钢板桩工程手册第11章打桩噪声及振动

第11章打桩噪声及振动11.1概述多年以来，人们一直认为打桩是对施工场地周边环境干扰最严重的作业之一。在过去打桩技术较落后的情况下确实如此，但随着施工机械及打桩技术的提高，不但能控制打桩成本，还能减少噪声和振动。当施工场地位于住宅、办公搂、实验室或历史建筑附近时，施工方要有严密的施工计划，确保将打桩对周围建筑物的影响降至最低程度的同时而又能够保证工程进度。在住宅区内打桩会给居民的正常生活造成一定程度的影响，但是可以选择合适的打桩技术，缩短工期，将噪声和振动控制在人们可接受的范围内。现代打桩技术可以有效减少打桩过程中产生的噪声和振动。如果地质条件允许，可以采用静力液压桩技术。由于静压打桩几乎没有噪声和振动，因而在对环境污染控制很严格的地区，如医院附近、市区；沿线有易损电缆或管线以及临近精密计算机设备的地区，都将钢板桩作为首选方案粒状土中，振动打桩是所有打桩方法中速度最快的，它产生的振动比静力压桩大，比冲击打桩小。先进的技术使得操作人员可以改变振动锤的频率和振幅，以适应不同的场地条件，且避免了共振引起的板桩周围土体的剧烈振动。冲击打桩产生的嗓声和振动要比其他方法大很多，但是这种方法适用于任何类型的土体，而且也可能是硬质黏土或软岩中唯一可用的打桩方法。随着技术的进步，冲击锤的操作方式也发生了变化，在过去的半个世纪中，冲击锤的驱动设备从蒸汽到柴油再到液压驱动。因此，相对于过去的冲击锤，现代液压落锤对环境的污染要小得多。另外，也可以用围墙将噪声源封闭起来，以进一步减小噪声。选择打桩方法之前，必须考虑场地周边环境以及噪声和振动的要求，并不是每个场地都要求无噪声、无振动的，只要将噪声和振动控制在人们可以接受的范围内，就能够节省成本和工期。另外，也可以采用组合打桩法，例如，在环境要求严格的时段内采用静压法，在要求不严格的时段内用冲击锤将板桩打至设计标高。11.2监管指导当地监管机构可能会在打桩之前或打桩过程中制订和执行一些限制条款。为了避免这种情况发生，最好的办法是事先达成共识，同地方政府协商，达成“同意施工”的协议。《钢结构设计一第5部分：钢板桩》(EN1993-5-1998)对人们能够忍受的振动限值、建筑物轻微损害的标准给出了详细的建议。这部分内容已经从最新修订的EN1993-5中删掉了，因为欧洲标准化委员会(CEN)认为将其作为施工标准更合适。尽管目前的英国标准没有对振动或噪声作出硬性限制，但是仍可参考以下三个英国标准：英标《建筑工地和露天场地的噪声和振动控制规范》(BS5228-2009)，《建筑物振动(频率为1～80Hz)对人影响的评定指南》(BS6472-1992)，《建筑物振动测量和评定》(BS7385-1993)。11.3打桩引起的振动11.3.1振动影响冲击打桩或振动打桩会引起地面振动，靠近桩身处振动最强。人们通常对地面振动很敏感，即使只是一些轻微的振动也会引起当地居民的投诉。由打桩振动引起的有关建筑物损坏的报告很少见，英标EN1993-5-1998、BS5228-4和BS7385-2中有关于这方面的指导，有助于避免建筑外表损伤。强烈的地面振动也可能会扰动土体，造成斜坡不稳定或松散饱和粒状土压实沉降。11.3.2减少振动的方法由地面振动引发的问题可以通过以下方法避免：(1)事先计划，获得允许施工的协议；(2)选择最适当的打桩机和打桩方法；(3)将即将进行的施工内容及持续时间预先告知居民，保证对他们的财产破坏降至最低程度；(4)在施工前后进行财产调查。经过仔细规划，选择适合场地条件的打桩方法，就可以将打桩对环境的影响降至最低。在高度敏感地区，如紧邻已有建筑或在历史建筑附近，可以使用静压打桩。在硬黏土中打桩时，可以使用冲击锤打桩。目前的液压落锤效率很高且便于控制，只要桩锤操作得当且进行振动监测，就可以控制振动限值，提高打桩成功率。要保证钢板桩一直处于竖直位置，可以借助导向架来达到这一要求。此外，还要挑选适当大小的桩锤，且锤子要沿着板桩的轴线击打在板桩的质心上，一旦桩头发生变形，就必须立刻停止打桩，直到找出原因并改进为止。如果遇到地下障碍物就会导致剧烈振动，可以采用以下方法避免这个问题：(1)开挖至2～3m深，避开旧混凝土、砖块、木桩基础或过去场地开发时遗留下来的地下设施；(2)用水冲法松动密砂；(3)预先挖沟槽（虽然开挖可能导致地面扰动）；(4)预先钻孔，使硬土变松散。11.3.3振动水平估计过去的20年中，施工单位、学校及科研机构记录了大量施工现场的地面振动情况，并将其归纳总结为经验公式，用来评估各种打桩方法的最大桩锤速度(ppv)及其近似的上限值(EN1993-5-1998)。这个公式为式中：v——估计的ppv，mm/s;C——与土体类型和桩锤有关的参数，表11.1给出了EN1993-5-1998中建议的C值；W——每击或每周期的能量，J／击，或J／周期（振动打桩机）；r一作业点到所求点的水平距离，m。这里要特别强调的一点是，该公式给出的只是经验参考值，不是准确值。EN1993-5-1998中建议的C值表11.1打桩方法地质类型C冲击式非常坚硬的黏土，密实粒状土，岩层，含有大量固体颗粒的填土1.0硬黏土，中等密实粒状土，压密填土0.75软黏土，松散粒状土，松散填土，有机土0.5振动式所有类型的土0.711.3.3.1静压桩如果采用静压法打桩，就不需要计算，因为在保证钢板桩垂直度的情况下，可以忽略振动影响。11.3.3.2振动打桩机．对于振动打桩机，在计算中要用额定功率除以频率，根据生产商提供的信息，功率的单位是W(1W=1)，频率的单位是T/s，因此最后的单位是，即J/T。EN1993-5建议C=0.7，BS5228建议C=1.0，优先选前者。部分现场记录显示；振动打桩时往往会在振动频率较低的时候出现振动的上限值，这是地面的共振响应，“无共振”振动打桩机可以避免这种情况。也有一些学者[Hiller(2000)，Holeyman(2000)]认为相对于打桩过程中遇到的土体抗力，单位周期的锤击能量对振动的影响更小。’按照目前的理论水平，更合理的做法是按照EN1993-5的规定，在基本经验公式中采用能量／周期为单位。例11.1：采用振动打桩机在中等密实的砂和砾石中打拔钢板桩。打桩机的额定功率是120kW，频率是38Hz，计算r=2m和r=l0m处的ppv。能量／周期=120000()/38(T/s，即Hz)=3160(J/T)取C=0.7(参照EN1993-5)。当r=2m时，有v=20mm/s-当r=10m时，有v=4.0mm/s在环境敏感地区，采用高频振动和可以改变偏心力矩的打桩机更有效，可以通过调整输入能量和频率来适应场地条件。11.3.3.3冲击锤冲击锤的能量W是通过落锤自由下落的势能损失(质量×重力加速度×下落高度，或mgh)计算的。对于双作用打桩机，援引生产商的资料，冲击锤的能量=mgh十存储能量。单位是J／击，1J=1。例11.2：用液压落锤在中密黏土中击打H型钢桩，落锤重3t，下落高度0.8m，垂直度控制良好。在r=2m、5m和20m时估算ppv。落锤能量=质量×重力加速度×下落高度（mgh）=3000kg×9.8m/S2×0.8m=23250J(或)取C=0.75r=2m时v=57mm/sr=5m时v=23mm/sr=20m时v=6mm/s11.3.4估算的局限性虽然上述方法对振动等级作出了合理评估，但是必须承认，还有很多因素会导致实际的振动等级比估计的等级要高，如障碍物、机器磨损或损坏、缺少支撑以及振动过程中土体的类共振，因而上述结果只能作为参考值，不能作为准确值。估算的结果可作为签订施工协议的基础，或者是用于制订打桩振动的容许限值。在评估打桩设备的性能时，选择合适的桩锤、保持稳定的贯入速率非常重要，这可以将振动危害降至最低，包括振动的强度及持续时间。在主体工程打桩之前，可以先用一根钢板桩试打。表11.2列举了一些实际工程中地面振动的例子。需要注意的是，振动会发生很大的变化，即使是用同一个锤打同一根桩，桩端深度、贯入土层、击打精度、露出地面的高度、导向系统、与相邻桩的连接、遇到的障碍物以及操作人员的效率等因素，都会对振动产生影响。曲线和计算公式往往都会高估桩身附近的ppv。场地质点振动峰值速度记录表表11.2锤和板桩型号与板桩间距(m)径向ppv(mm/s)横向ppv(mm/s)竖向ppv(mm/s)总的ppv(mm/s)气压锤，600N,U型桩，z=1600cm3/m28.67.217.018.085.62.98.28.4223.82.75.16.1BSP357,(3T),Z型桩z=2300cm3/m210.67.7222554.55.04.86.1180.50.60.90.9BSP357,(5t),H型桩4104.525.926.91713.82.311.015373.31.01.23.5振动锤MS35H，Z型桩z=2300cm3/m222286.83452.82.68.29.5161.51.72.32.511.3.5振动的不利影响打桩过程中的地面振动至少会造成四种不利影响，应加以注意：(l)给人们的生活造成困扰；(2)对建筑物的外表面或结构造成损害；(3)使松散粒状土压密沉降；(4)造成斜坡或开挖不稳定。EN1993-5-1998和英国规范，特别是BS5228-4-1992、BS6472-1992和BS7385-2-1993中对前两个方面的限制条件有明确规定。11.3.5.1干扰人的正常生活地面振动可能会引起一系列连锁反应，从“轻微有感觉”到“感觉困扰”再到“不安”最后到“焦虑”。打桩振动并不会危害身体健康，对人造成的影响一般是精神上的，主观反应是环境、振动时间及振动强度等共同作用的结果，变化很大。在8～80Hz的频率范围内，人对振动是最敏感的，ppv约为0.2mm/s时就能感觉到。BS6472给出了可能引起最小不良反应的基本振动曲线以及振动量值(VDV’s)在什么范围可能会被投诉(VDV’s考虑了振动时间)，据此推出的振动等级均较低。应当指出的是，规范只是预测发生不良反应的可能性，不具备法律效应。对于常规的打桩操作，人的耐振动指数应参考表113，该表摘自EN1993-5，考虑振动值时，周边场地的振动水平也不能忽略。人的耐振动限值表11.3持续时间D(天)D≥16≤D≤2626≤D≤78一级1.51.31.0二级3.02.31.5三级4.53.82.0注：1.一级以下的振动是可以接受的；二级以下的振动在预先告知的情况下是可接受的；三级以上的振动是不能接受的。2．上述数值的前提是每个工作日4h的振动时间。对不同的振动时间，，这里，Tr=16h,Tc是每天的暴露在振动中的时间，单位为h。3．除了医院、精密实验室和图书馆这些振动强度最大只能到0.15mm/s的地方，其他场地都可以利用上表中的限值作为参考。11.3.5.2损害结构几乎没有资料表明，单纯的打桩振动会使状况良好的建筑物表面产生破坏（微小裂缝），状况不佳的建筑物则有可能产生轻微破坏。如果业主担心会破坏他们的房子，那么在打桩前后都应进行调查，记录下建筑物上的所有缺陷。BS5228-4-1992和BS7385-2-1993对ppv在什么水平时建筑物表面会产生破坏都有规定，但是两个规范规定的内容不一致。冲击打桩会引发间歇性的地面振动，因此视为瞬时振动，振动打桩时地面振动是连续的，连续振动ppv值为瞬时振动的50%。图11.1总结了BS5228和BS7385规定的民用和工业建筑的间歇振动阈值。BS7385规定的振动阈值比BS5228要大，对有明显缺陷的建筑物，BS5228的振动阈值最大可降低50%。当振动值超过了4倍的建议振动阈值时，可能会发生结构破坏。有关建筑物表面不发生破坏的ppv建议阈值，各个国家的规范也不一致。在规定振动阈值时，也应考虑建筑物的结构形式。刚性筏形承重基础或刚性剪力墙基础，通过土／结构动力相互作用，可极大地减少地面振动。但是，柔性框架结构会随被动干扰波晃动。此外，如果建筑物的频率和振动频率相近，厚度较薄的悬空扳会将动态扰动放大。BS5228建议将砌体挡土墙的ppv值控制在底部为l0mm/s，顶部为40mm/s，同时也规定了地下设施的ppv限值：间歇振动为30mm/s，连续振动为15mm/s，对于年代较久远的下水道要减少20%～50%。表11.4摘自EN1993-5，可以看出表中的数值较为保守，在一定程度上降低了建筑物受损的概率。建筑物的振动限值表11.4建筑物类型最大桩锤速度(mm/s)连续振动瞬时振动遗迹、保护建筑24住宅510商业区1020重工业1530地下设施254011.3.5.3振密沉降BS7385-2-1993指出，振动能使松散粒状土变密实，从而导致差异沉降。有工程显示当颗粒的加速度超过0.2～0.4g时，地面以下l0m深度范围内的松散粒状饱和土在长时间的振动过程中会变密实。振密不太可能发生在距离作业点5m以外的地方，除非是有大范围的液化。当振动加速度超过1g时，在紧邻新建的底板或墙体处拔桩以及振动水力充填物时，最有可能引起振密沉降。11.3.5.4边坡失稳关于这个问题，几乎没有相关参考资料。图11.2对粒状土的滑动进行了简单分析，给出了抗滑移安全系数：F=抗滑力／下滑力或F=(11.2)式中：——土的内摩擦角；——斜坡倾角。如果在斜坡上施加一个瞬时的垂直加速度，抗滑力和下滑力会增大相同的幅度，因此，垂直振动没有效果。如果在斜坡上施加一个向外的水平加速度，下滑力的增量是质量×加速度，那么安全系数就降低了。例如：假定土体的质量是W，水平加速度；0.1g，所以水平力=0.IW下滑力=如果斜坡倾角为20。，下滑力由0.34W增加到0.43W，即增加27%。如果土的内摩擦角是35。，安全系数从1.9减低到1.5。11.4打桩产生的噪声11.4.1噪声的影响噪声会在打桩过程中以尖锐的重复脉冲或嗡嗡声的形式出现。如果施工场地的噪声超过了规范规定的阈值，那么承包商就需要采取措施保护工人的听力。在公共场合应尽可能减小噪声，避免对听力造成干扰和损害。11.4.2减小打桩噪声静力压桩机压桩产生的噪声可忽略，柴油发动机发出的噪声也很低，可以将柴油发动机放置在较远处。封闭式液压落锤和平稳运行的振动打桩机都是经过精心设计的，可以减小噪声，与以前的设备相比也安静很多。选用合适的打桩锤和桩垫，可以显著降低噪声。11.4.3良好的施工方法振动打桩或冲击锤打桩时；可以采用下面介绍的方法降低噪声。‘噪声会随着距离的增大而降低，因此可以将产生噪声的设备放置在远离公共场所和工人的地方。打桩锤击打在钢板桩上时产生的噪声特别大，可以使用木垫或塑料垫板降低噪声，还可以在桩锤外包裹减噪外壳。部分嵌入土体的钢板桩在打桩时会发出噪声，为了避免这种情况，可以在钢板桩和导向架之间使用木楔，也可以使用吸声材料。还有一种办法是在噪声源和敏感建筑之间设置隔声屏、固体隔声物，如木料、土堆或树木等可以将噪声降低5～l0dB。11.4.4噪声等级评估噪声等级是噪声功率的函数，Lw是设备表面（锤或桩）的气压波动，用dB表示，到声源的距离用R表示。单个工作日的等效连续A声级Laeq可以通过以下公式求出：打桩设备的功率可以从生产厂家获得，冲击锤击打钢板桩或H型桩时的噪声范围为120～135dB。罩碰——包括减噪的外壳——最多可以将噪声减少10dB。静压打桩时只有发动机产生低弱的噪声，因而可以忽略。表11.5列举了打桩时记录的一些噪声等级。打桩时记录的噪声等级举例表11.5设备类型声功率等级Lw（dB）主要观测噪声Lw（dB）距离l0m时的Lw（dB）距离30m时的Lw（dB）液压冲击锤HPH1200/240097@4m9080HH357-9BSP9585HHl.5DA95@12m9787振动打桩机PTCCity15HF193@3m7361ICE21691@7m8774ICE41680@7m7765ICE81597@7m9483日本静压桩75@1m5545动力设备90@1m7060NCK吊车低转速71@2m5747高转速83@2m6959BS5228的例题双动空气锤(5.4)13410696封闭下落(3t)987060液压下落(60)1219383以下是关于噪声等级的一些计算：例11.3：冲击锤击打钢板桩，Lw=135dB。计算2m、l0m、20m,和50m处的Laeq。从公式)得当R=2m时Laeq=135-6-8=121dB(A)当R=10m时Laeq=107dB(A)当R=20m时Laeq=101dB(A)(注意，距离加倍，噪声减少6dB)当R=50m时Laeq=93dB(A)如果一个工作日的10%～50%的时间都在打桩，就可以稍微降低Laeq（注意，由于对数关系，缩短工期对降低Laeq影响很小）。这一点可以通过计算验证：式中：L1——全部施工时间都在打桩时的噪声等级；、t1——打桩时间；T——总的施工时间。例11.4：如果距离10m处，噪声等级Laeq=107dB(A)，参照前一个例子，将打桩时间限制为工作日的50%，重新计算后的Laeq变为减少了3dB，这个结果和前面预测的是一致的。接下来分析不同操作产生的不同等级的噪声：L1、L2、L3的持续时间分别为为tl、t2、t3。根据下面这个展开计算：例11.5：假设有三种产生噪声的操作，表11.6列出了三种噪声的持续时间及强度。累积噪声源表11.6操作LwdB打桩时间t=100%①，10m处的Laeq单个操作的Laeq累计Laeq113020%1029597212630%9393312040%9292注：①按原始公式计算。按照上式进行累积Laeq的计算：即属累积等效日噪声等级。例11.6：如果有两个噪声源，而且是整个