会以固有频率响应(自由振动),如果振源是周期振动,建筑物会以相同的频率振动(受迫振动)。如果振动频率接近建筑物的固有频率,则建筑物可能出现共振现象。结构不同的建筑物对相同的振动激励会以不同的方式响应。建筑物的结构形式、材质、年龄、高度等因素均会影响结构的响应方式。另外,频率较高的振动会激起建筑物内非结构物的振动,这些物品的大幅振动会导致严重的噪声污染,干扰人们的工作和生活。
  2.2施工振动对周围环境的影响
  建筑结构对振动的响应使得结构各单元间产生不同步位移从而导致应力,使建筑物产生裂缝。按照Dowding的观点,振动引起的建筑物损坏可分为三类:1.装饰裂缝,旧裂缝的加剧、新灰泥裂缝形成或者松散结构脱落。2.较小损坏,建筑裂缝或者细微的结构的损坏。3.较大损坏,结构裂缝或者主要结构物的损坏,这类裂缝则可能会导致结构强度的降低[3]。
  除了振动导致的建筑物损坏以外,低频的施工振动还可能导致土壤的液化和致密化,从而引起附近建筑物的基础沉降,使建筑物产生裂缝或者更严重的结构损坏。低频率、长周期的振动更容易导致土壤液化。据报道,饱和度高于75%的沙土液化甚至可能发生在远离施工场地400米处,或是在质点峰值速度为2mm/s的振动荷载下[4]。
  另外,振动可能导致精密仪器读数不准、精度下降,并影响到精密加工过程的可靠性。所以,对振动敏感的精密仪器和一些精密加工过程对振动均有非常严格的限制[4]。振动可以使人感到烦恼和疲劳,如果振动频率接近人体器官的固有频率,振动还可能对人体造成器质性的损坏,威胁到人的健康和安全。人对振动非常敏感,比如人甚至可以感觉到振动速度低于0.3mm/sec的微弱振动。但是,人却很难用感觉去衡量振动的强度大小。当房屋周围进行项目施工的时候,工作和生活受到干扰的人们很容易怀疑自己的房屋被振动损坏。如果经过查找后发现房屋有未曾注意到的裂缝,就会归咎于临近的施工振动,从而引起纠纷而影响工程的正常进行。
  3我国及世界各主要国家振动控制标准
  3.1世界主要国家的振动控制标准
  在过去的30年里,已经有不同的机构和部门颁布了施工振动控制的相关技术标准或法规,如国际标准化协会标准ISO2631、联邦德国标准DIN4150、英国标准BS7385、瑞士标准SN640312、美国标准RI8507。质点峰值速度(peakparticlevelocity,PPV)与建筑物的装饰性裂缝之间有很好的关联性,并且受振动频率影响不大,所以标准规定的振动允许值通常使用建筑物基础处的质点峰值速度作为控制参数。德国标准把建筑物分为工业建筑,民用建筑和对振动敏感建筑三类,使用建筑物基础处的质点峰值速度限值作为控制参数。英美以振动是否导致建筑外观裂缝来确定振动的容许程度。与此不同的是,日本是将建筑物按照用途和性能进行分类后,采用质点峰值加速度作为振动控制参数。瑞士振动控制规范相对于其他振动控制规范偏于保守,因为它主要是以人的感受来衡量振动的容许强度。另外,大部分的标准还详细叙述了人类不同感觉的振动阈值。这些阈值是频率和振动周期的函数,可以表达成加速度、速度、位移峰值。但是,由于各种标准均是在某一具体的场地条件下、针对特定的结构物进行试验而取得数据,在此基础上加以调整而制定的一种普适标准,所以各国制定的标准也有相当大的差异和局限性[5]。
  3.2我国振动控制的相关标准
  对我国而言,评估施工振动对建筑物影响采用的评价指标主要有最大振动速度、加速度和位移,也有的采用谱烈度和能量比作为评价指标。可以采用的相关标准主要有:1.中国国家环境保护部制定的《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)和《城市区域环境振动测量方法》(GB10071-88)[6],标准规定了城市各类区域铅垂向Z振级标准值。与国际普遍认同的PPV作为控制参数不同,此标准是选取质点振动加速度为振动控制参数。2.国家质量监督检验检疫总局于2003年颁布的国家标准《爆破安全规程》(GB672222003)[7],其中规定了满足安全要求的由爆破引起的允许振动强度,但是此标准适用于爆破施工的振动控制,缺少对其他振源类型的适用性。3.国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2008年颁布的《中国地震烈度表》(GB/T17742-2008)[8],其中规定了地震烈度的多种评定指标,包括人的感觉、房屋震害程度、其他震害现象、水平向地震动参数。尽管地震与施工引起的地面振动在传播形式上存在相似性,但两者之间仍然存在着很大的区别。地震的主频一般低于5Hz,能量很大,历时较长,而施工振动主频较高,远高于建筑物的固有频率,振动能量一般较低,不同的施工引起的振动历时不同[9]。所以,上述三种标准在应用过程中均存在着较大的局限性。由此可见,我国环境振动控制标准的专业化和科学化程度还有待提高。
  4施工振动的评估和控制方法
  4.1施工振动对环境影响的评估方法
  目前,施工振动对邻近建筑影响的评估方法主要有反应谱法,烈度法,参数法[10]。其中,参数法是选择与建筑物破坏相关的质点峰值速度或安全距离等参数作为控制值,并通过与标准设定的允许值进行比较来衡量振动的安全程度,这种方法由于其简便易行,因而被广泛采用于振动对环境影响的评估。但是,其评估结果偏保守,缺少对不同建筑结构形式的适应性。烈度法是沿用地震烈度的概念,考虑了振动波的频谱特性和建筑物的自振频率。相对于以上两种方法,反应谱法是比较精确的评估方法,这种方法会对建筑物进行频谱和反应谱分析,计算结构的动力反应和应力应变。这种方法的缺点是计算量偏大,较复杂,而且要想全面获得场地周围建筑物的数据比较困难。
  4.2施工振动的控制方法
  施工振动的控制主要可以通过以下三种途径来实现:1.降低振源的强度;2.阻隔振动的传播;3.提高振动影响目标的抗振性能。一般来说,锤击法施工所带来的振动强度要高于振动法施工,所以,改变锤击法施工方式是降低振源强度的有效方法。采用隔振沟也能够有效的阻碍振动在地表的传播,据统计隔振沟的有效设置可以使振幅衰减到原振幅的25%。另外,对于老旧的建筑物可以采取临时托换加固体系的措施来提高其抗震性能。
  5结论
  本文对施工振动等所带来的环境问题进行了简要的分析后发现,我国对施工振动环境影响还缺乏系统科学的研究和认识,关于施工振动对周围环境影响的理论研究与工程经验总结还需要不断地积累,亟待提出科学合理的振动控制技术标准,从而降低因为施工振动引起的破坏和纠纷发生的可能性。
  
  
  参考文献
  [1]贾敏才,周健,李杰三.地基处理施工振动及其对环境的影响评述[J]地下空间,2004,(04)
  [5]曹艳梅夏禾.振动对建筑物的影响及其控制标准[A].第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C],2002
  [6]GB10070-88,城市区域环境振动标准[S].GBUrbanArea[S]
  [7]GB6722-2003,爆破安全规程[S].GB
  [8]GB/T17742-2008中国地震烈度表[S].
  [9]多种施工振动对临近建筑物的影响分析[J].陕西建筑,2009,(10)
  [10]方东升.施工振动对房屋结构安全影响分析与鉴定[J].铁道科学与工程学报,2007,(04).

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